某增壓柴油發動機排氣歧管開裂故障分析

南出勇，張軍瑞，黃保科

某增壓柴油發動機排氣歧管開裂故障分析

南出勇，張軍瑞，黃保科

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

某增壓柴油發動機在試驗過程中，出現了排氣歧管開裂現象。文章從材料分析、制造工藝排查以及設計檢查等方面入手，最終發現故障原因是由于鑄造缺陷和應力集中導致。通過優化生產工藝和排氣歧管結構，解決了開裂問題。

增壓；排氣歧管；開裂；CAE分析

CLC NO.: U464.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-201-03

前言

隨著國家排放以及油耗法規的加嚴，增壓技術作為一種有利于柴油機排放和油耗的手段，其應用的越來越多。但是增壓帶來一種不利因素——發動機排溫的升高，這對包括排氣歧管在內的一些需要耐高溫的零部件提出了更加苛刻的要求。因此，排氣歧管的合理有效的設計成為一個非常重要的課題。

某增壓柴油機在試驗過程中，排氣歧管表面產生兩條肉眼明顯可見裂紋。經過檢查，確認裂紋1發生在排氣歧管腔體和排氣總管過渡連接處，裂紋2發生在排氣歧管腔體上。

1 排氣歧管開裂原因分析

能夠導致排氣歧管開裂的因素，主要有以下幾種：1、材料選用不當導致排氣歧管耐溫不足或者材料材質不合格；2、廠家生產工藝控制不當，造成產品不良；3、排氣歧管結構設計不合理，導致局部產生熱應力集中現象。

圖1 排氣歧管開裂位置

1.1 材料分析

該款增壓柴油發動機排氣歧管材質為SiMo4.5,最大耐溫極限為730℃。排查試驗樣機排溫，最高排溫為683℃，未超過材料的耐溫極限。

材料中某些材料的缺失或不足，將會嚴重影響材料的性質。因此，需要對排氣歧管材料進行成分分析、金相和硬度檢測。將排氣歧管在裂紋處切開，分別在斷口裂紋處以及在附近未開裂處取樣，進行相應的檢測。

表1 材料檢查結果

圖4 正常金相顯微結構

通過材料分析，三處金相結構成分相同，開裂處無明顯異常，可以看出排氣歧管材料成分正常，無異常項，因此可以排除材料選用不當導致排氣歧管耐溫不足或者材料材質不合格的因素。

1.2 廠家生產工藝排查

該款發動機排氣歧管為鑄造件，鑄造工藝的不當，容易產生縮孔、粘砂等缺陷。切割觀察裂紋周邊剖面，裂紋2處可見氣泡（如圖5所示），裂紋1處無異常。現場觀察廠家生產模具，發現廠家的砂箱排氣孔設計較小，易造成鑄造過程中氣泡不能及時排出，遺留在鑄件中，使鑄件的強度變低。增大砂箱排氣孔，并要求廠家對下線產品進行探傷檢測。

圖5 裂紋2周邊剖面

1.3 排氣歧管設計檢查分析

利用CAE軟件對該增壓柴油發動機的排氣歧管的內流場和外流場進行溫度場和高周疲勞分析。

排氣歧管的內壁最大溫度為686.85℃，排氣歧管外壁的最高溫度為即176.85℃，未超過材料的最高許用溫度極限，說明排氣歧管選材不存在問題。但是在排氣歧管總管與腔體結合處出現了熱應力集中分布的現象，熱應力最大值為211Mpa，超過了該材料的屈服極限（≤205Mpa）。該位置正好處于裂紋1處，與試驗結果相符。由此可見，由于排氣歧管結構設計的不合理，導致熱應力集中，從而導致裂紋1的產生。

圖5 排氣歧管內壁的溫度場分布

圖6 排氣歧管外壁的溫度場分布

圖7 排氣歧管熱應力分布

2 優化方案以及驗證

針對兩條裂紋產生的不同原因，采取以下兩種優化措施：

a）優化產品鑄造工藝，增大排氣歧管模具砂箱的排氣孔，并增加下線探傷要求；

b）增大排氣歧管和腔體的過渡圓角，在腔體外圍增加加強筋，增加排氣歧管強度。

圖8 排氣歧管優化方案

按照優化方案重新制造樣件，并將優化后的排氣歧管進行了800h可靠性驗證，未出現開裂現象。此后在其它驗證試驗中也多次搭載，均未重復發生開裂現象。

3 總結

本文針對某增壓柴油機排氣歧管開裂故障進行了分析，從產品的材料，工藝，結構三個方面入手，最終發現并解決問題。

a）排氣歧管設計時，需要首先考慮材料的耐溫性。要結合發動機的特性，選擇適當的材料，一般來講，柴油機排溫低于汽油機，非增壓機型低于增壓機型。

b）設計完成后，需要經過CAE分析確認，來確保設計的合理性，避免后期出現類似開裂故障。

c）產品的生產工藝直接影響產品的質量，確保正確的生產工藝。

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Research of A TC Diesel Engine Exhaust Manifold Cracking

Nan Chuyong, Zhang Junrui, Huang Baoke
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd. Technology Center, Anhui Hefei 230601）

TC; Exhaust Manifold; Cracking; CAE analysis

U464.9

A

1671-7988 (2017)16-201-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.071

南出勇，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

Abstrack: During the test, the exhaust manifold of a TC Diesel engine cracked. Eventually, by checking the chemical composition、production process and the design, we fund the ultimate reason was casting defects and stress concentration. By optimizing the production process and the exhaust manifold structure, the cracking problem was solved.