某車型驅動耐久渦輪增壓器故障案例分析

0 引言

汽車的耐久可靠性是評價汽車質量的重要參數之一，而驅動耐久試驗是一項專門針對引擎及驅動系(包含底盤)為主體的耐久信賴性確認方法。主要驗證發動機、變速箱、驅動軸、排氣系統等驅動系統的匹配性、耐久可靠性及實用性。其中渦輪增壓器作為發動機的重要組成部件，其在提升發動機的動力性、燃油經濟性等方面具有重要作用，在目前燃油汽車上得到了廣泛的應用。因此，在國家倡導“高效、節能、減排”的大背景下，對增壓器故障問題的分析及解決顯得尤為重要。

伊比利亞黑豬生活在西班牙的叢林地帶，是人工培育出來的優良品種。因為常被放養于山間林地，所以伊比利亞黑豬的習性更接近于野豬。

農村產業融合是一場新的產業技術革命，是中國農業發展的必然選擇[1]。近年，東營市作為國家級現代農業示范區，農業農村經濟發展方式轉變迅速推進，農業產業化集群初具規模，農村一、二、三產業融合發展。但是，一、二、三產業的融合發展遇到了許多問題和矛盾，亟需解決。加快東營市農村一、二、三產業的融合發展勢在必行、刻不容緩。

1 驅動耐久試驗方法

該車為家用7座SUV車型，7速DCT自動擋，車重1850 kg，搭載1.8 T渦輪增壓發動機，其最大輸出功率為180 kW，最大輸出扭矩達290 N·m。首先將車輛加載到全載荷狀態，在高速環形道路上(北京通縣試驗場)進行全速全負荷工況驅動耐久試驗。具體操作流程為：第一步，將車輛從靜止狀態掛入D檔，進行全油門加速，直至車速達到最高車速(175 km/h),將車輛維持在最高車速行駛10km，第二步，松油門滑行減速直至車輛停止，第三步，掛入R檔，進行全油門加速至最高轉速(R檔一般限制在2000rpm)維持30 s，滑行減速至車輛停止，此為單次循環。反復循環600次(60000+ km)。

2 問題描述

試驗進行至443循環時，出現渦輪增壓器超壓報警，未對渦輪增壓器進行更換，繼續進行直至試驗完成。經過整車驅動耐久試驗后，渦輪增壓器功能失效。拆下渦輪增壓器，經檢查，發現增壓器拉桿卡滯，執行器總成卡死，廢氣閥門搖臂軸和襯套卡死；增壓器渦殼出現3處貫穿裂紋(如圖1所示)。

3 問題原因分析

3.1 渦殼開裂原因分析

根據干涉式光纖陀螺在開環狀態下的方波相位調制系統，其結構如圖3，分析光纖陀螺的輸出特性.在如圖2所示的順逆時針光束傳輸路徑情況下，若用表示在B處發生串擾輸出的一次環行波∥→A(∥)→R(⊥)→B(∥)→E(∥)→F(∥)→∥，那么，以此類推，5τ、6τ、7τ、8τ時隙CW的輸出光場強度表示為

同供應商確認，該型號渦輪增壓器已是量產狀態，在其他多個項目上已有量產實績，目前市場未反饋類似故障。拆解切割確認開裂位置內部無氣孔、縮松無異常，金相組織分析無異常。此外，在開發該渦輪增壓器時單品實施了3000個循環的冷熱沖擊試驗，結果無異常。發動機交變負荷試驗時渦輪增壓器有發生內部裂紋。但據換比推算，此壽命相當于用戶使用10年后才會陸續發生這些裂紋導致性能影響。因此，增壓器的結構設計和生產工藝可滿足客戶實用性需求。

3)發動機排氣溫超標：國六排放標準發布后，針對汽車尾氣排放要求越來越嚴格，整車發動機標定時必須要大幅度提升排氣溫度，以達到將污染物更高的燃燒，以此來滿足國家排放標準的要求，同樣高溫也必然將導致相關零部件工作環境劣化。渦輪增壓器材料在高溫高壓工作環境下發生開裂，即工作環境溫度超過材料的極限耐溫

