某型柴油机EGR阀异响故障分析及优化

史文献 黄国彧 吴士军 张军

摘要：本文针对某四缸直列轻型柴油机配套整车时，在长下坡路段，当柴油机点火开关关闭、排气制动开启时出现的柴油机异响问题进行系统分析，采用时频分析方法，结合柴油机性能变化情况，分析两者之间的关联性，确定异响根源来自于EGR阀本体，最后提供了两套EGR阀改进方案并进行了验证，试验表明最终改进方案效果非常明显，达到了消除异响目的。

Abstract： In this article， abnormal noise is analyzed on a four-cylinder inline light diesel engine matched one vehicle when engine ignition is off and exhaust brake is on above long and steep downgrade sections. Analysis method， time frequency analysis， is used to analyze the relationship between engine performance parameter and abnormal noise， and the reason is ascertained that abnormal noise is from EGR valve. Finally， two improvement schemes were provided and verified. The test result showed the reduction effect of improvement scheme is very perfect， and the purpose of eliminating noise is achieved.

关键词：柴油机;异响;时频分析;EGR阀

Key words： diesel engine;abnormal noise;time frequency analysis;EGR valve

中图分类号：TK429                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0106-03

0  引言

噪声是影响人们身体健康，令人烦躁不安甚至引起疾病的那些不需要的有害声音，由发声体做无规则的振动引起。正常的柴油机噪声是轻微柔和的，伴有规律性机械振动和噪声辐射。当柴油机转速或者负荷发生变化时，噪声也应该表现为连续性、平顺性的，如果出现明显的令人讨厌的碰撞声、摩擦声、气流噪声，即可视为异响[1，2]，在异响过程中，噪声幅值也会表现明显波动。

本文针对某轻型柴油机配套整车下长坡时，当柴油机熄火、排气制动开启时，驾驶员明显感受到柴油机发出异响并伴有剧烈振动，然而排气制动关闭后异响突然消失，针对该现象进行详细分析。采用时域、频域相结合的分析方法[3，4]，分析柴油机性能参数与异响之间的关联性，找到了异响产生的根本原因为EGR阀本体结构设计不合理，无法承受巨大的制动压力。最后制定了两套EGR阀改进方案，并对改进结构进行了验证，试验效果非常良好，噪声测试数据非常平顺，主观也感受不到任何异响，获得客户认可。

1  故障描述

接市场上客户反馈，公司某款四缸直列轻型柴油机配套整车时，在长下坡路段，当柴油机不点火、排气制动开关开启时，制动蝶阀阀门处于关闭状态，此时整车排气管路废气压力开始骤升，司机主观感受到柴油机舱存在明显的异响声音，并且噪声能量远高于柴油机正常燃烧状态。当关闭排气制动蝶阀开关时，整机异响突然消失。为了彻底排查异响根源，在公司柴油机台架试验台模拟整车实际状态，进行故障复现。

2  故障分析

2.1 柴油机EGR原理

EGR是Exhaust Gas Recirculation的缩写简称，全称为废气再循环系统。它的基本原理是通过一套系统将一部分柴油机废气引入进气管与新鲜空气重新混合后进入气缸内燃烧。EGR系统通常有内部EGR和外部EGR两种循环方式。

内部EGR工作原理是通过扩大气门重叠角来实现，即增大进气门提前角开启和推迟排气门关闭或者提高排气背压等方法来增加缸内残余气体，参与下一个循环的燃烧，从而实现EGR阀功能，由于降低了新鲜进气充量，并且妨碍了进气惯性效应利用，需要牺牲一部分功率和燃油消耗，另外就是其控制和调节没有外部EGR阀灵活，所以应用范围较少。外部EGR工作原理是將排气管中部分废气通过外部管路引入进气管再一次参与燃烧，从而实现EGR功能。作用过程为：柴油机气缸废气经过排气管，通过EGR控制阀控制进入EGR系统，高温废气经过EGR冷却后，到达进气管与新鲜空气混合进入气缸，本文研究对象为外部EGR系统。

