燃气车废气再循环寒区潜在失效浅析

2022-04-02袁志宏康孝峰

汽车实用技术 2022年6期

袁志宏，康孝峰，马佳

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西西安 710200）

关键字：燃气车；废气再循环系统；发动机；潜在失效

天然气以其燃烧清洁度高、储量大、成本低等优势一直受到国内外汽车行业的广泛关注，是内燃机替代燃料的首选。与相同功率的石油基燃料车辆相比，天然气车辆在 HC排放物方面可以减少90%，CO排放物方面可减少15%，NOx排放物方面可下降约 40%，并且尾气中没有含铅物质，在节能减排方面的优势不言而喻。大力推广天然气车辆对于减少城市污染、改善空气质量、打赢蓝天保卫战具有十分重要的现实意义。《能源发展“十三五”规划》中指出，到2020年，天然气在一次能源消费占比达到 10%，2030年将达到15%。而根据发改委的预测判断，2025年天然气供给能力已接近能源发展“十三五”规划中2030年天然气消费需求总量目标，超前完成天然气供给能力建设，预计天然气作为国内一次能源消费占比将加速发展。天然气重型商用车替代率在2019年首次超过天然气在一次能源消费占比，2020年已接近到 11%，超过 13.5万辆，在 2030年前天然气重型商用车替代率将会持续攀升。随着天然气重型商用车保有量持续增长以及国六排放升级，天然气发动机可靠性将会成为行业关注的焦点。

国六阶段天然气发动机采用三元催化转化器（Three Way Catalytic Converter, TWC）和理论空燃比相结合的技术路线。与国五阶段稀薄燃烧相比，天然气发动机采用理论空燃比燃烧技术路线后，缸内热负荷和爆震显著增加，燃气消耗量也出现明显增加。为改善天然气发动机热负荷和爆震，提高燃气经济性，降低NOx排放，天然气发动机引入了废气再循环系统（Exhaust Gas Recirculation, EGR）。

天然气主要成分是甲烷（CH），燃烧后发动机尾气中水分含量较高，引入废气再循环系统后，部分废气经EGR冷却器冷却后进入进气系统，与新鲜空气和燃气混合后重新进入发动机缸内燃烧。进行整车潜在失效模式分析（Design Failure Mode and Effects Analysis, DFEMA），分析时，识别当环境温度低于－30℃时，EGR阀、燃气混合器、节气门等部位可能出现结冰现象，导致整车出现启动困难、加速无力等故障，本文就天然气发动机引入废气再循环系统可能出现的结冰现象进行研究分析和验证。

1 废气再循环系统

废气再循环系统是通过将发动机缸内燃烧做功后的部分废气，经过管路和散热器降温以后，再通过EGR阀门进入到发动机进气系统，与新鲜空气和燃气混合后重新进入发动机缸内再燃烧的技术，具体工作原理如图1所示。天然气在缸内燃烧后，发动机尾气中的主要成分是CO、HO 和N等气体，由于这些气体比热容较高且不参与发动机缸内燃烧，在发动机燃烧工作时不仅能吸收大量的热量，同时有助于发动机缸内的燃气混合，降低氧浓度，改变利于NOx大量生成的高温富氧环境，有效控制NOx的生成。因此，天然气发动机使用EGR 系统是降低NOx排放的有效技术路线，对改善发动机的经济性和排放有积极作用。

图1 EGR系统工作原理

提高EGR系统废气再循环率会使总的废气流量（Mass Flow, MF）减少，因此废气排放中总的污染物输出量将会相对减少。EGR系统的任务就是使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况，从而使燃烧过程始终处于最理想的情况，最终保证排放物中的污染成分最低。由于废气再循环量的改变会对不同的污染成分可能产生截然相反的影响，因此所谓的最佳状况往往是一种折衷的，使相关污染物总的排放达到最佳的方案。尽管提高废气再循环率对减少氮氧化物（NOx）的排放有积极的影响, 但这也会对颗粒物和其他污染成分的增加产生消极的影响。整车运行工况复杂，并不是所有工况都需要EGR系统介入，像冷机、怠速、低速小负荷运行时，燃烧室内燃烧温度本就不高，没有必要引入废气；高速大负荷运行时，特别是全开油门时，需要发动机尽最大可能输出动力，也不能引入废气，引入废气，进入的新鲜空气少了，燃烧速度变慢，会使油气耗增加，整车动力下降。

