增壓發(fā)動機排氣管前端法蘭結(jié)合面高溫密封問題研究

武斌 蔡存朋 曹正林 李康 沈宇航 謝曉峰

（1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130013）

1 前言

為了應對日趨嚴格的排放法規(guī)和油耗要求，發(fā)動機增壓技術方案被廣泛采用，來提升熱效率、凈化排氣。然而由此帶來的副作用是燃燒爆發(fā)壓力和燃燒排氣溫度不斷提高，發(fā)動機“三漏”失效、高溫失效、疲勞失效等風險更加突出，并且各種失效形式往往不是獨立存在的，而是相互影響的。發(fā)動機的“三漏”失效，本質(zhì)上是壓力容器在高溫高壓下的密封失效，涉及到燃氣、潤滑液和冷卻液的密封。本研究中排氣管前端法蘭就是發(fā)動機排氣系統(tǒng)的關鍵部分，直噴增壓發(fā)動機的高溫排氣使得增壓器和排氣管前端的法蘭結(jié)合面（以下簡稱“法蘭結(jié)合面”）密封變得十分困難，在法蘭結(jié)合面處的高溫氣體泄漏存在嚴重安全隱患，降低產(chǎn)品的可靠耐用性，影響產(chǎn)品品質(zhì)，引起消費者的質(zhì)量抱怨。

2 螺栓法蘭墊片密封研究現(xiàn)狀

螺栓法蘭墊片連接研究是壓力容器和管道技術領域中一個受到高度重視的課題[1]。在螺栓法蘭連接中，墊片是影響連接密封性能的關鍵元件，因此，墊片的力學性能和密封性能研究一直是螺栓法蘭連接研究中的重點[1]。

采用金屬密封墊片的螺栓法蘭連接是發(fā)動機排氣系統(tǒng)常用的連接形式。這種金屬墊片依靠沖壓成型工藝形成具有一定高度和一定寬度的凸筋結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 金屬墊片的凸筋結(jié)構(gòu)示意

沖壓過程中形成的墊片內(nèi)應力，使得墊片的凸筋結(jié)構(gòu)具有壓縮性和回彈性。靜態(tài)安裝時，墊片在螺栓擰緊作用下，產(chǎn)生壓縮變形，填充法蘭結(jié)合面的間隙，并依靠壓縮產(chǎn)生的法向壓力形成初始密封；動態(tài)運行時，在溫度、壓力、振動等外載荷作用下，法蘭結(jié)合面彼此分離，墊片發(fā)生回彈，如果墊片的回彈量能補償緊結(jié)合面的分離量，殘余法向壓力仍大于內(nèi)壓力，形成阻止高溫高壓燃氣泄漏的動態(tài)密封。這就是墊片密封的基本工作原理[2]。

3 法蘭結(jié)合面密封問題

某2.0TD發(fā)動機法蘭結(jié)合面采用的就是金屬密封墊片的螺栓法蘭連接形式，靜態(tài)裝配狀態(tài)下測試，沒有發(fā)生漏氣現(xiàn)象，證明金屬墊片產(chǎn)生的足夠的法向壓力能夠滿足密封性能；但在發(fā)動機冷熱沖擊臺架試驗后出現(xiàn)嚴重漏氣問題，見圖2。

按照試驗工況分析可知：此直噴增壓發(fā)動機全速全負荷運行時，增壓器渦前廢氣溫度達950℃，在高溫高流速氣體的沖刷下，法蘭結(jié)合面處的結(jié)構(gòu)溫度可達800～900℃；當發(fā)動機停機后，溫度會降到室溫或者更低。

巨大的溫差使法蘭結(jié)合面結(jié)構(gòu)熱脹冷縮現(xiàn)象異常明顯；同時，由于增壓器結(jié)構(gòu)整體的復雜性，法蘭結(jié)合面在高溫氣體作用下溫度分布不均勻，極易使法蘭結(jié)合面出現(xiàn)塑性變形以及法向變形不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。

常規(guī)認為，在以上這些現(xiàn)象疊加作用下，發(fā)動機停機后，法蘭結(jié)合面冷縮變形不能回到初始的裝配狀態(tài)，當墊片的回彈性能無法補償法蘭結(jié)合面由于高溫產(chǎn)生的分離量或者塑性變形產(chǎn)生的殘余分離量，導致密封失效，發(fā)生嚴重漏氣問題。

進一步利用CAE仿真分析技術，復現(xiàn)此發(fā)動機法蘭結(jié)合面漏氣現(xiàn)象，確定漏氣的真正原因。

4 法蘭結(jié)合面密封CAE分析

法蘭結(jié)合面密封CAE分析主要包括兩部分：基于瞬態(tài)熱邊界的瞬態(tài)溫度場CAE分析，基于真實裝配及瞬態(tài)溫度場的熱機械耦合CAE分析。

