文/展紅衛(wèi)

【機動車專欄】

EGRC品質提升的探究與實踐

文/展紅衛(wèi)

柴油發(fā)動機系統(tǒng)排氣再循環(huán)冷卻器（EGRC）在使用過程中，存在一個典型的失效問題：由于腐蝕而引起的泄漏。本文通過對失效原因分析和制造工藝的改善，如優(yōu)化EGRC真空釬焊的溫度，使排氣再循環(huán)冷卻器內管的耐腐蝕性能明顯提升。

柴油發(fā)動機排氣再循環(huán)冷卻器耐點蝕當量

關于車輛技術、油品質量和排放水平之間的關系，在世界范圍內已經有了非常廣泛的研究。這些研究表明，改善油品質量能夠減少燃料燃燒產生的直接污染物排放，更重要的是能夠更加有效地使用排放后處理裝置。這些技術包括柴油顆粒物捕集器（DPFs）、選擇催化還原（SCR）技術中使用的一些催化劑、稀燃氮氧化物吸附裝置以及排氣再循環(huán)冷卻器（EGRC），如圖1。

圖1 增壓柴油機進氣和排氣循環(huán)系統(tǒng)

一、排氣再循環(huán)冷卻器腐蝕狀況

硫是除了鉛以外對車輛排放影響最大的因素，我國柴油的硫含量標準1999年為1×10-2。據國務院《大氣污染防治行動計劃》明確要求，2013年～2014年開始在全國分別供應第四階段的車用柴油，硫含量要求5×10-5。2015年底前，京津冀、長三角和珠三角等區(qū)域內重點城市全面供應符合國家第五階段標準的車柴油（硫含量為1×10-5），在2017年底前，全國供應符合國家第五階段標準的車用柴油。在過去的10多年里，除了一些主要城市，我國的油品標準一直落后于相應車輛排放標準的要求，油品標準的滯后（特別是柴油中硫含量過高）已經成為推進車輛排放標準的主要障礙。根據我國北方和其他地區(qū)進行的燃料抽樣結果，全國的柴油硫含量水平參差不齊，在一些地區(qū)，仍然在銷售硫含量大于2×10-3的柴油（見圖2）。要知道，如今歐洲的柴油硫含量已在1×10-5水平。

圖2 我國北方地區(qū)高速公路加油站柴油硫含量抽樣情況

燃油中的硫經氧化后形成SOx，冷卻后就會生成硫酸：

當有液態(tài)水存在時，SO2和水直接發(fā)生反應，進而形成硫酸。

在低于硫酸露點的溫度區(qū)間63℃～156℃，特別是溫度低于水的露點時，就會有冷凝的硫酸產生。EGRC主要應用在柴油發(fā)動機排氣再循環(huán)系統(tǒng)中，通過降低排氣溫度來減少有害物質（如NOx）和顆粒物（PM）的排放。當排氣經過EGRC內管，較高濃度的硫氧化物（>15×10-6）就會轉化形成液體硫酸，它極易對EGRC不銹鋼內管造成點蝕現象（見圖3）。

圖3 硫酸對EGRC不銹鋼內管造成點蝕現象

二、腐蝕問題初步分析

2012年開始，我們?yōu)橹痔岣逧GRC的耐腐蝕性，對市場上30 000件產品的應用情況進行調查。主要工作包括：通過威伯分析研究產品的可靠性，對失效件的地域分布進行了統(tǒng)計，并對失效件做解剖和金相分析，有以下發(fā)現：

威伯分析說明在產品質保期內的失效率可能達到0.31%（見圖4）。

圖4 EGRC可靠性威伯分析結果

在我國北方地區(qū)點蝕現象比較突出，分布同上述提到的油品中硫含量分布規(guī)律相吻合；經剖析發(fā)現泄漏的原因是內管有穿透性點蝕，位置靠近排氣出口端；對腐蝕點表面殘留物進行化學成分分析，發(fā)現其中的硫含量明顯偏高，沒有發(fā)現內管材料問題和制造缺陷。

三、改善對策

要想改善EGRC內管的耐腐蝕性，可以從以下幾個方面著手：

發(fā)動機設計者要考慮并避免EGRC進氣及內管內溫度過低；降低燃油硫含量；提高EGRC的耐腐蝕性。

國內的發(fā)動機廠商一直在致力于發(fā)動機排放系統(tǒng)的后處理裝置設計改善，如優(yōu)化冷卻效率匹配，避免EGRC內管中產生液體冷凝。

國家能源局年初下發(fā)的《2014年能源工作指導意見通知》中明確指出，年內將出臺成品油質量升級行動計劃：以今年為起點到2017年的3年，將作為全國車用柴油達標國五標準的時間節(jié)點。能源局規(guī)劃的“國五時代”分兩步走：2015年底前，確保京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域內重點城市供應國五標準的車用柴油，2017年底前全國供應國五標準的車用柴油。對于重點城市，油品升級只有1年的生死時速期，全國鋪開也只有3年時間?，F實情況是：部分機動車污染嚴重的城市已經開始使用硫含量50×10-6的低硫柴油，北京、上海和珠三角地區(qū)已經全面實施了國IV車輛排放標準，并強制推廣了低硫柴油。對其他地區(qū)柴油中硫含量的調查研究，并切實推廣低硫柴油的使用仍尚需時日。

