發動機EGR閥卡滯問題分析研究

陳 洪

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 511431）

0 引言

地鐵工程車輛是為地鐵線網設施的維護保養而設計制造的軌道車輛。目前此類車輛均采用內燃發動機動力系統，由于此類車輛長期在地鐵隧道中運行，該車發動機的尾氣排放必須要有嚴格的要求，以免因隧道環境的不通透而造成乘客吸入尾氣，給人的身體健康帶來傷害。目前，地鐵采購的工程車輛所搭載的發動機，一般都采用了延遲噴油定時的設計，即減少空氣與油的接觸時間和良好的燃燒室冷卻來減少氧與氮的高溫反應所生成的氮氧化合物（遇到水形成硝酸和亞硝酸）；但這樣的設計在燃燒過程中燃料就很難完全燃燒，會產生大量的煙炱（小于0.5微米的碳）。為了提高燃油的經濟性和減少PM顆粒的排放，就有了廢氣循環系統EGR，把一部分廢氣壓入燃燒室再燃燒，從而提高燃油的經濟性并使排放達標[1]。但是在該系統運行了一段時間后，發現該EGR系統頻繁故障報警，經過對EGR 閥的拆卸檢查發現，閥體積碳較為嚴重，且有直徑約10 mm 的不規則顆粒卡滯在EGR閥的閥體上。

1 EGR系統的工作原理

EGR 閥固定在發動機排氣歧管和進氣歧管之間。渦輪增壓器的活動葉片在排氣罩之內。這些葉片通過電子控制，直接排氣到EGR。排氣通過冷卻液-空氣冷卻器冷卻。發動機控制單元（ECU）依據發動機的負荷要求，控制著要與進氣混合供燃燒的排氣量。在全負荷條件下，有10%～12%供燃燒的進氣是再次循環利用的排氣。通過再次循環利用冷卻排氣獲得的額外空氣量使發動機以更高的推進壓力運轉。這使燃油輸送增加，并且增加發動機的功率輸出，排放到大氣中的有害氣體也減少了[2]。

圖1 EGR系統原理框圖

2 EGR閥卡滯

在該發動機使用初期，EGR 系統運行情況良好，但發動機運行至1 000小時左右，EGR系統經常發生故障報警，經拆卸EGR閥發現，閥體積碳較為嚴重，且有直徑約10 mm 的不規則顆粒卡滯在EGR閥的閥體上。如圖2所示。

圖2 受卡滯的EGR閥體

經對該不規則卡滯顆粒進行X 射線熒光光譜分析，檢查出該顆粒的成分如表1所示。

表1 卡滯物光譜分析表

從表1 中可以看出，該不規則卡滯顆粒的主要組成成分為Fe2O3和C，分別達到了79%和9.73%，因此對該Fe2O3的來源進行分析，便能清楚地認識到EGR閥卡滯的根本原因。

3 Fe2O3的來源分析

通過拆卸發動機的進氣歧管，發現該歧管內壁受到了較嚴重的腐蝕，且有較多的塊狀物能夠較容易的脫落，脫落下來的塊狀物如圖3所示。

圖3 脫落的塊狀物

經X 射線熒光光譜分析，該塊狀物的成分與前面卡滯在EGR閥中的不規則顆粒成分一樣。由此可以確定，不規則顆粒是排氣歧管內壁受腐蝕而脫落產生的。

4 Fe2O3產生原因分析

4.1 燃燒廢氣經過冷卻器過度降溫析出水

根據物理知識可以知道，氣體在溫度降低至100 ℃以下時會有水析出，經檢測發動機正常運行過程中發動機排氣歧管處的排氣溫度約400 ℃，而發動機排放的廢氣經過廢氣冷卻器后的溫度約70 ℃，故燃燒廢氣經過冷卻器后析出了水分。

4.2 廢氣進氣歧管受腐蝕產生金屬氧化物

生成的水與冷卻的廢氣致使管道內壁發生了化學反應。

（1）鐵和廢氣中因冷卻而吸出的水分發生化學反應：

（2）產生的氫氧化鐵與燃燒廢氣中少量的氧氣反應：

最終產生了氧化鐵[3]。

通過以上的分析可以確定，過度冷卻的燃燒廢氣致使廢氣進氣歧管內壁腐蝕脫落是導致EGR閥卡滯的原因所在。

5 整改措施

減少廢氣通過冷卻器的冷卻距離，提高經過冷卻器后的廢氣溫度，并保證冷卻后的廢氣溫度控制在100 ℃至110 ℃之間（冷卻溫度過高會提高發動機的總體進氣溫度，影響發動機功率）。對整改后的發動機進行耐久試驗，試驗后的EGR閥及進氣歧管狀態如圖3 所示。耐久試驗后發動機EGR閥狀態正常，詳見圖4。

同時，發動機在各種負載情況下運行，其工況良好，輸出功率正常。

圖4 EGR閥正常

6 結論

本文通過對帶EGR 系統的發動機所產生的EGR 閥卡滯故障的分析研究，得出因EGR 廢氣的過度冷卻造成管路內壁受腐蝕，產生氧化鐵，卡滯EGR閥的正常運行。最終通過調節EGR廢氣冷卻器的冷卻溫度，并進行耐久試驗，解決了EGR閥卡滯問題。

［1］張翠平，王鐵.內燃機排放與控制：第一版［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［2］約翰迪爾動力系統.柴油發動機技術手冊［Z］.2009.

［3］龔敏.金屬腐蝕理論及腐蝕控制：第一版［M］.北京：化學工業出版社，2009.