2.2 柴油机EGR系统结构

柴油机EGR系统通常由以下几个部分构成：EGR阀、EGR冷却器、EGR管、单向阀、ECU控制器等。其中，ECU是整个系统的控制中心，它根据各传感器传递过来的信号，计算废气回流量，实时控制EGR电磁阀开度来控制废气量。

外部EGR系统驱动方式一般分为真空驱动、电子控制式驱动以及双回路EGR驱动。原EGR系统为真空驱动，利用柴油机所带真空泵作为真空源，电子真空调节阀通过调节膜片室真空度来控制阀门动作。作用力大，可承受较高温度，同时成本较低，缺点是反应速度慢，一般开启时间大于600ms时，只能满足欧三以下排放要求。

EGR阀阀芯内部存在着四种作用力：弹簧张紧力、真空膜片压力、排气压力以及进气压力，四种作用力合力共同决定着EGR阀阀芯开度。

2.3 异响原因分析

为了从根本上排查异响根源，在柴油机普通台架上模拟整车实际工作情况，希望能复现故障情形。整车排气制动系统采用电动排气蝶阀机构控制排气管路压力，根据客户配套要求，最大排气制动压力需达到3.5bar左右。

台架采用倒拖控制模式，开启排气蝶阀制动功能，当柴油机转速设定为3000r/min时，控制制动压力在3.5bar左右，通过主观观察缩小排查范围，发现异响出现在EGR阀附近，并且可以感受到EGR阀体伴有明显的振动恶化现象。进一步分析EGR阀本体噪声和振动频谱特征，分别在EGR阀本体布置加速度传感器，EGR阀上方布置近场麦克风。振动传感器为美国PCB公司三向加速度传感器，传感器量程为500g，灵敏度分别为X向10.05mV/g，Y向10.1mV/g，Z向10.03mV/g。声学传感器为丹麦GRAS公司麦克风，传感器灵敏度为51.93mV/Pa。测试现场振动、噪声传感器布置示意图如图1所示。

具体测试方法如下：柴油机热机后（冷却液温度不低于80℃、机油温度不低于85℃），慢慢控制柴油机转速匀速上升至标定转速3000r/min，同时油门开度控制100%，运行一段时间（5min左右）待柴油机各项主要性能参数满足主要技术规格要求后，匀速下降至最低稳定转速1000 r/min，通过台架INCA变量关闭喷油器实时喷油量，同时排气制动蝶阀开关变量改为开启模式，台架采用自动控制方式，控制测功机在180s时间内倒拖柴油机转速由1000r/min均匀上升至最高空车转速3190r/min，采集整个变化工况下各测点振动、噪声信号数据。

图2为柴油机升速过程中，原EGR阀近场噪声幅值变化情况，可以看到柴油机在转速2550～2900r/min区间出现明显噪声突变情况，在图3近场噪声频谱图中也出现很宽的异响频带，频率覆盖范围在500～10000Hz之间，根据频谱特征判断与脉冲信号有关，进一步分析EGR阀本体振动信号，发现也存在类似振动幅值变化情况，在异响发生阶段，EGR阀本体振动非常剧烈，最大振动速度可到3700mm/s，如图4所示，由此判定本次柴油机异响跟EGR阀自身特性有一定关系，下一步重点分析EGR阀工作情况。

2.4 原EGR工作状态分析

为了深入分析柴油机异响与EGR阀实际工作状态之间的关联性，重点监测柴油机运行过程中与EGR阀有关的各项性能参数变化情况，具体包括：增压器涡前压力、EGR阀进气端压力、以及压差（增压器涡前压力减去EGR阀进气端压力）等参数，找出它们之间是否存在一定的规律性，图5为原EGR阀各气流压力监测结果。