作為EGRC制造企業(yè)，所能做的就是盡可能地通過材料和制造工藝的優(yōu)化來提高產品的耐腐蝕性。本文的焦點是如何通過改善EGRC的耐腐蝕性來延長其使用壽命。原材料本身可提高的空間不大，這是因為從材料耐腐蝕性和成本角度來看，316 L不銹鋼是目前最合適的EGRC內管材料。于是，我們著手生產工藝的改善，來提高內管的耐腐蝕性，其中釬焊溫度作為關鍵因素而被認為是這次試驗的變化因子。EGRC真空釬焊的溫度變化范圍可在1 070℃～1 200℃之間波動，我們想通過改變溫度來確定溫度對不銹鋼材料的金相結構影響，進而驗證這些變化對EGRC耐腐蝕性的影響。

試驗方案：取不同化學成分（見表1）的不銹鋼內管裝配成EGRC，分別在溫度為1 180℃、1 130℃和1 090℃下真空釬焊，對釬焊后的樣品做微觀金相分析，并與釬焊前內管作比較，然后對3組樣品做耐腐蝕實驗。

耐腐蝕試驗方法：目的是通過高溫耐腐蝕循環(huán)實驗來驗證EGRC對不同酸性溶液的耐腐蝕性，我們選取了5組酸性溶液，酸性溶液由硫酸、硝酸和鹽酸按不同濃度和比例混合而成。實驗裝置見圖5，具體實驗方法略去，該試驗屬于加速腐蝕試驗。

表1 不銹鋼材料化學成分

圖5 耐腐蝕試驗實驗裝置圖

四、試驗結果與討論

對3種試樣及釬焊前內管進行金相分析比較（見圖6），可以觀察到釬焊溫度對晶粒大小和均勻性的影響。釬焊前，在鐵素體中有大量的黑點，它們是夾雜物和金屬間化合物，但不能完全地熔化到基體中。當釬焊溫度為1 090℃、1 130℃和1 180℃時，就觀察不到金屬間化合物。同時發(fā)現1 090℃時，晶粒均勻致密。大于1 090℃時隨著溫度的升高，晶粒逐漸變粗而且不均勻。

圖6 3種試樣及釬焊前內管金相比較圖

3種試樣在5組酸液中所表現出來的耐腐蝕性（見圖7），可以發(fā)現一致的規(guī)律：隨著釬焊溫度的提高，其耐腐蝕性能呈下降趨勢。

圖7 5組酸液中所表現的耐腐蝕性

為了解釋這一現象，我們必須從不銹鋼的微觀特性著手，找出隨著熱處理溫度變化，其微觀結構所發(fā)生的變化規(guī)律。釬焊過程包含了對不銹鋼管的熱處理過程，如晶粒大小、數量、鐵素體與奧氏體含量比例等。它們是如何影響不銹鋼材料的耐腐蝕性的？

首先，分析不銹鋼材料耐點蝕當量的變化，因為點蝕受材料中鉻Cr、鉬Mo、鎢W和氮N含量的影響。耐點蝕當量（PRE）：

隨著釬焊溫度的變化，在鐵素體和奧氏體中的金屬元素含量也會發(fā)生變化，相應的PRE值也會變化。隨著溫度升高，鐵素體PRE值逐漸提升，而奧氏體的PRE值則下降（如圖8所示）。當溫度為1 090℃時，兩相的PRE值非常接近，這個點非常重要。如果兩相的PRE值有差異，就會由于化學作用而產生電流腐蝕。因此，熱處理溫度越高，不銹鋼材料的耐腐蝕性越低。

圖8 耐點蝕當量隨釬焊溫度變化曲線

在1 070℃～1 200℃熱處理溫度區(qū)間，隨著溫度升高，鐵素體含量逐漸增加。同時，溫度升高和加速，鐵素體和奧氏體中晶粒會增大，從而導致晶粒數量減少。晶粒增大、數量減少會導致材料的耐腐蝕性降低。

五、結語

通過對以上實驗結果分析可以得出以下結論：改進真空釬焊溫度曲線，可以在一定程度上改善EGRC內管的耐腐蝕性，因此我們把真空釬焊溫度設定為1 080℃。

[1]Kesong Zhang,Jingnan Hu,Shuzheng Gao,Yungang Liu,Xianjiang Huang,Xiaofeng Bao,Energy Policy[J].2010,38:2934-2940.

[2]Heejoon Hwang,Yongsoo Park.Materials Transactions[J].2009,50(6):1548-1552.

There is a typical field failure during use of exhaust gas recirculation cooler(EGRC) in diesel engine system:Leakage due to corrosion.Through the failure analysis and improvements of manufacturing process,such as the optimization of EGRC vacuum brazing temperature,the property of corrosion resistance of EGRC inner pipe has been improved significantly.

Diesel engine system;EGRC;PRE

（作者單位：摩丁熱能技術上海有限公司）