。

棲息在南美洲的一種禿鷲選擇用“崖葬”的方式送走同類。當同伴死去，大家就將尸體撕成碎片，用利爪將這些碎片送到高山崖洞之中，放好之后在崖洞的上空不停地盤旋，以悼念死者。

所羅門群島地震（MW6.2）于2003年6月12日發生在太平洋地區的所羅門群島附近，震源深度185km。該地區的地質構造非常復雜（Mann and Taira，2004），而且我們沒有發現對于此事件的任何詳細論述的文章。因此，不能將我們的結果與以前的研究作比較。我們確定的震源橢球很細長，沿單一的主軸延長，表明破裂為單向擴展。平均破裂速度被認為有3.2km／s的現實值（表2）。此外，因為它合理地高于零，我們可以認為擴展是單邊的。剩余的二階矩參數匯總于表2和圖7所示。

3.2 廢氣旁通閥拉桿卡滯原因分析

因此在該案例中，廢氣旁通閥拉桿卡滯原因可能是由于在高溫高壓環境下增壓器襯套材料發生脫落，導致廢氣閥門搖臂軸和襯套卡死，使得執行器卡死，最終導致增壓器功能失效。

渦輪增壓器廢氣旁通閥主要是控制增壓壓力。因為隨著發動機轉速的提升，廢氣量越來越大，增壓器轉速越來越高，增壓壓力和增壓器內部溫度也隨之升高。若增壓壓力超過極限閾值必然會導致增壓器損壞，所以在增壓壓力達到最大承受能力時就需要打開廢氣旁通閥，讓一部分廢氣從旁通閥直接進入排氣管，以此控制增壓壓力和增壓器內部溫度，防止損壞增壓器等零部件

。

4 問題調查及評估

4.1 問題調查

4.1.1 渦殼開裂原因確認

1)結構設計：結構設計方面不合理，如渦殼流道、過渡圓角、壁厚等設計不合理，均會影響渦殼強度

；

2)生產工藝：鑄造工藝對渦殼強度具有較大影響，常見的氣孔、縮松、熱結、金相組織等缺陷都會導致渦殼強度低、開裂等問題

；

BIF表示制造任務的基本屬性集合，包括任務名稱、標識、內容、任務發布者等信息，BIF=(MTName,MTFlag,MTIntro,MTCustomer)，其中：MTName表示制造任務名稱，MTFlag表示制造任務標識，MTIntro表示制造任務內容，MTCustomer表示制造任務發布者。

為了進一步確認該增壓器故障是否可控，通過測溫線監控排氣溫度。當排氣溫度控制在相對較低范圍內(860℃以下)，同樣在極限工況下運行，隨著時間的積累，增壓器性能衰退，排氣溫度也會逐步升高，但增壓器未發現裂紋，表明控制排氣溫度在材質耐溫范圍之內，增壓器不會出現開裂異常。

4.1.2 拉桿卡滯原因確認

從整車運行的工況采集數據分析確認，存在有發動機排氣溫超的情況(超過渦輪增壓器鑄鋼材質極限耐溫950 ℃)。且經過長時間極限工況運行后，渦輪增壓器也會存在一定的劣化，導致性能衰減，效率變低，增壓壓力減小，并且增壓器內表面附著相關的汽油或機油成分；從發動機標定的邏輯分析，此時若發動機還是需要輸出相同的扭矩，那么增壓器可能就需要更多的進氣量以及增壓器的轉速也提升，目的是保證增壓器的效率保持一致，那么增壓器內部的溫度必須然也會升高，再加上增壓器內表面存在相關的附著物發生燃燒，那么最終導致增壓器裂紋，甚至出現貫穿性裂紋。

根據前期開發發動機單品耐久性試驗—交變負荷試驗也出現過類似問題，分析確認后得出原因在于發動機排溫過高導致。于是通過更換新的增壓器，控制發動機排溫在增壓器耐溫范圍內，再進行試驗，試驗正常完成。以此得出發動機排溫高會引起渦輪增壓器襯套熱變形，導致執行機構卡死，最終導致增壓器失效。

