發(fā)動機增壓器渦殼開裂的原因分析及改進措施

張霖 齊弟 張法

摘 要：隨著車用渦輪增壓技術(shù)的普及，增壓器可靠性問題成為發(fā)動機行業(yè)焦點。目前車用增壓器最高工作溫度可達1 050 ℃左右，在高的熱負荷和振動環(huán)境下工作，渦殼開裂問題尤為凸顯。為了解決此問題，從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)工藝、工作環(huán)境等方面進行分析，找出渦殼開裂風險點，并制定優(yōu)化措施，從而降低渦殼開裂風險，提高增壓器可靠性。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機；渦輪增壓技術(shù)；可靠性；渦殼開裂

中圖分類號：TK421 文獻標志碼：A

0 前言

為了滿足國家日益嚴峻的法規(guī)要求，渦輪增壓技術(shù)在車用發(fā)動機上得到了廣泛的應用。在提升動力性、改善經(jīng)濟性、降低排放、降低排氣噪聲以及追求發(fā)動機小型化等方面的突出貢獻，使渦輪增壓技術(shù)成了當下車用發(fā)動機主流技術(shù)。隨之而來，增壓器的可靠性尤為重要，特別是隨著汽油機也普遍采用渦輪增壓技術(shù)，增壓器越做越小，工作溫度越來越高，渦殼開裂問題尤為突出，對增壓器性能及可靠性影響巨大，所以對于渦殼開裂問題的分析及解決尤為重要。

1 關(guān)于增壓器渦殼開裂的原因分析

1.1 從材料方面分析

首先分析發(fā)動機排溫是否超過渦殼材料最高允許溫度。目前一般車用汽油機排氣溫度最高可達1 050 ℃左右，柴油機相比汽油機排氣溫度要低，但最高可達830 ℃左右，這樣高的排氣溫度，要求渦殼材料必須具有良好的高溫抗氧化性、穩(wěn)定的顯微組織、熱膨脹系數(shù)小、高的高溫強度、良好的工藝性能等特性，所以渦殼材料選用十分講究。根據(jù)不同的需求及耐熱溫度，選用不同的渦殼材料，如果材料選擇不合理，很可能會出現(xiàn)渦殼開裂問題。材料耐溫越高，成本也越高，很多主機廠為了控制成本，使用較低耐溫材料來應用到較高工作溫度中，結(jié)果頻繁出現(xiàn)渦殼開裂問題。

1.2 從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面分析

渦殼長時間在高溫或冷熱交替環(huán)境下工作，熱膨脹率大，熱應力大，如果渦殼結(jié)構(gòu)、尺寸等設(shè)計不合理，很容易出現(xiàn)渦殼開裂等問題。例如，渦殼各面結(jié)合處，特別是流道舌頭部位，如果過渡圓角設(shè)計過小，就可能出現(xiàn)熱應力集中；渦殼壁厚設(shè)計過薄，強度低；渦殼上安裝凸臺設(shè)計位置不合理，容易產(chǎn)生鑄造缺陷，影響渦殼強度；結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，模態(tài)低等，這些設(shè)計層面稍不注意就可能造成渦殼開裂等問題。

1.3 從生產(chǎn)工藝方面分析

目前渦殼基本是采取鑄造方式成型，所以鑄造工藝對渦殼強度影響較大，從工藝參數(shù)設(shè)定、微量元素配比、雜質(zhì)含量、模具設(shè)計、設(shè)備、工藝方法、熱處理及其他特殊處理（如球化處理、孕育處理等）等方面，任何一方面不合理都會造成渦殼成品缺陷，鑄造過程中常見缺陷多是氣孔、縮松、熱結(jié)、金相組織異常等問題，這都會導致渦殼強度低、開裂等問題。

1.4 從工作環(huán)境方面分析

車用渦輪增壓器的渦殼工作溫度從常溫到1 000 ℃以上，溫度跨度大。渦殼在支撐增壓器本體之外，還要連接、支撐三元催化器等排氣系統(tǒng)零件，受力較大，特別是無增壓器支架的渦殼。渦殼還要承受來自發(fā)動機及整車傳遞過來的振動。如此惡劣的工作環(huán)境，其中某一個或幾個因素失控，可能就會導致渦殼開裂。象發(fā)動機排溫超標整車或發(fā)動機NVH性能差等，都可能引起渦殼開裂問題。

