某柴油機EGR冷卻器開裂失效分析

肖連峰

(江西五十鈴發動機有限公司，江西南昌 330200)

0 引言

隨著排放法規的不斷升級，對NOx的排放限值要求逐漸加嚴，相對于國Ⅴ階段，國Ⅵ階段的排放限值嚴苛了許多，尤其是對NOx的排放要求，各汽車廠商為降低NOx排放，目前采用最廣泛的是EGR技術[1-2]，廢氣再循環系統(Exhaust Gas Recirculation，EGR)，是將發動機產生的廢氣的一小部分再送回氣缸再度燃燒的技術，具體地說，將發動機排出的廢氣與新鮮空氣混合后再進入氣缸，降低燃燒速度和溫度，達到降低NOx排放的目的。目前，EGR技術分為內部EGR技術和外部EGR技術。內部EGR技術是將廢氣在缸內進行循環，其結構簡單、應用方便，但難于精確控制EGR率，因此，目前廣泛采用的是外部EGR技術[3-4]。外部EGR技術是將排氣管中的廢氣經過EGR冷卻器和EGR閥，重新引入到進氣歧管中與新鮮空氣混合，進入氣缸再燃燒的方法[5]。

EGR技術中的核心部件為EGR冷卻器，它具有將廢氣冷卻并重新導入進氣側作用。由于EGR冷卻器是將排氣管中的高溫氣體引入冷卻，故其進氣端所受熱負荷大，容易出現應力大而導致的開裂失效故障。圖1為某公司自主研發的直列四缸增壓柴油機在臺架試驗中出現EGR冷卻器開裂失效圖片，裂紋位置在EGR冷卻器進氣端，且多次發生了相同失效故障，嚴重影響了項目的進展及SOP。

圖1 EGR冷卻器開裂

1 EGR冷卻器材料分析

該EGR冷卻器進氣端材料采用是耐熱鋼SUS430，光譜檢驗結果SUS430:0.04%的C，0.34%的Si，0.37%的Mn，0.031%的P，0.002%的S，16.2%的Cr，0.12%的Ni，屈服強度為310 MPa，硬度為139 HV，如圖2所示。從材料分析看，該EGR冷卻器進氣端材料符合要求，金相組織合格。

圖2 光譜檢驗

2 有限元分析

2.1 模態分析

該EGR冷卻器進氣端與鑄鐵接管連接，固定在排氣歧管上，出氣端側焊接有一個支架，固定在氣缸蓋罩上，出氣法蘭面與廢氣波紋管連接，故本次模態分析把鑄鐵接管、廢氣波紋管連接在一起分析計算，再把鑄鐵接管、EGR冷卻器支架、廢氣波紋管螺栓連接部位做固定約束，這樣最接近發動機實際裝配，如圖3所示，各零件計算所需材料參數見表1[6]。

圖3 計算模型固定約束

表1 材料性能

通過模態分析計算，分析結果如圖4所示，一階模態為230.8 Hz，發動機的基準模態為140 Hz，EGR冷卻器系統的整體模態大于發動機基準模態，但是安全裕度不夠，且EGR冷卻器在一階模態下出氣端的振動最大，沿Z向(發動機活塞運動方向)上下振動，導致EGR冷卻器進氣端的變形量大，容易產生較大的應力，有開裂風險，故下一步要強度分析，計算其應力值。

圖4 模態分析結果

2.2 振動掃頻測試

由于EGR冷卻器強度分析，需要施加加速度計算，為了分析精確，在發動機臺架上對EGR冷卻器進行振動掃頻，測出EGR冷卻器的實際振動加速度。試驗設備：朗德24通道；三向振動傳感器，試驗工況：發動機用時120 s 100%油門開度下均勻加速由1 000 r/min升到4 000 r/min，傳感器布置如圖5所示。

圖5 傳感器布置

加速度測試結果如圖6所示，在EGR冷卻器上布置了4個傳感器分別在進氣端、中間、出氣端、支架上，測試結果顯示在EGR冷卻器出氣端Z向的振動加速度最大，為16.7g，與模態分析結果一致。

圖6 加速度測試結果

2.3 強度分析

EGR冷卻器強度分析的固定約束參照圖3，分別在X、Y、Z方向施加一個加速度值計算，由于實際測試EGR冷卻器得振動加速度為16.7g，故施加安全系數后按20g加速度計算，仿真分析結果顯示EGR冷卻器的進氣端的最大應力值為105.1 MPa，如圖7所示。

