增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管密封系統(tǒng)失效分析及優(yōu)化

王曉東，李磊，陸樹一

(1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438；2.上海新動(dòng)力汽車科技股份有限公司，上海 200438)

0 前言

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)的普及應(yīng)用，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率不斷的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件承受的熱負(fù)荷越來越大，因此對(duì)于零部件使用要求也越來越苛刻，特別是對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管密封系統(tǒng)提出了更高的要求[1-2]。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管密封系統(tǒng)的密封介質(zhì)工作環(huán)境溫度最高達(dá)到了820 ℃左右，在如此高的溫度下，使得排氣歧管與缸蓋結(jié)合面的密封設(shè)計(jì)變得十分困難。如果排氣歧管與缸蓋結(jié)合面發(fā)生氣體泄漏，由于泄漏出來的氣體溫度很高，對(duì)周邊的零件容易造成損壞，進(jìn)而有可能會(huì)導(dǎo)致安全事故，對(duì)消費(fèi)者的用車體驗(yàn)造成不好的影響。

影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管密封系統(tǒng)的因素有很多，如排氣歧管密封面變形，高溫下排氣歧管螺柱軸力變化，密封墊片的材料結(jié)構(gòu)改變等[3-4]。本文結(jié)合某2.0 L增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管密封失效案例，綜合各種因素，分析排氣歧管密封系統(tǒng)的失效原因，并提出解決辦法。

1 漏氣問題

某2.0 L增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在產(chǎn)品開發(fā)階段的耐久試驗(yàn)過程中，發(fā)生過多起排氣歧管與缸蓋結(jié)合面漏氣問題，造成增壓壓力不足，影響了試驗(yàn)的正常進(jìn)行。其中漏氣痕跡的照片如圖1所示。

圖1 缸蓋表面漏氣痕跡

2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的漏氣位置均在第1缸和第4缸處。其中最嚴(yán)重的出現(xiàn)在第1缸。泄漏區(qū)域有明顯的炭煙泄漏痕跡，貫穿整個(gè)墊片密封凸筋的結(jié)合面。

2 原因分析

該發(fā)動(dòng)使用的排氣歧管墊片采用帶有凸筋結(jié)構(gòu)的金屬板。其密封原理是排氣歧管螺栓擰緊后，通過螺栓壓緊力作用到兩側(cè)的法蘭面上，凸筋受到兩側(cè)法蘭的壓力變形后，法蘭面與凸筋接觸的位置形成密封帶，阻止內(nèi)部介質(zhì)泄漏到外側(cè)。針對(duì)上述密封失效的問題，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1 凸筋選型分析

該排氣歧管墊片采用帶有凸筋結(jié)構(gòu)的金屬板，該設(shè)計(jì)目前被業(yè)內(nèi)普遍采用。凸筋的結(jié)構(gòu)形式有多種，包括半凸筋、全凸筋、雙半凸筋等，凸筋結(jié)構(gòu)形式的選用主要是根據(jù)不同的使用溫度條件、邊界空間，以及所需要的密封壓力決定。因?yàn)樵摪l(fā)動(dòng)機(jī)屬于帶有雙增壓系統(tǒng)的柴油機(jī)，其排氣系統(tǒng)的氣體溫度和密封壓力較高，所以選用半凸筋結(jié)構(gòu)。相對(duì)于全凸筋結(jié)構(gòu)，其回彈性較好，同時(shí)為兼顧密封壓力高的要求，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙半凸筋結(jié)構(gòu)，在每個(gè)密封面形成雙線密封形式來保證密封。凸筋的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 排氣歧管墊片密封凸筋結(jié)構(gòu)

為檢驗(yàn)實(shí)際產(chǎn)品密封設(shè)計(jì)是否滿足要求，使用20 MPa的面壓紙進(jìn)行面壓試驗(yàn)，如圖3所示。結(jié)果顯示，密封帶為雙線密封，密封帶的顯色均勻連續(xù)，整個(gè)密封帶無顯色異常的位置。通過顯示儀的讀數(shù)結(jié)果可知，密封帶的接觸壓力均超過20.0 MPa，滿足最小壓力值10.0 MPa的設(shè)計(jì)要求。

圖3 排氣歧管墊件密封面壓試驗(yàn)結(jié)果

借助計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)有限元分析工具ABAQUS軟件，在設(shè)計(jì)初期根據(jù)密封系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境，對(duì)從初始裝配到耐久試驗(yàn)工況進(jìn)行分析。為降低的計(jì)算量，同時(shí)也為了保證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，分析模型采用局部簡化的方法進(jìn)行計(jì)算。其中，在排氣歧管墊片建模過程中，將墊片的凸筋模型采用簡化的彈性單元，將排氣歧管墊片試驗(yàn)測(cè)得的壓縮回彈性能曲線輸入到彈性單元的屬性中，其他邊界模型采用常用的四面體網(wǎng)格。簡化模型如圖4所示。

圖4 簡化模型及墊片的壓縮回彈曲線

CAE計(jì)算結(jié)果如圖5所示。在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)從冷態(tài)到熱態(tài)的過程中，密封的最小壓力為21.1 MPa，滿足最小壓力值10.0 MPa的設(shè)計(jì)要求。為檢驗(yàn)計(jì)算模型的有效性，對(duì)分析模型在初始裝配的密封接觸壓力進(jìn)行FUJI面壓試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，F(xiàn)UJI面壓試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果基本吻合，可以判定該分析模型有效。通過上述分析，說明凸筋結(jié)構(gòu)選型滿足使用要求，不是導(dǎo)致氣體泄漏的原因。

