增壓發動機排氣歧管開裂原因分析*

李啟鵬 胡蓉蓉 王勇 李東利 宋志輝 袁爽 沈源 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司浙江寧波315000 2-浙江吉利羅佑發動機有限公司）

增壓發動機排氣歧管開裂原因分析*

李啟鵬1胡蓉蓉1王勇1李東利1宋志輝1袁爽1沈源1王瑞平1，2

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司浙江寧波315000 2-浙江吉利羅佑發動機有限公司）

研究了某款渦輪增壓發動機開發過程中出現的排氣歧管開裂問題。通過質量檢測、CAE分析、推理演繹的方法找出排氣歧管開裂的原因，并針對原因給出整改措施，最后通過試驗進行驗證。為以后出現類似的問題提供了解決思路。

排氣歧管開裂熱疲勞

引言

隨著汽油發動機技術的飛速發展，作為發動機上的關鍵零部件，排氣歧管的使用環境也越來越惡劣。早期的發動機，燃燒效率低，最高排氣溫度低于500℃，但隨著排放要求的不斷提高和渦輪增壓器技術的應用，發動機廢氣的溫度往往大于900℃，有的甚至達到了1000℃。

隨著使用環境的惡化，排氣歧管的失效也屢見不鮮，常見的失效模式是熱應力疲勞和高溫氧化腐蝕。其中熱應力疲勞是由于排氣歧管因在高溫熱膨脹而產生壓力場的作用下產生塑性變形，而在低負荷時因溫度降低導致局部形成較高的拉應力。這種熱應力場的周期性變化構成了熱疲勞應力，其開裂通常屬于高應力低周疲勞[1]。

1 排氣歧管開裂原因分析

在某款增壓發動機中，采用的是高鎳球鐵鑄造的排氣歧管。這種材料在目前增壓發動機排氣歧管的鑄造上比較常用，使用溫度能達到950℃。

如圖1所示，在對完成冷熱沖擊試驗的發動機進行拆解后發現，在排氣歧管上出現了三處裂紋，其中兩處裂紋是貫穿性裂紋，出現了漏氣，且多次試驗均在相同部位出現，存在嚴重的安全隱患。

我們首先對失效樣件的裂紋位置進行取樣，在顯微鏡下觀察其裂紋結構，如圖2所示。可以看到斷口表面氧化非常嚴重，初步判斷該裂紋屬于熱疲勞裂紋，并且開裂起始于外壁。

圖1 排氣歧管出現裂紋的位置

1.1 質量檢測

在知道裂紋的實際情況之后，首先對失效的樣件質量進行檢驗：進行壁厚、金相組織和化學成分檢驗。其中實測壁厚為4mm～6mm，滿足設計要求。

在裂紋附近取樣，并對其進行金相組織檢測，如圖3所示。發現其石墨球化率≥90%，石墨尺寸達7級，滿足設計要求。

同時將失效樣件送往第三方檢測中心，進行化學成分檢測，檢測結果如表1所示，也滿足設計要求。

圖2 排氣歧管裂紋處低倍形貌與高倍形貌

圖3 排氣歧管裂紋附近金相組織

表1 化學成分分析

通過質量檢測可以判斷失效樣件并沒有質量問題。

1.2 CAE分析

隨后對最新狀態的排氣歧管進行溫度場分析和熱應變、熱應力分析。

模擬發動機冷熱循環工況，對排氣歧管溫度場進行模擬計算，如圖4所示。分析計算結果發現最高溫度低于900℃，滿足歧管材料的使用要求。可見材料不是造成開裂的原因。

圖4 排氣歧管表面最高溫度

在模擬發動機冷熱循環工況對溫度場進行計算的基礎之上，對排氣歧管進行熱應變、熱應力分析，如圖5所示。通過CAE計算結果，我們可以看到在B1、B2位置的熱應變超出了許可范圍，存在開裂隱患，而B1處正好是出現裂紋的區域。

圖5 排氣歧管表面最大應力

根據CAE結果，最大裂紋出現的位置與CAE計算結果能很好地吻合，同時也印證了金相分析對裂紋屬于熱疲勞裂紋的判斷。

1.3 推理演繹

排氣歧管上出現了三處裂紋，且在其它試驗中多次出現在相同部位，必然是由非偶然因素導致。接下來通過推理演繹的方法，對三處裂紋進行分析。

針對第一處裂紋，如圖6、7所示。由于在排氣歧管的冷卻過程中，從溫度場的計算結果中可以看到，總管靠近增壓器的區域冷卻速度慢，遠離增壓器的區域冷卻速度快。在冷卻時，遠離增壓器的部分收縮，在總管上形成一個拉應力。出現裂紋的地方是加強筋過渡的地方，容易形成應力集中，所以結構強度較低。再加上右側3個支管的氣流在該處匯入總管，溫度較高，材料的力學性能受溫度的影響變得較差。所以，在該處出現裂紋，且裂紋走向與受力方向垂直。