2 废气再循环系统结冰分析

天然气国六排放切换时，基于天然气发动机技术路线变化，识别国五与国六发动机技术状态差异。掌握发动机变化后开展整车潜在失效模式分析DFEMA，在柴油车应用废气再循环系统时，采用进气电加热方案有效提升进气温度，但由于天然气车型是燃气与新鲜空气预混合，对混合气进行电加热存在爆炸风险，故未进行混合气加热，进气温度经过进气中冷后较环境温度仅提升约10 ℃～15 ℃。但天然气燃烧后发动机尾气中水分含量较高，当环境温度低于－30 ℃时，废气经过管路、EGR阀、燃气混合器、节气门等部位可能出现结冰现象。发动机低负荷运行时，低温废气与新鲜空气、低温燃气混合后更易形成冷凝水，长时间会出现结冰，导致整车起动困难，加速无力等故障。EGR阀、燃气混合器、节气门在发动机中结构如图2。

图2 某发动机EGR阀、节气门和混合器布置

2.1 EGR阀结冰

天然气主要成分是 CH，燃烧后发动机尾气中水分含量较高，发动机长时间怠速运行时增压器不介入工作， EGR阀处于关闭状态；排气温度较低，EGR管管壁温度与环境温度相同，EGR管内废气遇冷形成冷凝水；EGR管设计时存在一定向EGR阀侧倾斜，设计目标是将排气中冷凝水借助重力流向燃气混合器，重新进入燃烧循环排出，避免长时间停车积水引起停车结冰和管路生锈。当环境温度低于－30℃时，车辆长时间处于怠速运行，EGR阀处于关闭状态，冷凝水聚集到EGR阀膜片处，EGR管壁会发生结冰现象，出现EGR阀卡滞，发动机监测到EGR阀无响应会进行限扭，整车端表现为加速无力。

2.2 燃气混合器结冰

环境温度低于－30 ℃时，进入发动机的新鲜空气长期处于零度以下，通过大数据统计 100辆车运行数据，发现进气温度最低会达到－23 ℃，发动机长时间低负荷运行时 EGR阀处于关闭状态，但EGR阀是机械开闭结构，无法实现完全关闭，EGR 管内部分废气会进入燃气混合器，与零度以下冷空气相遇会冷凝形成冷凝水，混合器管壁温度与环境温度相同，冷凝水流到混合器管壁会出现结冰现象，少量结冰会影响发动机进气量，整车加速响应性差，结冰严重将影响发动机进气，进而引起发动机熄火，整车无法正常运行。

2.3 节气门结冰

停车熄火后，EGR阀之后到燃烧室前已混合的废气、新鲜空气和燃气无法及时从发动机中排出，随着发动机机舱温度降低到环境温度（－30 ℃），混合气会冷凝并产生结冰现象，结冰后导致节气门阀片卡滞，出现起动困难，严重时无法起动车辆。

3 废气再循环系统结冰验证

分析EGR阀、燃气混合器、节气门等部位结冰原因，均是由于采用废气再循环系统引入废气，极寒环境下废气中水分冷凝析出流到管壁后结冰。在寒区环境温度低于－30 ℃，分别模拟发动机原地怠速工作，原地怠速15分钟立即检查，拆解未发现EGR阀结冰，原地怠速2小时后立即检查，拆解发动机发现EGR阀轻微结冰，原地怠速2小时后再等待3小时检查，拆解发动机发现EGR阀结冰堵塞如图 3所示，实验验证当前发动机结构状态EGR存在结冰风险，与DFMEA分析一致，需组织优化。