2 關(guān)于增壓器渦殼開裂的改進措施

2.1 材料選擇

目前常見的渦殼材料有灰鑄鐵、鐵素體球墨鑄鐵、中硅鐵素體球墨鑄鐵、釩鑄鐵、高鎳奧氏體球墨鑄鐵、耐熱不銹鋼等。一般灰鑄鐵是用于較低負荷的柴油機，耐溫較低，現(xiàn)在已經(jīng)基本不采用；鐵素體球墨鑄鐵性能高于灰鑄鐵，但也只適用于熱負荷較低的柴油機，一般排溫在650 ℃以下采用；中硅鐵素體球墨鑄鐵中添加了較多的硅元素及少量鉬等元素，排溫在650 ℃～760 ℃考慮采用，常用于柴油機；釩鑄鐵耐溫性高于中硅鉬球墨鑄鐵，可耐排溫700 ℃～830 ℃，常用于高排溫柴油機；高鎳奧氏體球墨鑄鐵（D2、D2B、D2C、D3、D3A、D4、D5、D5B、D5S等），有極好的抗熱沖擊性能和抗熱蠕變性，極好的耐蝕性及高溫抗氧化性，而且有低的熱膨脹性和很好的低溫沖擊韌性，可耐高溫800 ℃～950 ℃，是目前汽油機增壓器渦殼常用材料；針對更高的排溫，現(xiàn)在多采用耐熱不銹鋼材料（1.4837、1.4848等），耐熱不銹鋼可耐高溫達1 000 ℃以上，目前高排溫汽油機多采用。根據(jù)工作溫度范圍，選用適合的耐溫材料，可以有效避免渦殼開裂。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

此方面主要依賴于企業(yè)經(jīng)驗積累，并依靠仿真計算軟件進行仿真計算分析，找出薄弱點并優(yōu)化，規(guī)避開裂風險。在渦殼設(shè)計過程中，設(shè)計者可根據(jù)經(jīng)驗，應用三維模型軟件建立渦殼三維模型，并對其進行CAE、CFD仿真計算，計算分析出渦殼溫度場、速度場、壓力場、熱應力和模態(tài)等分布情況，根據(jù)計算結(jié)果找出薄弱點并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，直到滿足渦殼設(shè)計要求。另外，前期制作樣件進行各項試驗是很有必要的，這樣既可以檢驗設(shè)計、工藝的合理性，又可以檢驗仿真計算的準確性。隨著仿真軟件不斷發(fā)展升級，計算準確性也逐漸提高，所以在渦殼設(shè)計階段，仿真計算可以在很大程度上避免設(shè)計的不合理性，可以有效降低實物開裂風險。

2.3 生產(chǎn)工藝

通過不斷優(yōu)化鑄造工藝，降低鑄造缺陷。工藝參數(shù)設(shè)定、微量元素配比、雜質(zhì)含量和熱處理等都要進行最優(yōu)化設(shè)定。成型前對模具模流及鑄造工藝模擬等進行仿真分析，確保模具、工藝理論設(shè)計最優(yōu)化。另外，砂芯、覆膜砂的選材及處理，澆冒口結(jié)構(gòu)尺寸及位置，排氣口的位置及數(shù)量等方面，都需要經(jīng)過詳細計算分析并經(jīng)過試驗驗證得出，不可盲目確定。熱處理及其他特殊處理（如球化處理、孕育處理等）等是產(chǎn)品的點睛之筆，參數(shù)設(shè)定及處理制劑都要最優(yōu)化，且要進行一定量試驗驗證。前人總結(jié)的方法不能完全照搬照抄，材料、設(shè)備、場地和環(huán)境等因素都會有影響，所以需要企業(yè)根據(jù)自身條件，多進行試驗驗證，在試驗中不斷優(yōu)化，總結(jié)出最優(yōu)工藝方法以降低鑄造缺陷，降低開裂風險。

2.4 工作環(huán)境

此方面在開發(fā)過程中進行關(guān)注并加強試驗驗證可以有效避免渦殼開裂問題。前期應用仿真計算軟件，計算模擬整車、整機溫度場、流場以及振動等情況，根據(jù)計算結(jié)果進行材料選擇及優(yōu)化結(jié)構(gòu)，后期做樣件搭載整車、整機進行NVH測試及耐久試驗考核，根據(jù)試驗結(jié)果，及時調(diào)整材料、標定數(shù)據(jù)，優(yōu)化整車、整機布置或增壓器單體?？傊?，早期仿真計算及優(yōu)化，可以有效降低設(shè)計層面的問題，而后期制作樣件搭載整車、整機進行多輪極限工況下可靠性驗證，可以考核實物渦殼在各種極限環(huán)境下的工作情況， 一般極限環(huán)境工況下沒問題，其他工況不易出現(xiàn)開裂問題。

3 結(jié)語

綜上所述，從渦殼前期設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)過程、使用環(huán)境等各個方面進行分析、研究，找出各個環(huán)節(jié)存在的開裂隱患點并改進，有效地降低了設(shè)計階段、生產(chǎn)階段及使用階段渦殼開裂的風險。經(jīng)過實踐證明，前期仿真計算分析和后期制作樣件試驗考核的組合方式對于渦殼開裂問題的分析、解決非常有效，使開裂問題基本可以在產(chǎn)品開發(fā)過程中暴露出來并解決掉，避免流入終端用戶手中，引起抱怨。理論與實踐相結(jié)合是分析、解決問題最有效、最快捷的方法，我們應該充分應用科學的分析方法，在實踐中總結(jié)、成長。

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