圖6 排氣歧管在熱、冷工況的溫度分布

圖7 排氣歧管第一裂紋處受拉應力示意圖

針對第二處裂紋，如圖8，9所示。由于空心管狀物體受熱然后冷卻的過程中，材料會產生收縮，形成一個沿著管壁的拉應力。理想情況下，距離中心點相同的位置，所受應力的大小也一樣。外壁由于冷卻速度快，溫度變化梯度大，外壁拉應力會比內壁稍大一些。再加上從1、2、3缸出來的高溫氣流沖擊歧管出口的左側面，造成此處溫度最高，材料性能最差。所以，在該處出現裂紋，且與受力方向垂直。

圖8 空心管狀物體受熱應力示意圖

圖9 裂紋處受高溫氣流沖擊

針對第三處裂紋，如圖10、11所示。由于排氣歧管在冷卻的過程中，管壁發生收縮，沿著管路走向會產生一個拉應力。另外，由于增壓器位于排氣歧管出口法蘭上，其上下振動，對該區域施加了較大的機械力。對應地，沿著管路走向就產生了拉應力，與前面的熱應力不同，該應力屬于機械應力。另外，出現裂紋區域為加強筋過渡處，容易形成應力集中，結構強度較弱。最后，由于該處受到高溫排氣氣流的沖擊，此處溫度很高，材料力學性能較差。因此，在該處出現裂紋，且裂紋走向與受力方向垂直。

圖10 排氣歧管第三裂紋處受拉應力示意圖

圖11 排氣氣流沖擊示意圖

2 結構優化及試驗驗證

2.1 結構優化

在通過CAE計算和推理演繹之后，針對三處裂紋產生的原因采取具有針對性的優化措施，主要是通過優化結構來實現。

針對第一處裂紋，沿著產生應力的方向，增加兩處加強筋，提升排氣歧管抵抗該處熱應力的能力。如圖12所示。

圖12 增加加強筋

針對第二處裂紋，對產生裂紋位置的倒圓進行優化，使其過渡更圓滑，使其受到的應力分散，同時增加了局部區域壁厚，如圖13所示。

針對第三處裂紋，沿著應力的方向，增加一條加強筋，提升排氣歧管抵抗該處應力的能力，如圖13所示。

將優化后的排氣歧管多次搭載在冷熱沖擊試驗和其它試驗上，均未再出現裂紋。從而驗證了解決措施的有效性。

圖13 圓滑倒角區域并增加加強筋

3 結論

1）排氣歧管的失效模式主要有熱疲勞和高溫氧化腐蝕，而出現熱疲勞裂紋主要是由于熱應力過大造成的。

2）熱疲勞裂紋的走向大致與所受熱應力的方向垂直。

3）在排氣歧管的設計初期，應該充分利用CAE計算來對設計做強度校核，避免后期出現問題。

4）可以通過增加局部壁厚和在適當的地方增加加強筋來優化排氣歧管的結構，避免發生裂紋或者斷裂。加強筋的方向應該與所受應力方向平行。

5）在解決工程問題的過程中，可以充分利用質量檢測、CAE計算、推理演繹的方法來找出問題原因，并給出針對性的解決措施。

1袁小娟，黃海武，張曉，等.6缸排氣歧管斷裂與結構分析[J].鑄造技術，2011，32（12）：1661～1664

2萬仁芳.汽車排氣歧管材料現狀及發展趨勢[J].現代鑄鐵，2011（Z2）：15～22

3王立新，劉斐，潘雪偉.發動機排氣歧管斷裂分析及其設計改進[J].上海汽車，2007（12）：15～18

4李偉，劉柯軍，張義和，等.發動機排氣歧管斷裂分析[J].汽車工藝與材料，2006（6）：25～26

5劉丹，袁峰，陳慧，等.發動機排氣歧管失效分析[J].熱處理，2012，27（6）：61～65

Analysis of TC Engine Exhaust Manifold Cracking

Li Qipeng1，Hu Rongrong1，Wang Yong1，Li Dongli1，Song Zhihui1，Yuan Shuang1，Shen Yuan1，Wang Ruiping1，2
1-Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，Ltd.（Ningbo，Zhejiang，315000，China）2-Zhejiang Geely Royal Engine Co.Ltd.

In this study，we investigated the reasons why exhaust manifold of a TC engine cracked in the durability test.We figured out the courses by quality inspection，CAE calculation，deducting and reasoning. After that，we optimized the exhaust manifold's structures aimed at the causes and proved ours thoughts by durability testing.This study is to suggest an idea about solving the similar problems for design engineers.

Exhaust manifold，Crack，Thermal fatigue

TK412+.4

A

2095-8234（2014）05-0037-05

2014-08-30）

國家高技術研究發展計劃（863計劃）課題編號：2012AA111701。

李啟鵬（1988-），男，本科，主要研究方向為發動機排氣系統設計。