增壓發(fā)動機(jī)排氣歧管開裂原因分析

黃振霞 李 堅(jiān) 田 彤 馬學(xué)文

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007）

引言

排氣歧管作為發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，其作用是將各缸的高溫廢氣集中起來導(dǎo)入排氣總管。排氣歧管需要承載高低溫氣體的冷熱沖擊、發(fā)動機(jī)振動激勵。隨著發(fā)動機(jī)性能及排放要求的日益提高，排氣溫度也越來越高，對排氣歧管材料耐熱性的要求越來越高，熱疲勞開裂成為排氣歧管最為常見的失效模式[1-3]。

1 排氣歧管氣道開裂失效分析

在某款汽油增壓發(fā)動機(jī)的臺架耐久試驗(yàn)及熱循環(huán)試驗(yàn)中，出現(xiàn)多例排氣歧管開裂失效。裂紋位置一致，都是在3-4 氣道間出現(xiàn)貫穿性裂紋，如圖1所示。

圖1 排氣歧管3-4 氣道間貫穿性裂紋

對排氣歧管氣道開裂做故障樹分析，如圖2 所示。造成氣道開裂三大因素為：質(zhì)量問題、振動過大、熱負(fù)荷過大，分別對三大因素做失效原因排查。

圖2 排氣歧管氣道開裂故障樹分析

1.1 零件質(zhì)量問題排查

該排氣歧管材料為奧氏體耐熱鑄鋼，材料耐溫極限1 025 ℃，金相組織為奧氏體基體及晶間碳化物。

對開裂排氣歧管做泄露量、尺寸、材料成分、斷口分析、金相、硬度等做檢測，確認(rèn)零件材料符合要求、亦不存在鑄造缺陷。

1）開裂排氣歧管泄漏量超限；由于受熱變形，法蘭平面度及安裝孔的位置度超差，但在可接受范圍；開裂處壁厚檢測：圖紙要求壁厚4.5±0.5 mm，實(shí)測開裂位置4.71、4.42 mm，如圖3 所示，壁厚在公差范圍內(nèi)。

圖3 開裂處壁厚檢測

2）材料成分、硬度、金相組織均在材料標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，如表1、圖4 所示。

表1 材料成分及硬度檢測

圖4 開裂處金相組織

排氣歧管排氣熱端模態(tài)分析熱應(yīng)力分析

3）斷口分析及電鏡分析，如圖5、6 所示，裂紋斷面呈深灰色，斷面平整。

圖5 斷口分析

圖6 電鏡分析

1.2 振動過大排查

檢測臺架上發(fā)動機(jī)（缸蓋）振動、增壓器中間體及執(zhí)行器振動。由于排氣歧管溫度過高，無法直接在排氣歧管上安裝加速度傳感器，故通過檢測增壓器的振動來評估整個排氣熱端的振動水平。如圖7 所示，發(fā)動機(jī)本體的振動并無異常，在可接受范圍內(nèi)；而增壓器中間體及執(zhí)行器振動均存在超限現(xiàn)象，如圖8 所示。

圖7 發(fā)動機(jī)本體振動

該排氣歧管在國五項(xiàng)目中已經(jīng)得到充分的驗(yàn)證，并無開裂現(xiàn)象，排氣歧管及增壓器的模態(tài)均高于發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率。然而，在升級至國六后三元催化器集成了GPF，重量增加了近一倍，而與增壓器的連接結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)都沒有更新。排氣歧管開裂失效也都是出現(xiàn)在國六項(xiàng)目發(fā)動機(jī)上。分別對國五、國六排氣熱端整體（含排氣歧管、增壓器、三元催化器）做模態(tài)分析，如圖9 所示。國六排氣熱端模態(tài)只有141 Hz，低于發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率180 Hz，這是造成振動過大的原因。

圖9 排氣熱端模態(tài)分析

1.3 熱負(fù)荷過大原因排查

檢測發(fā)動機(jī)排溫，最大排氣溫度880 ℃，排氣歧管材料耐溫極限1 025 ℃，并不存在排氣溫度過高問題。

檢查氣道結(jié)構(gòu)，裂紋位于2、3 氣道交匯及4 氣道分隔處。此處是氣道分隔最小壁厚位置，處于圓角邊緣且處于凹陷部位。發(fā)動機(jī)工作時，此處同時受到第2、3、4 氣道高溫氣流的沖刷，造成過熱、產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力集中。裂紋從氣道分隔處、由內(nèi)表面向外裂穿，同時向兩側(cè)管壁延伸，如圖10 所示。

圖10 開裂處氣道結(jié)構(gòu)示意

結(jié)合CFD 溫度場分析，對排氣歧管做熱應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)：開裂部位溫度850 ℃、累積塑性變形較大如圖11 所示。進(jìn)一步驗(yàn)證了開裂部位熱負(fù)荷較大、存在熱應(yīng)力集中。

圖11 排氣歧管熱應(yīng)力分析

綜上所述，排氣歧管開裂原因?yàn)椋?/p>

1）排氣熱端模態(tài)過低、振動過大；

2）開裂處存在熱應(yīng)力集中。

2 確定解決措施

2.1 針對排氣熱端模態(tài)過低、振動過大

對排氣歧管做質(zhì)量功能展開（QFD 質(zhì)量屋，如圖12 所示）：排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置、渦輪增壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、排氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個排氣系統(tǒng)的關(guān)鍵特性。目前系統(tǒng)中存在的振動過大問題，主要是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、模態(tài)過低造成。

圖12 排氣歧管質(zhì)量功能展開

提高排氣熱端整體模態(tài)，可以有幾種方式或策略：增加增壓器支架、優(yōu)化排氣歧管結(jié)構(gòu)、優(yōu)化增壓器結(jié)構(gòu)、優(yōu)化三元催化器總成、增加三元催化器總成支架。從變更成本、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、關(guān)聯(lián)變更量、涉及的試驗(yàn)驗(yàn)證、裝配難易程度、變更周期、質(zhì)量變化幾個方面評估各方案，并進(jìn)行普氏矩陣分析，如圖13 所示。

圖13 排氣熱端模態(tài)提升普氏矩陣分析

結(jié)合QFD、普氏矩陣分析可以得出：影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動因素主要有支架位置&數(shù)量、支架&增壓器&排氣歧管&三元催化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三元催化器總成質(zhì)量。

增加三元催化器總成支架的方案，成本低廉、關(guān)聯(lián)變更量小、涉及試驗(yàn)驗(yàn)證少、變更周期短、質(zhì)量輕，無疑是最優(yōu)的方案。如圖14 所示，增加一個三元催化器總成支架后，排氣熱端一階模態(tài)由141 Hz 提高至185 Hz。

圖14 新增三元催化器支架方案

2.2 針對開裂處熱應(yīng)力集中

增大開裂處圓角半徑，使氣道過渡更為平順，減小內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

增加一個三元催化器總成支架后，排氣熱端一階模態(tài)由141 Hz 提高至185 Hz，高于發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率。在發(fā)動機(jī)臺架上做增壓器總成的振動測試，增壓器中間體振動降低3.5 g、執(zhí)行器振動降低4 g。

增大排氣歧管開裂處圓角半徑同時應(yīng)用新的三催支撐結(jié)構(gòu)，在發(fā)動機(jī)臺架耐久試驗(yàn)及熱循環(huán)試驗(yàn)中驗(yàn)證，排氣歧管開裂問題得以改善。