瞬態(tài)溫度場仿真和熱機械耦合有限元仿真的理論依據(jù)見文獻[3]。

4.1 瞬態(tài)溫度場CAE分析

建立有限元模型，包括催化器、法蘭連接螺栓、墊片、增壓器蝸殼等。如圖3所示。

瞬態(tài)溫度場CAE分析需要的熱邊界包含五部分。

a.發(fā)動機全速全負荷工作時的內(nèi)流場氣體溫度分布和換熱系數(shù)分布；

b.發(fā)動機冷機反拖時的內(nèi)流場氣體溫度分布和換熱系數(shù)分布；

c.發(fā)動機全速全負荷工作時的結(jié)構(gòu)外流場氣體溫度分布和換熱系數(shù)分布；

d.發(fā)動機冷機反拖時的結(jié)構(gòu)外流場氣體溫度分布和換熱系數(shù)分布；

e.熱輻射邊界。

其中，氣體溫度分布和換熱系數(shù)分布利用CFD軟件計算獲得，圖4顯示的是發(fā)動機全速全負荷工作時的內(nèi)流場內(nèi)腔熱邊界。熱輻射邊界依靠經(jīng)驗值定義。加載時間根據(jù)發(fā)動機冷熱沖擊臺架試驗規(guī)范確定。

圖4 發(fā)動機全速全負荷工作時的內(nèi)腔熱邊界

通過CAE計算，可以得到排氣系統(tǒng)在發(fā)動機冷熱沖擊試驗全時間歷程下的瞬態(tài)溫度場仿真結(jié)果，圖5顯示的是發(fā)動機全速全負荷穩(wěn)態(tài)時刻排氣系統(tǒng)的溫度場仿真結(jié)果，法蘭結(jié)合面處的溫度普遍達到700～750℃。

圖5 溫度場仿真結(jié)果

4.2 密封仿真CAE分析

墊片采用ABAQUS自帶的gasket單元，其中，墊片凸筋結(jié)構(gòu)密封環(huán)的法向?qū)傩訹4]根據(jù)壓縮-回彈曲線測試結(jié)果定義，室溫下墊片壓縮-回彈測試曲線見圖6。

圖6 室溫下墊片壓縮-回彈曲線

發(fā)動機蝸殼、排氣管等結(jié)構(gòu)需要定義溫度相關的材料參數(shù)，并且要考慮溫度對材料塑性的影響。

密封仿真CAE工況見表1，其中加載全速全負荷時的溫度場載荷的工況定義為升溫工況，加載冷機反拖時的溫度場載荷的工況定義為降溫工況。

表1 密封仿真CAE分析工況

通過CAE計算，可以得到墊片密封環(huán)在三個升溫-降溫循環(huán)下的面壓分布，如圖7所示。墊片密封環(huán)面壓的取值起始點和取值方向示意如圖8所示。

圖7 墊片密封環(huán)的面壓分布

圖8 墊片密封環(huán)面壓的取值起始點和取值方向示意

根據(jù)密封理論，當墊片密封環(huán)上的面壓大于管內(nèi)氣體的壓力時，可以認為管內(nèi)氣體不會泄露。但是當面壓的分布不均勻時，根據(jù)Sawa的理論，螺栓連接的密封性取決于接觸區(qū)域的最低壓強值，即墊片密封環(huán)的最小面壓決定了法蘭結(jié)合面的密封能力。

由圖7可知，在各個工況下，墊片密封環(huán)的最小面壓不會發(fā)生明顯變化，均為1.3 MPa左右，遠大于內(nèi)部氣體壓力，即理論上法蘭結(jié)合面不會發(fā)生漏氣問題，這和試驗出現(xiàn)的漏氣問題不符，面壓不足不是導致此發(fā)動機法蘭結(jié)合面漏氣的真因。

結(jié)合墊片上高溫氣體泄漏的燒蝕痕跡（圖9），分析墊片密封環(huán)面壓分布（圖7），可以發(fā)現(xiàn)，動態(tài)運行時，密封環(huán)0°～120°的面壓升高，停機穩(wěn)定后，面壓急劇下降，無法恢復到螺栓擰緊工況時的壓力狀態(tài)，這與墊片密封的基本工作原理是不同的。

