關于EGR壓差傳感器管路結冰問題的研究

崔凱　王博　羅智波　丁相利　李強　叢日振

摘 要：隨著對油耗的關注，汽油發動機使用EGR系統越來越普遍。EGR系統的布置，對EGR系統的性能和可靠性有很大的影響。文章結合冬季試驗中，對某發動機EGR壓差傳感器管路的布置的研究，對壓差結冰失效的故障機理、改進措施進行詳細的總結，希望對EGR系統的布置及相似設計改進提供借鑒。

關鍵詞：發動機 EGR 傳感器 管路 結冰

1 引言

EGR技術在柴油機的應用主要用于氮氧化物（NO2）排放的控制[1]，用來提高發動機熱效率。隨著對油耗的關注，汽油發動機使用EGR系統越來越普遍。

EGR系統作為發動機的重要組件，其本身對可靠性要求非常高。EGR系統的布置形式，對可靠性的影響很大，在發動機系統設計過程中要充分考慮。

本文結合冬季試驗時EGR壓差傳感器管路結冰問題，希望對EGR系統的故障分析、設計布置提供借鑒。

2 EGR系統介紹

EGR是Exhaust Gas Recirculation的縮寫，指的是發動機的廢氣再循環系統。它通過將一部分廢氣導入進氣，使其再度進入燃燒室進行燃燒，從而降低發動機燃燒峰值，達到減少NOx排放的目的。

EGR系統的主要工作機理是，再循環的廢氣由于具有惰性，將會延緩燃燒過程，也就是說燃燒速度將會放慢，從而導致燃燒室中的壓力形成過程放慢，這就是氮氧化合物會減少的主要原因。

EGR系統通常包括EGR閥、EGR冷卻器、壓差傳感器等部件，常見EGR系統布置如圖1所示。EGR閥是整個系統的核心部件，它的任務是根據發動機的運行狀況，控制再循環的廢氣量，以減少排放污染。EGR控制單元則根據發動機的運行參數（如轉速、負載等）來控制EGR閥的工作，以實現廢氣的再循環。

在應用中，EGR系統在發動機的不同工況下會采用不同的控制策略。例如在起動工況、怠速狀態、暖機過程、大負荷或油門全開等情況下，EGR系統通常會選擇不進行EGR或者限制EGR的量，以保證發動機的正常工作和排放水平。通常EGR閥前后壓差需要傳感器進行采集，作為重要參數用于EGR系統的廢氣流量計算。

3 EGR壓差傳感器管路故障分析

3.1 故障模式

高寒驗證試驗時，某款試驗車進行4小時城市工況行駛（車速60～70km/h）后，夜間停車10小時，第二天早上繼續行駛時，報EGR 壓差傳感器通道信號異常?，F場檢查信號采集，發現壓差傳感器高壓端信號存在異常。壓力信號正常時如圖2，故障發生時如圖3。

3.2 失效原因確認

該試驗車EGR壓差傳感器管路結構及在發動機上的安裝位置如圖4、5所示。

對高壓端壓差傳感器高壓端管路相關零件拆解分析，發現EGR閥上的金屬管接頭內部結冰堵塞（圖6）。連接膠管及壓差傳感器未見異常（圖7）。

清除管接頭內結冰后，復裝驗證，壓力信號恢復正常，確認管路金屬接頭內部結冰堵塞為是本次失效的直接原因。

3.3 失效機理說明

EGR 閥在-5℃以下不工作，保持關閉狀態，閥后無排氣進入。但壓差傳感器高壓端取氣位置在閥前，溫度較高的排氣經過EGR冷卻器后，進入壓差傳感器高壓端管路。壓差傳感器進氣管接頭為金屬管，布置上在EGR閥上，在整車上的安裝位置處于發動機最外側，并位于車輛的迎風面。在寒區行駛時，金屬管接頭溫度下降比較快，當金屬管內的排氣溫度下降到低于露點，就會形成冷凝水。車速越高，金屬管接頭溫度越低，冷凝現象越明顯。同時管接頭形狀為彎管（如圖8），冷凝水容易積累在彎折處。夜間停車后，管內的殘留的冷凝水在低溫下凍結，堵塞管路，第二天行駛時故障報出。

需要注意的是寒區高速工況也可能觸發結冰堵塞故障。根據試驗數據采集，車速100～110km/h時，管接頭的溫度會更低，冷凝水的量會更多，同時部分冷凝水會凍結成冰晶，冰水混合物可能會堵塞管路。通過數據采集（圖9）確認，高速工況下，壓力信號有時會出現異常。攝像頭監測，可發現EGR閥內大量的冷凝水和冰晶，說明此工況下也存在堵塞風險。

4 改進措施與效果驗證

4.1 改進措施

根據失效原因分析，從管接頭的形狀設計、布置位置進行改善。

形狀設計上：管接頭由彎接頭改為直接頭，避免冷凝水在彎管處堆積。

布置上：接頭位置變更到缸蓋上，避免進氣管接頭溫度過低，避免冷凝水大量產生。該機型改進后將接頭位置由EGR閥處取氣改為缸蓋處取氣，如圖11所示。

4.2 效果驗證

改進后進行寒區城市工況、高速工況測試，車輛正常工作，均未發生故障，拆機檢查未見異常（如圖12），改進措施有效。

5 總結

本文重點剖析了寒區條件下，壓差傳感器管接頭結冰堵塞的故障案例。 通過對失效分析，說明對于EGR系統高溫氣體流過的管路的布置，應盡量避免產生冷凝水；同時對于可能產生冷凝水的管路，設計上應盡量避免冷凝水局部累積，防止冷凝水凍結堵塞，影響功能。同時應盡量避免將金屬管接頭布置在迎風面或發動機最外側，防止金屬管接頭局部溫度過低，導致產生的冷凝水。

管路的結冰觸發工況：

一、寒區城市工況（車速60～70km/h）行駛后，靜置4小時后，觀察是否凍結堵塞。二、寒區高速行駛過程中的（車速100～110km/h）過程中，觀察是否有故障。希望本文為解決相似問題提供幫助。

參考文獻：

[1]張韋，舒歌群，曹睿，等.高比率冷EGR與進氣富氧對柴油機燃燒及排放特性的影響[J].內燃機工程 2011.32（4）：12-16.