某柴油机EGR阀的结构优化

摘 要：通过对失效EGR阀头结构分析、断面电镜分析，确定失效EGR阀是因温度梯度在阀头尖角处形成内应力，最终导致开裂。针对此失效模式，对EGR阀头结构进行优化，优化后的EGR阀顺利通过试验考核，成功解决了EGR阀开裂的问题。

关键词：柴油机；EGR阀；开裂

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

1 前言

EGR（Exhaust gas recirculation）废气再循环技术通常可分为内部EGR和外部EGR。内部EGR是相对于外部EGR而言的，指通过减小气门重叠角或提高排气背压等方法来增加缸内的残余废气量来实现废气再循环。外部EGR是利用专门的EGR管道将一部分废气引入进气管，使废气与新鲜空气充分混合后再进入气缸以抑制燃烧速率与温度，从而有效抑制NOx的产生。就EGR阀形式而言又可分为机械式、电气式和电控式。其中电控式EGR阀因具有能快速、精確地控制EGR率的特性而最具代表性。如果EGR阀结构设计不合理，可能导致废气泄露EGR率控制不准，阀体开裂、积碳充斥配合间隙导致EGR阀拆卸困难等。

2 故障现象

某柴油机在发动机试验台架进行200h EGR系统可靠性试验，试验运行至170h时，发动机出现冲缸垫故障。遂对试验样机进行拆解分析，在拆解EGR系统时发现EGR阀拆卸困难无法取下，最后暴力拆卸将EGR阀取出，取出时EGR阀出现断裂，见图1。

观察图2中EGR阀断口发现除了强行拆卸造成的银灰色断裂带（虚线区域），有一段裂口有碳烟熏黑痕迹（实线区域），分析认为此处在试验过程中出现裂缝（未完全裂开），尾气中碳烟熏黑裂口，裂口加速开裂导致阀头变形，阀与阀座卡死，导致EGR阀拆卸困难。

3 原因分析

3.1 断面电镜分析

然后采用体视显微镜和扫描电子显微镜对断口表面形貌进行分析，不同放大倍数下断口形貌如下图3～图10。

根据电镜扫描分析，断面主要形貌为小刻面和韧窝特征，可知断面组织较为均匀，偶有几十微米级别的小孔（可能为气泡或者晶体析出导致），可排除金属组织铸造缺陷造成的开裂。

3.2 EGR阀头结构分析

对同批次样件开裂处结构进行检查，发现开裂处为尖角（图11），图纸要求的R2铸造圆角未铸出；同时发现开裂方向与尖角呈45°，确认为典型的应力集中开裂；且开裂处正处于分模线上（开口滑块与主体模具结合面），根据经验分模线位置易出现铸造瑕疵，比如尖楞、疤痕（图12）等。

考虑到EGR阀与阀座配合为间隙配合，EGR阀轴向及径向不受力，推测开裂原因为：EGR阀外侧受阀座冷却，内侧受高温废气加热，从而形成温度梯度，尖角处因温度梯度形成内应力，最终导致开裂。

4 结构优化及验证

4.1 结构优化

为保证EGR阀正常拆卸，对EGR阀结构做如下优化：①加大铸造过渡圆角，从R2增加至R5。经CAE模拟计算，控制边界条件气流流速86.4kg/h，气流温度550℃， EGR阀座冷却水套水流量1500L/h，冷却水温95℃。计算结果（如图13）：结构优化前过渡圆角处应力365MPa超过了材料330MPa的抗拉特性；结构优化后过渡圆角处应力211MPa明显小于材料的抗拉强度，优化措施对减小尖角处应力集中效果明显；②优化滑块与主体模具结合面，使分模线更加圆滑，尽量避免铸造过程中产生铸造瑕疵。

4.2 试验验证

针对结构优化后EGR阀特策划200h高温耐久试验。试验运行工况为某柴油机转速2750rpm@180N.m，出水温度控制在80℃±2℃，控制EGR阀前温度基本维持在540℃左右。试验后结果见图14，EGR阀顺利取下。通过拆卸情况来看，EGR阀状态正常，积碳经擦拭后可见过渡圆角处光亮，无开裂、无铸造疤痕。

5 结论

a）通过对失效EGR阀头结构分析、断面电镜分析，确定失效EGR阀是因温度梯度在阀头尖角处形成内应力，最终导致开裂；

b）通过对EGR阀头结构进行优化，优化后的EGR阀顺利通过试验考核，成功解决了EGR阀开裂的问题。

参考文献：

[1]汤子兴，邵玉平.电控发动机技术问答[M].机械工业出版社，2003（01）第一版.

[2]王丽梅.汽车发动机构造与维修等[M].中国人民大学出版社，2009（06）第一版.

作者简介：仝飞（1989-），学士，工程师，主要从事发动机试验开发工作。

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