关于EGR压差传感器管路结冰问题的研究

崔凯　王博　罗智波　丁相利　李强　丛日振

摘 要：随着对油耗的关注，汽油发动机使用EGR系统越来越普遍。EGR系统的布置，对EGR系统的性能和可靠性有很大的影响。文章结合冬季试验中，对某发动机EGR压差传感器管路的布置的研究，对压差结冰失效的故障机理、改进措施进行详细的总结，希望对EGR系统的布置及相似设计改进提供借鉴。

关键词：发动机 EGR 传感器 管路 结冰

1 引言

EGR技术在柴油机的应用主要用于氮氧化物（NO2）排放的控制[1]，用来提高发动机热效率。随着对油耗的关注，汽油发动机使用EGR系统越来越普遍。

EGR系统作为发动机的重要组件，其本身对可靠性要求非常高。EGR系统的布置形式，对可靠性的影响很大，在发动机系统设计过程中要充分考虑。

本文结合冬季试验时EGR压差传感器管路结冰问题，希望对EGR系统的故障分析、设计布置提供借鉴。

2 EGR系统介绍

EGR是Exhaust Gas Recirculation的缩写，指的是发动机的废气再循环系统。它通过将一部分废气导入进气，使其再度进入燃烧室进行燃烧，从而降低发动机燃烧峰值，达到减少NOx排放的目的。

EGR系统的主要工作机理是，再循环的废气由于具有惰性，将会延缓燃烧过程，也就是说燃烧速度将会放慢，从而导致燃烧室中的压力形成过程放慢，这就是氮氧化合物会减少的主要原因。

EGR系统通常包括EGR阀、EGR冷却器、压差传感器等部件，常见EGR系统布置如图1所示。EGR阀是整个系统的核心部件，它的任务是根据发动机的运行状况，控制再循环的废气量，以减少排放污染。EGR控制单元则根据发动机的运行参数（如转速、负载等）来控制EGR阀的工作，以实现废气的再循环。

在应用中，EGR系统在发动机的不同工况下会采用不同的控制策略。例如在起动工况、怠速状态、暖机过程、大负荷或油门全开等情况下，EGR系统通常会选择不进行EGR或者限制EGR的量，以保证发动机的正常工作和排放水平。通常EGR阀前后压差需要传感器进行采集，作为重要参数用于EGR系统的废气流量计算。

3 EGR压差传感器管路故障分析

3.1 故障模式

高寒验证试验时，某款试验车进行4小时城市工况行驶（车速60～70km/h）后，夜间停车10小时，第二天早上继续行驶时，报EGR 压差传感器通道信号异常。现场检查信号采集，发现压差传感器高压端信号存在异常。压力信号正常时如图2，故障发生时如图3。

3.2 失效原因确认

该试验车EGR压差传感器管路结构及在发动机上的安装位置如图4、5所示。

对高压端压差传感器高压端管路相关零件拆解分析，发现EGR阀上的金属管接头内部结冰堵塞（图6）。连接胶管及压差传感器未见异常（图7）。

清除管接头内结冰后，复装验证，压力信号恢复正常，确认管路金属接头内部结冰堵塞为是本次失效的直接原因。

3.3 失效机理说明

EGR 阀在-5℃以下不工作，保持关闭状态，阀后无排气进入。但压差传感器高压端取气位置在阀前，温度较高的排气经过EGR冷却器后，进入压差传感器高压端管路。压差传感器进气管接头为金属管，布置上在EGR阀上，在整车上的安装位置处于发动机最外侧，并位于车辆的迎风面。在寒区行驶时，金属管接头温度下降比较快，当金属管内的排气温度下降到低于露点，就会形成冷凝水。车速越高，金属管接头温度越低，冷凝现象越明显。同时管接头形状为弯管（如图8），冷凝水容易积累在弯折处。夜间停车后，管内的残留的冷凝水在低温下冻结，堵塞管路，第二天行驶时故障报出。

需要注意的是寒区高速工况也可能触发结冰堵塞故障。根据试验数据采集，车速100～110km/h时，管接头的温度会更低，冷凝水的量会更多，同时部分冷凝水会冻结成冰晶，冰水混合物可能会堵塞管路。通过数据采集（图9）确认，高速工况下，压力信号有时会出现异常。摄像头监测，可发现EGR阀内大量的冷凝水和冰晶，说明此工况下也存在堵塞风险。

4 改进措施与效果验证

4.1 改进措施

根据失效原因分析，从管接头的形状设计、布置位置进行改善。

形状设计上：管接头由弯接头改为直接头，避免冷凝水在弯管处堆积。

布置上：接头位置变更到缸盖上，避免进气管接头温度过低，避免冷凝水大量产生。该机型改进后将接头位置由EGR阀处取气改为缸盖处取气，如图11所示。

4.2 效果验证

改进后进行寒区城市工况、高速工况测试，车辆正常工作，均未发生故障，拆机检查未见异常（如图12），改进措施有效。

5 总结

本文重点剖析了寒区条件下，压差传感器管接头结冰堵塞的故障案例。 通过对失效分析，说明对于EGR系统高温气体流过的管路的布置，应尽量避免产生冷凝水；同时对于可能产生冷凝水的管路，设计上应尽量避免冷凝水局部累积，防止冷凝水冻结堵塞，影响功能。同时应尽量避免将金属管接头布置在迎风面或发动机最外侧，防止金屬管接头局部温度过低，导致产生的冷凝水。

管路的结冰触发工况：

一、寒区城市工况（车速60～70km/h）行驶后，静置4小时后，观察是否冻结堵塞。二、寒区高速行驶过程中的（车速100～110km/h）过程中，观察是否有故障。希望本文为解决相似问题提供帮助。

参考文献：

[1]张韦，舒歌群，曹睿，等.高比率冷EGR与进气富氧对柴油机燃烧及排放特性的影响[J].内燃机工程 2011.32（4）：12-16.