数据表明，采用原EGR阀（开启压力为1.6bar），柴油机转速在2400～3000r/min区间存在明显的进排气压差突变现象，EGR阀附近噪声也开始出现明显的骤升骤降现象，平顺性非常不好。进一步对比发现，异响出现时EGR阀进、排气压差在1.6bar左右，刚好达到EGR阀开启条件，一旦进、排气压差低于1.6bar左右时，噪声幅值也同步降低。综上所述，可以断定本次柴油机异响由EGR阀本身结构引起，由于排气制动压力过大冲开EGR阀，从而引起EGR阀本体振动产生辐射噪声，因此需设计合适的EGR阀结构控制气流走向。

3  改进措施及验证

针对原EGR阀开启压力过小，阀芯被气流顶开时引起EGR阀体振动产生辐射噪声现象，研发人员设计了两套EGR阀改进方案[5]，分别为采用5.8bar的开启压力大弹簧刚度EGR阀以及反置式EGR阀，同时进行了相应试验验证。

3.1 大弹簧刚度EGR阀

为避免由于EGR阀开启压力偏小阀芯被排气气流顶开现象，提升了EGR阀弹簧刚度，阀芯开启压力由1.6bar提升到5.8bar。采用同样的测试方法对该状态进行近场噪声测试，实时监测涡前压力、EGR进气压力以及进排气压差过程数据，在原EGR阀异响转速区域，柴油机近场噪声没有发现原来骤升现象，如图6所示。

对比原EGR阀、大弹簧刚度EGR阀两种状态近场噪声测试数据，可以看出采用大弹簧刚度EGR阀结构，尽管原异响区域异响消失且噪声数值降低，但其他工况噪声数值都相对偏大，且噪声平顺性也比较差，跟EGR阀本身参数匹配有一定关系，该方案虽然消除噪声骤升现象，但并没有降低噪声幅值和改善平顺性，不建议采用。

3.2 反置式EGR阀

反置式EGR阀工作原理：与原EGR阀工作原理相反，由于调整了EGR阀结构改变了开启方向，只有在压差（增压器涡前压力减去EGR阀进气端压力）为负压情况下，EGR阀阀芯才开始运动，从而可以从根本上完全消除阀芯由于排气制动开启时背压过大被顶开的情况。同样，对反置式EGR阀方案进行进排气压力以及近场噪声测试，测试结果如图7所示，近场噪声colormap频谱图如图8所示，可以看出，EGR近场噪声均未出现突升或突降现象，平顺性也非常好，频谱图也没有发现异响频带，改善效果非常明显，同时主观感受也听不到异响。

对三种EGR阀结构进行噪声对比，如图9所示，可以看出在整个转速区域内，反置式EGR阀改进效果远远优于大弹簧刚度EGR阀和原EGR阀，整个转速工况噪声曲线平顺性良好、噪声幅值较小，改善效果非常明显，完全可以满足设计和客户要求，因此作为最终改进方案。

4  结论

柴油机异响表现形式多种多样，只有通过详细、系统地分析基本工作原理才能找到背后真正的原因[6，7]。针对本次异响特征，采用时频分析方法，结合柴油机性能特性，判定本次异响根源是由于柴油机EGR阀弹簧刚度过小，当排气制动气流压力过大时，EGR閥阀芯被气流顶开从而引起EGR阀体剧烈振动，产生表面辐射噪声。最后通过改进EGR阀本体结构来彻底避免EGR阀芯被排气背压顶开现象，达到了降低噪声幅值和改善噪声平顺性，消除柴油机异响目的。

参考文献：

[1]吴炎庭，袁卫平.内燃机噪声振动与控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础[M].南京：南京大学出版社，2001.

[3]段敏，石晶，等.柴油机噪声源识别的试验方法[J].辽宁工学院学报，2003（002）：36-38.

[4]谢裕智.柴油机噪声源识别的分析与研究[D.江苏大学硕士学位论文，2007.

[5]仝飞.某柴油机EGR阀的结构优化[J].合肥：山东工业技术，2018（5）：41-43.

[6]王泰晟，翁俊华，刘星.某小型发动机异响消除研究[J].装备制造技术，2012（09）：168-169.

[7]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动[M].北京：北京理工大学出版社，2006.