根據以上狀況綜合分析，增壓器故障產生過程可描述為：發動機排氣超溫，試驗過程增壓器性能不斷劣化，當試驗進行443循環時，增壓器此時已發生執行機構卡滯，出現增壓器超壓報警。即：高溫高壓→襯套材料脫落→廢氣閥門搖臂軸和襯套卡死→執行器卡死；在后續20000 km的驅動耐久工況下，因廢棄旁通閥卡死在關閉狀態，導致渦輪增壓器內部更高的壓力和溫度，進一步加重渦殼開裂直至出現貫穿裂紋。

4.2 問題評估

通常來說，零部件經過長時間進行極限工況，都會出現相應的故障問題。就比如產商內部進行單品極限耐久試驗，交變/Pmax試驗都會存在增壓器內部裂紋，而做城市工況耐久試驗的時候增壓器無裂紋。市場用戶通常情況不會長期長時間維持處于極限工況駕駛，增壓器出現故障的幾率較小。根據BMW對中國客戶駕駛習慣調查(如圖3所示)，大多數用戶都是低速低負荷工況使用整年，因此針對于增壓器出現失效的幾率小，屬于低風險故障。

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同時根據渦輪增壓器廠商的熱應力分析(如圖2中三個位置所示)，熱應力受力點與試驗后渦殼發生的裂紋相吻合，懷疑渦殼開裂是因為發動機排氣高溫導致。此外，根據鑄鋼增壓器材質耐溫極限(穩態最高950 ℃，瞬態不超過980 ℃)，驅動耐久試驗過程中數據監測確認存在超溫的情況(超過950 ℃)，進一步證實排溫高是造成渦殼裂紋的原因。

5 問題對策

如4.2中問題評估所述，由于驅動耐久屬于極限工況試驗，客戶長期長時間維持使用到的概率極小，且渦輪增壓器已是量產狀態，并已在其他相關項目上使用，已經經過市場面驗證，目前未反饋有類似故障。因此，表明該試驗條件下的增壓器故障屬于低風險故障。為進一步防患未然，我們也針對性的提出如下改善應對策略：

通過Delphi檢查發動機標定程序中的排溫保護限制，增加預估溫度保護措施來解決排溫高的問題，限制7檔最高車速至170 km/h以下。

6 對策驗證

通過采集整車運行參數再次確認，當道路駕駛車速控制近170 km/h時，發動機排溫正常，未超過排溫極限；而當道路駕駛175 km/h時發生排溫超溫。

1)限速排溫保護

通過實驗表明超溫問題在175 km/h工況，采用如圖4所示標定限扭，所有檔位最大車速限到170 km/h。該車速通過反復試驗測量排氣岐管溫度在930 ℃以下。

2)降七擋扭矩降低排溫

通過限制七檔扭矩，采用如圖5所示標定限扭，主要限制7檔轉速3400 rpm以上扭矩，避免其他工況受影響，參考車速170 km/h工況，大概需要扭矩限制到250 N?m左右，這可能導致7檔最高車速低于175 km/h。

3)降扭排溫保護

采用如圖所示6所示排溫保護限扭標，定空燃比11以下，1200K溫度以上采用降5%扭矩。高排溫下，降低整車動力。通過降排溫，保護渦輪增壓器。

7 結語

本文針對某車型在進行極限工況駕駛的驅動耐久試驗后，渦輪增壓器出現的渦殼裂紋、拉桿卡滯、渦輪增壓器失效等故障問題，通過故障理論分析、逐項進行排查、再結合熱應力分析，最終將增壓器故障確定為發動機排溫高導致。再通過分析表明排氣高溫導致渦殼開裂，同時排溫高引起村套熱變形，導致執行機構卡死，并提出有效的保護應對策略。試驗驗證表明，通過限速排溫保護、降七擋扭矩降低排溫和降扭排溫保護等對策可有效降低發動機排溫，從而實現對增壓器的保護。有效的解決了問題，使車型順利進入量產，同時也為今后在其他新車型開發過程中出現類似故障提供一定的參考依據。

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