某柴油機EGR閥的結構優化

摘 要：通過對失效EGR閥頭結構分析、斷面電鏡分析，確定失效EGR閥是因溫度梯度在閥頭尖角處形成內應力，最終導致開裂。針對此失效模式，對EGR閥頭結構進行優化，優化后的EGR閥順利通過試驗考核，成功解決了EGR閥開裂的問題。

關鍵詞：柴油機；EGR閥；開裂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.034

1 前言

EGR（Exhaust gas recirculation）廢氣再循環技術通常可分為內部EGR和外部EGR。內部EGR是相對于外部EGR而言的，指通過減小氣門重疊角或提高排氣背壓等方法來增加缸內的殘余廢氣量來實現廢氣再循環。外部EGR是利用專門的EGR管道將一部分廢氣引入進氣管，使廢氣與新鮮空氣充分混合后再進入氣缸以抑制燃燒速率與溫度，從而有效抑制NOx的產生。就EGR閥形式而言又可分為機械式、電氣式和電控式。其中電控式EGR閥因具有能快速、精確地控制EGR率的特性而最具代表性。如果EGR閥結構設計不合理，可能導致廢氣泄露EGR率控制不準，閥體開裂、積碳充斥配合間隙導致EGR閥拆卸困難等。

2 故障現象

某柴油機在發動機試驗臺架進行200h EGR系統可靠性試驗，試驗運行至170h時，發動機出現沖缸墊故障。遂對試驗樣機進行拆解分析，在拆解EGR系統時發現EGR閥拆卸困難無法取下，最后暴力拆卸將EGR閥取出，取出時EGR閥出現斷裂，見圖1。

觀察圖2中EGR閥斷口發現除了強行拆卸造成的銀灰色斷裂帶（虛線區域），有一段裂口有碳煙熏黑痕跡（實線區域），分析認為此處在試驗過程中出現裂縫（未完全裂開），尾氣中碳煙熏黑裂口，裂口加速開裂導致閥頭變形，閥與閥座卡死，導致EGR閥拆卸困難。

3 原因分析

3.1 斷面電鏡分析

然后采用體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡對斷口表面形貌進行分析，不同放大倍數下斷口形貌如下圖3～圖10。

根據電鏡掃描分析，斷面主要形貌為小刻面和韌窩特征，可知斷面組織較為均勻，偶有幾十微米級別的小孔（可能為氣泡或者晶體析出導致），可排除金屬組織鑄造缺陷造成的開裂。

3.2 EGR閥頭結構分析

對同批次樣件開裂處結構進行檢查，發現開裂處為尖角（圖11），圖紙要求的R2鑄造圓角未鑄出；同時發現開裂方向與尖角呈45°，確認為典型的應力集中開裂；且開裂處正處于分模線上（開口滑塊與主體模具結合面），根據經驗分模線位置易出現鑄造瑕疵，比如尖楞、疤痕（圖12）等。

考慮到EGR閥與閥座配合為間隙配合，EGR閥軸向及徑向不受力，推測開裂原因為：EGR閥外側受閥座冷卻，內側受高溫廢氣加熱，從而形成溫度梯度，尖角處因溫度梯度形成內應力，最終導致開裂。

4 結構優化及驗證

4.1 結構優化

為保證EGR閥正常拆卸，對EGR閥結構做如下優化：①加大鑄造過渡圓角，從R2增加至R5。經CAE模擬計算，控制邊界條件氣流流速86.4kg/h，氣流溫度550℃， EGR閥座冷卻水套水流量1500L/h，冷卻水溫95℃。計算結果（如圖13）：結構優化前過渡圓角處應力365MPa超過了材料330MPa的抗拉特性；結構優化后過渡圓角處應力211MPa明顯小于材料的抗拉強度，優化措施對減小尖角處應力集中效果明顯；②優化滑塊與主體模具結合面，使分模線更加圓滑，盡量避免鑄造過程中產生鑄造瑕疵。

4.2 試驗驗證

針對結構優化后EGR閥特策劃200h高溫耐久試驗。試驗運行工況為某柴油機轉速2750rpm@180N.m，出水溫度控制在80℃±2℃，控制EGR閥前溫度基本維持在540℃左右。試驗后結果見圖14，EGR閥順利取下。通過拆卸情況來看，EGR閥狀態正常，積碳經擦拭后可見過渡圓角處光亮，無開裂、無鑄造疤痕。

5 結論

a）通過對失效EGR閥頭結構分析、斷面電鏡分析，確定失效EGR閥是因溫度梯度在閥頭尖角處形成內應力，最終導致開裂；

b）通過對EGR閥頭結構進行優化，優化后的EGR閥順利通過試驗考核，成功解決了EGR閥開裂的問題。

參考文獻：

[1]湯子興，邵玉平.電控發動機技術問答[M].機械工業出版社，2003（01）第一版.

[2]王麗梅.汽車發動機構造與維修等[M].中國人民大學出版社，2009（06）第一版.

作者簡介：仝飛（1989-），學士，工程師，主要從事發動機試驗開發工作。endprint