圖5 CAE計(jì)算接觸應(yīng)力結(jié)果

2.2 墊片結(jié)構(gòu)分析

分析觀察耐久試驗(yàn)后的排氣歧管墊片，其中第1缸和第4缸與排氣歧管接觸的表面有比較明顯的摩擦劃痕，而與缸蓋接觸的表面未見明顯劃痕。而且部分失效墊片其中貼近排氣歧管側(cè)中間層的第1缸和第4缸的螺栓搭子破損，第2缸和第3缸的連接區(qū)域被拉斷；貼近缸蓋側(cè)的墊片第2缸和第3缸的連接區(qū)域完好。這說明墊片受到排氣歧管熱變形的擠壓后，同時(shí)受到較大外力的撕扯，直至最終斷裂，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)后的排氣歧管墊片

排氣歧管墊片采用的是兩層金屬板結(jié)構(gòu)，通過電焊將兩層墊片焊接在一起。其中上下兩層的凸筋通過電焊固定貼合，以保證密封作用。如圖7所示，失效的排氣歧管墊片上下表面有兩層錯(cuò)開的痕跡，錯(cuò)開后就會(huì)導(dǎo)致上下的凸筋壓空，高溫氣體從錯(cuò)開的間隙之間泄漏出去，從而造成密封失效。

圖7 墊片凸筋錯(cuò)開

2.3 螺栓殘余扭矩分析

螺栓扭矩是影響密封效果的重要參數(shù)之一。該發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管螺栓初始裝配扭矩為35 N·m。耐久試驗(yàn)拆機(jī)過程中排氣歧管螺栓的殘余扭矩見表1，各個(gè)螺栓扭矩對(duì)應(yīng)的編號(hào)如圖8所示。

表1 排氣歧管螺栓拆解時(shí)的殘余扭矩

圖8 排氣歧管螺栓位置編號(hào)

通過拆機(jī)記錄的數(shù)據(jù)可知，2臺(tái)密封失效的排氣歧管的第4缸處的螺栓殘余扭矩低于設(shè)計(jì)要求。甚至1臺(tái)出現(xiàn)螺栓斷裂的情況，如圖9所示。螺栓扭矩的衰減會(huì)導(dǎo)致排氣歧管墊片的凸筋與結(jié)合面的接觸壓力不足，造成密封不嚴(yán)，進(jìn)而導(dǎo)致高溫氣體的泄漏。

圖9 斷裂的雙頭螺柱

對(duì)殘余扭矩衰減的雙頭螺栓的材料分析，檢測(cè)結(jié)果顯示，雙頭螺栓材料滿足設(shè)計(jì)要求，并未發(fā)現(xiàn)異常。對(duì)于雙頭螺柱扭矩衰減判斷為發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致在高溫下隨著歧管變形產(chǎn)生的拉力下，雙頭螺柱變形超過彈性區(qū)域。

3 優(yōu)化方案

通過上述的原因分析，可以確定該機(jī)型的排氣歧管密封失效是由以下2個(gè)方面造成的：① 排氣歧管墊片受力產(chǎn)生分層，導(dǎo)致氣體泄漏；② 螺栓扭矩的衰減造成密封接觸壓力不足，導(dǎo)致氣體泄漏。針對(duì)上述原因，確定從以下2方面改進(jìn)排氣歧管密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.1 降低排氣歧管墊片表面的摩擦系數(shù)

由于排氣歧管與缸蓋材料不同，材料的熱膨脹量也不同，這必然導(dǎo)致在同樣的溫度條件下，兩者的變形量不一致。在螺栓軸力壓緊的情況下，兩層墊片由于摩擦力的作用，結(jié)合面兩側(cè)的變形量的不同而發(fā)生不同的位移量，造成兩層墊片錯(cuò)開。為解決兩層墊片錯(cuò)開的問題，需要減小墊片結(jié)合面兩側(cè)的摩擦力。因此在改進(jìn)方案中，將排氣歧管墊片表面噴涂二硫化鉬材料，以達(dá)到減小摩擦的作用。

3.2 提高雙頭螺柱的彈性變形量

根據(jù)拆解排氣歧管雙頭螺栓殘余扭矩結(jié)果分析，雙頭螺柱的彈性變形量較小，不足以抵抗排氣歧管的熱變形。為提高螺栓的彈性變形量，在改進(jìn)方案中，將螺栓的長度加長28 mm，同時(shí)增加1個(gè)長28 mm的墊塊，用于彌補(bǔ)變形量，如圖10所示。

圖10 雙頭螺柱加長

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)方案是否有效，將改進(jìn)方案應(yīng)用于某2.0 L增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，通過標(biāo)準(zhǔn)耐久試驗(yàn)和熱沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)分析。排氣歧管與缸蓋結(jié)合面未出現(xiàn)漏氣痕跡，螺栓殘余扭矩正常，排氣歧管墊片未再發(fā)生兩層錯(cuò)開的情況。結(jié)果證明，改進(jìn)方案滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證有效。

4 結(jié)語

本文從密封原理出發(fā)，對(duì)排氣歧管密封系統(tǒng)進(jìn)行了失效分析。確定失效原因后通過在排氣歧管墊片表面噴涂二硫化鉬和加長排氣歧管雙頭螺柱長度的方法，最終改進(jìn)方案通過試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，問題得到了解決。在解決該問題的過程中，本文借助了CAE有限元模擬的計(jì)算方法和面壓試驗(yàn)方法，極大地提高了問題的解決效率。