圖7 冷卻器進氣端應力值

EGR冷卻器進氣端材料為SUS430，在600 ℃(EGR冷卻器廢氣最高進氣溫度650 ℃)高溫下的疲勞極限曲線圖如圖8所示，施加1.66安全系數后，基準值小于102 MPa，而EGR冷卻器前端分析的最大應力值為105.1 MPa，大于判斷基準值，不滿足設計要求，有開裂風險，與冷卻器實際開裂失效相吻合。

圖8 SUS430疲勞極限曲線(600 ℃)

2.4 優化方案

從上述模態分析及強度分析結果來看，EGR冷卻器進氣端開裂的主要原因是其出氣端振動過大，雖然一階模態滿足設計要求，但是安全裕度不夠，EGR冷卻器出氣端的振動加速度過大，導致其進氣端變形量大而產生較大應力，故文中優化方案在冷卻器出氣端追加輔助支架，輔助支架為鑄造不銹鋼0Cr18Ni9材料，如圖9所示，從而提高EGR冷卻器的整體模態，降低EGR冷卻器出氣端的振動加速度，減小EGR冷卻器進氣端的應力值。

2.5 優化方案模態分析及強度分析

新方案模態分析及強度分析的固定約束如圖10所示，其中輔助支架材料為鑄鋼0Cr18Ni9，零件計算所需材料參數見表1。

圖9 輔助支架裝配圖

圖10 新方案計算模型固定約束

通過模態分析計算，分析結果如圖11所示，一階模態為414.5 Hz，相比優化之前一階模態230.8 Hz，優化方案后的模態大幅提升，EGR冷卻器出氣端的振動明顯降低，EGR冷卻器進氣端的變形量也大幅減小。

圖11 新方案模態分析結果

EGR冷卻器強度分析同樣按照之前參數設定，分別在X、Y、Z方向施加20g加速度計算，計算結果如圖12所示，EGR冷卻器進氣端的應力值為56.5 MPa，相對于優化之前的105.1 MPa，應力值大幅度減小，滿足判斷基準值小于102 MPa的要求，如圖13所示，判定OK，故從仿真分析結果上看，優化方案滿足設計要求。

圖12 新方案冷卻器進氣端應力值

圖13 SUS430疲勞極限曲線(600 ℃)

3 試驗驗證

3.1 振動掃頻測試驗證

通過測試新方案的振動加速度，與優化之前振動加速度做對比，驗證優化方案是否有效；試驗設備：朗德24通道；三向振動傳感器，試驗工況：發動機用時120 s 100%油門開度下均勻加速由1 000 r/min升到4 000 r/min，傳感器布置如圖14所示。

圖14 新方案傳感器布置

加速度測試結果如圖15所示，在EGR冷卻器上布置了2個傳感器分別在出氣端、支架上，出氣端的振動加速度為7.26g(Z向)，相對于優化之前出氣端的振動加速度16.7g，振動加速度明顯降低，新方案對降低其振動加速度效果顯著。

圖15 新方案加速度測試結果

3.2 發動機耐久試驗驗證

對優化后的方案搭載在發動機上做臺架耐久試驗驗證，如圖16所示，分別進行了發動機共振試驗(371 h)、EGR交變試驗(1 035 h)，按某公司企業試驗大綱標準執行，實驗后EGR冷卻器未再出現過開裂失效故障，新方案耐久實驗通過。

圖16 EGR冷卻器臺架耐久試驗

4 結束語

文中通過有限元分析對某EGR冷卻器進行模態分析，再做EGR冷卻器振動掃頻試驗，測出EGR冷卻器振動加速度，然后根據實際測的振動加速度，對EGR冷卻器進行強度分析，精確計算出EGR冷卻器各部位的應力值，仿真分析的結果與實際開裂位置也相吻合。

針對該款EGR冷卻器開裂問題，在EGR冷卻器現有布置條件下，提出增加一個輔助支架措施，以提高EGR冷卻器整體模態，降低出氣端振動加速度，從而減小進氣端的應力值，經仿真分析和試驗顯示，優化方案后進氣端的應力值大幅度減小，臺架耐久試驗后未再出現開裂故障，徹底解決了EGR冷卻器的開裂問題，從而延長了EGR冷卻器的使用壽命，有效規避了市場風險。