圖9 墊片上高溫氣體泄漏的燒蝕痕跡

通過CAE計算，也可以得到單個升溫-降溫循環(huán)引起的密封環(huán)各個位置的法向變形量，如圖10所示，其中，值為正，表示持續(xù)壓縮變形量，值為負，表示回彈變形量?？梢钥吹?，在0°～110°和320°～360°，溫度載荷導致兩法蘭面持續(xù)擠壓墊片密封環(huán)凸筋結(jié)構(gòu)，其中，在48°位置附近持續(xù)擠壓現(xiàn)象最嚴重，達到71μm。

圖10 由于升降溫循環(huán)引起的墊片相對變形

墊片材料在法蘭結(jié)合面上750℃的高溫作用下，材料高溫性能變得很差，彈性性能退化嚴重；同時，疊加法蘭結(jié)合面反復擠壓作用，導致墊片密封環(huán)發(fā)生應力松弛，造成不可逆的塑性變形[5]，凸筋高度被壓平破壞，原有的壓縮-回彈能力消失，無法密封高溫高壓氣體，導致漏氣問題發(fā)生。

“高溫+擠壓”雙重作用，導致墊片密封環(huán)凸筋結(jié)構(gòu)被破壞，是此發(fā)動機法蘭結(jié)合面漏氣的真正原因。

5 法蘭結(jié)合面密封性能優(yōu)化研究

重點從減輕法蘭結(jié)合面擠壓作用入手，開展墊片密封性能優(yōu)化研究。

5.1 法蘭增厚優(yōu)化方案

將法蘭厚度增加50%，效果如圖11所示，法蘭結(jié)合面擠壓的最大壓縮變形量減小為47μm，降至原來的66%，改善效果明顯。

圖11 法蘭增厚方案的密封環(huán)相對變形

但法蘭的增厚會加劇法蘭到排氣管的截面剛度突變，容易誘發(fā)熱機疲勞開裂，局部結(jié)構(gòu)變形見圖12。如采用此方案，需要同步開展熱機疲勞開裂風險的驗證和預防。

圖12 排氣管前端法蘭局部熱變形

5.2 增加連接螺栓優(yōu)化方案

將法蘭連接螺栓數(shù)量由3個增加到4個，結(jié)構(gòu)示意見圖13。

圖13 增加螺栓連接方案的法蘭結(jié)構(gòu)示意

效果如圖14所示，法蘭結(jié)合面擠壓的最大壓縮變形量減小為41μm，降至原來的58%，改善效果明顯。

圖14 增加螺栓連接方案的密封環(huán)相對變形

這個方案相關結(jié)構(gòu)的改動量大，同時增加了一個螺栓裝配，整體的變更成本高。

5.3 墊片增加限位保護方案

為保護墊片密封環(huán)凸筋結(jié)構(gòu)不受過度擠壓，可以在密封環(huán)內(nèi)外增加物理限位防護；同時，在螺栓周圍增加一圈彈性限位防護，墊片增加限位保護的結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 墊片增加限位保護的結(jié)構(gòu)

效果如圖16所示，法蘭結(jié)合面擠壓的最大壓縮變形量減小為38μm，降至原來的54%。此方案效果最明顯，變更成本低。

圖16 增加限位保護方案的密封環(huán)相對變形

采用此改進方案，排氣系統(tǒng)一次通過發(fā)動機冷熱沖擊試驗驗證，法蘭結(jié)合面密封良好，漏氣問題解決。

6 結(jié)論

a.造成發(fā)動機排氣系統(tǒng)法蘭結(jié)合面的墊片密封失效、漏氣的原因很復雜，和排氣系統(tǒng)整體的安裝固定方式、各零件結(jié)構(gòu)剛度、法蘭連接形式、高溫載荷作用、材料耐高溫性能等密切相關，需要具體問題具體分析，對癥下藥。

b.金屬墊片密封依靠的是具有壓縮-回彈性能的墊片凸筋結(jié)構(gòu)，室溫下，這種壓縮-回彈性能可以保持相對的穩(wěn)定或者一定程度的衰減。但是墊片凸筋結(jié)構(gòu)在特定的使用環(huán)境中，比如導致材料性能急劇衰減的高溫和大變形持續(xù)反復擠壓的共同作用下，墊片凸筋結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，原有的壓縮-回彈性能會急劇衰減甚至消失。

c.發(fā)動機排氣系統(tǒng)法蘭結(jié)合面的密封設計開發(fā)，需要綜合考慮材料選定、法蘭連接布置、排氣系統(tǒng)固定方式。

d.利用數(shù)字化CAE仿真分析技術手段，對排氣系統(tǒng)法蘭結(jié)合面密封性能開展準確分析與預測，可以有效指導發(fā)動機排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正向精益設計，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。