柴油機EGR冷卻器泄漏問題分析與解決

武獻兵

摘 要：某四缸柴油機在試驗過程中出現中小符合發動機冒白煙和發動機過熱報警現象，試驗機拆解后發現冷卻液缺少，EGR冷卻器存在大量積碳。通過排查分析，發現發動機EGR冷卻器冷卻效率及發動機配氣相位不合理導致發動機未充分燃燒的燃油在EGR冷卻器處積碳，積碳中含有的氯離子及硫化物造成冷卻器腐蝕泄露。提出更改發動機配氣相位，改善發動機燃燒系統及EGR冷卻器冷卻效率，經試驗表明，推遲配氣相位可明顯改善試驗機中低負荷燃燒及排放，降低EGR卻器冷卻效率可避開未燃燒燃油生成膠狀積碳，解決EGR冷卻器腐蝕泄露。

關鍵詞：柴油機；積碳；配氣相位；冷卻效率

中圖分類號： TK42 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）10-159-2

0 引言

柴油發動機引入EGR（Exhaust Gas Recycling）技術，降低發動機排出氣體中的氮氧化物（NOx）。由于廢氣的引入，加重柴油機積碳。因發動機積碳，EGR系統、配氣系統所有零部件將出現密封不嚴、發動機啟動困難、功率下降、零部件腐蝕、性能下降，甚至功能失效。

1 問題描述

某增壓四缸柴油機在試驗過程中出現中小符合發動機冒白煙和發動機過熱報警現象，同型號其他發動機同樣出現類似問題，故障機拆解發現，發動機EGR系統存在大量積碳，且冷卻器冷卻管出現泄漏，連接管存在點蝕形態。如圖1、圖2所示。

EGR系統各零部件表面積碳能譜分析（如圖3），殘留物以S、P、K、Al的氧化物為主，含有少量的Cl。分析產生的原因：一方面殘留物主要成分為未燃燃油，初步判定發動機中低負荷工況燃燒不良，發動機未燃燒的燃油形成積碳堆積；另一方面燃油中的S元素燃燒后產生SO2和SO3及油氣中或水質引入的Cl-均具有極強的侵蝕能力。

2 問題分析排查

2.1 EGR冷卻器管路腐蝕分析

在理想燃燒條件下，柴油機燃燒產物中成分是CO2、H20、N2和O2，這些成分是無害的。但是實際燃燒過程受到柴油品質與霧化質量、燃燒室內換氣條件等因素，柴油機燃燒產物中除上述成分外，還會含有CO、HC、NOx及碳煙等有害成分。腐蝕樣品腐蝕區域做點蝕能譜分析：含有S、P、Na、K、Ca等異常元素。

2.2 配氣機構

氣門間隙和配氣相位是決定氣缸能否“排盡吸足”的關鍵因素，對柴油機動力性、經濟型和排放特性影響較大。研究表明配氣相位中以近期關閉角迪歐充氣效率的影響最大，進氣關閉角增大，發動機充氣系數增大；而排氣關閉角增大，排氣損失減小，缸內殘余飛起系數減?。慌艢忾_啟角減小，增加了缸內的燃燒時間使缸內燃燒更加充分。

如果發動機配氣相位不合理，可導致發動機中低速進氣效果差，缸內殘余廢氣多，排氣倒流等問題；低速燃燒不充分，會造成未燃燒的燃油在排氣及EGR系統形成積碳。對比國外先進發動機配氣相位的設計，原機存在進氣門開啟角靠前，排氣門關閉角靠后的問題（如圖4所示）。

2.3 EGR冷卻器冷卻效率

在石油中膠質、瀝青質是很大一類物質。膠質是一種很粘稠的流體或半固體狀態的膠狀物，膠質具有很強的著色能力。膠質受熱氧化時，可以轉化為瀝青質，進而生成不溶于油的油膠質。通過對EGR系統管路溫度測試表明，管路溫度控制較低（65℃-90℃），容易產生膠粘度較大的膠狀積碳。

3 試驗驗證

為了改進發動機配氣相位及EGR系統冷卻效果，結合CAE計算分析，選取改進優化后方案，做改善充氣效率、缸內殘余廢氣量以及排氣倒流方面分析，選取最優方案二驗證。

3.1 配氣相位對燃燒、性能、排放的影響

與原發動機配氣相位相比，方案一和方案二的近氣開啟角減小至11°，但對于增壓柴油機（發動機燃燒始終處于富氧燃燒）影響不大；進氣關閉角增大到61°，根據前文分析影響充氣效率的主要因素是進氣關閉角，進氣關閉角增大可提高發動機充氣系數，較原機相比，方案一和方案二的排氣關閉角有所增大。研究表明，排氣關閉角增大，會減少排氣損失，使缸內殘余廢氣量減少；此外，減小排氣開啟角，燃氣在缸內停留時間增加，可燃混合氣體燃燒時間延長，燃燒更加充分。

3.2 EGR冷卻器對廢氣溫度的影響

發動機高溫廢氣不加以冷卻，直接回流將加熱進氣，導致缸內燃燒溫度和壓力的大幅度升高，抵消了EGR降低NOX的作用；但廢氣過量冷卻，將導致廢氣出現積碳等問題。經研究試驗表明，同型號冷卻器采用24根管、12節距波紋冷卻管，可控制EGR廢氣在120°-180°度之內（如圖5所示） ，達到控制排放的平衡點。

3.3 試驗驗證

按照優化方案二試制加工凸輪軸搭配優化后EGR系統，經外特性試驗驗證，發動機與原機功率、扭矩相當，中低速煙度稍有下降。

經200H冷熱沖擊試驗后拆解確認（如圖6所示），發動機EGR系統積碳有明顯改善，不存在點蝕問題。說明優化配氣相位及改善EGR冷卻效率對改善發動機燃燒及積碳問題有明顯的作用，驗證了優化措施的有效性。

4 結論

通過優化發動機配氣相位、改善EGR系統冷卻效率，改善了發動機燃燒不良及EGR冷卻器點蝕問題，研究表明，發動機配氣相位優化（改善燃燒不良）及EGR系統冷卻效率改善（理想狀態把廢氣溫度控制在120℃-180℃之內）對發動機積碳及排氣、EGR系統零部件腐蝕問題，有著非常重要的意義。

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