發動機排氣管漏氣失效分析與改進

摘要：為解決某發動機在耐久試驗過程中出現的排氣管嚴重漏氣問題，分析排氣管材料、螺栓力矩、排氣管與增壓器和氣缸蓋結合法蘭平面度，結合排氣管、氣缸蓋、墊片的面壓試驗結果，確認排氣管漏氣原因，并對排氣管結構進行針對性優化，對優化后的排氣管進行面壓試驗和臺架試驗驗證。結果表明：排氣管墊片密封帶不均勻、不連續，部分位置面壓較小，排氣管法蘭面平面度不滿足要求，法蘭面加工后嚴重變形是排氣管漏氣的主要原因；結合仿真計算的排氣管墊片密封性能，在排氣管漏氣位置增加加強筋、增大排氣管法蘭面厚度，解決了排氣管漏氣故障。

關鍵詞：排氣管；漏氣；失效分析；平面度；面壓

中圖分類號：TK423.4文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）03-0068-05

引用格式：王利平，張玉娟，李群力，等.發動機排氣管漏氣失效分析與改進［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（3）：68-72.

WANG Liping， ZHANG Yujuan， LI Qunli， et al.Failure analysis of engine exhaust pipe leakage and its improvement［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（3）：68-72.

收稿日期：2022-06-07

第一作者簡介：王利平（1987—），女，山東菏澤人，工學碩士，工程師，主要研究方向為發動機裝試工藝，E-mail：wangliping02@weichai.com。

DOI：10.19471/j.cnki.1673-6397.2024.03.011

0" 引言

隨著我國國六排放標準的實施和油耗要求的提高，發動機熱效率越來越高，爆壓和廢氣溫度大幅度提高，對發動機排氣系統的要求越來越高。排氣系統長時間在高溫高壓環境下運行，工作環境惡劣，容易導致排氣管斷裂、漏氣等故障發生。

排氣管是發動機排氣系統中關鍵的零部件，安裝在氣缸蓋排氣側與增壓器之間，排氣管與相鄰2個零部件之間的結合面均采用法蘭面加墊片進行連接、密封。發動機運行過程中，受不同工況影響，排氣管不僅長時間受熱變載荷影響，同時承受固定增壓器的作用力，在受力與冷熱交變的情況下，容易導致排氣管漏氣、裂紋和排氣管螺栓斷裂等故障，影響發動機正?？煽窟\行。排氣系統的高溫密封問題一直是業內難題。由于排氣管系統工作在復雜的高溫高壓環境，零部件故障分析很難模擬還原運行工況，發動機機型、排氣系統結構、溫度變化、受力結構等邊界條件對高溫密封的實際要求都產生較大影響，因此必須對不同發動機進行針對性地分析，提出有針對性的實施方案，才能有效解決排氣管高溫密封故障［1］。

本文中針對某柴油機在使用過程中出現的排氣管漏氣問題，對排氣管進行失效分析，并結合仿真技術計算評估，分析確認故障原因，并對排氣管結構進行優化，保證發動機排氣系統的可靠性。該分析方法可以為排氣管設計提供經驗，避免設計仿真與實際零部件狀況不一致現象。

1" 排氣管密封失效分析

某柴油機在使用過程中出現排氣管與缸蓋結合面漏氣故障，該發動機的整體式排氣管結構如圖1所示。每個氣缸通過2顆耐高溫材質排氣管螺栓并分別隔以套筒后對角固定在氣缸蓋上，套筒主要用于隔熱，降低高溫對排氣管螺栓的影響，減小螺栓高溫蠕變，從而減少螺栓的轉矩衰減，降低漏氣風險。

增壓器法蘭位于發動機第2、3缸之間，用于連接固定增壓器，此處承受增壓器重力。該柴油機為國六高效機型，無廢氣再循環（exhaust gas recirculation，EGR）系統，EGR取氣口采用蓋板和墊片的密封結構；排氣管和缸蓋之間的密封同樣采用耐高溫的不銹鋼墊片，并有雙層波型結構，維持彈性壓縮及回彈，保證氣缸蓋和排氣管結合面之間的密封，保證從氣缸蓋排氣道出來的廢氣不泄露。

該柴油機在耐久試驗過程中出現排氣管漏氣故障，通過現場觀察，發現該柴油機在排氣管與第2、3缸缸蓋的結合面漏氣嚴重，其他部位漏氣不明顯，導致發動機運行異常。根據經驗分析排氣管漏氣原因可能為：排氣管材料不合適、排氣管螺栓松弛、排氣管螺栓緊固工藝不合適、排氣管與缸蓋接觸法蘭面平面度不合格等［1-5］。因此，對以上原因進行測試分析，查找排氣管漏氣的原因。

1.1" 材料

排氣管、排氣管螺栓、套筒、排氣管墊片選用的材料及主要物理參數如表1所示，因不同溫度下材料的物理特性不同，表1中數據是材料在溫度為20 ℃時的物理參數。

發動機運行過程中實時監測的渦輪增壓器前、后溫度如圖2所示。由圖2可知：渦輪增壓器后最高排氣溫度為560 ℃，渦輪增壓器前最高排氣溫度為680 ℃，最高排氣溫度均不高于700 ℃。設計時該排氣管選材料為耐熱鑄鐵，許用工作溫度低于760 ℃，材料能夠滿足使用要求［6-8］。

1.2" 螺栓力矩

排氣管螺栓為8顆M10的耐高溫螺栓，

螺紋部位涂抗咬合劑，理論上要求排氣管螺栓最終力矩為65～80 N·m，排氣管螺栓緊固順序如圖3所示。螺栓安裝工藝要求按照圖3中序號1～8的順序分3次緊固螺栓，第一次緊固力矩25 N·m，第二次緊固力矩50 N·m，第三次緊固后力矩要求達到65～80 N·m。

對排氣管螺栓力矩進行檢測，拆除和緊固排氣管時測量的螺栓力矩如表2所示。由表2可知：排氣管螺栓按照工藝順序緊固后的最小力矩為71 N·m，最大力矩為95 N·m，最小力矩大于最小理論力矩；拆除排氣管時排氣管螺栓的最小力矩為67 N·m，最大力矩為94 N·m，最小力矩大于最小理論力矩，表明排氣管螺栓并未松弛，排氣管漏氣并非排氣管螺栓松弛導致。

1.3" 平面度檢測

排氣管平面度的圖紙標注為“單個平面，共4處，平面度為0.05 mm，整體平面度為0.10 mm”，即要求單個法蘭面的平面度不大于0.05 mm，4個法蘭面整體平面度不大于0.10 mm。用百分表測量故障排氣管第1～4缸的單缸法蘭面平面度，靠近缸蓋側法蘭面的平面度均為0.04 mm，一致性較好；靠近機體側法蘭面的平面度均為0.14 mm，一致性也較好；靠近機體側的排氣管法蘭面平面度均比靠近缸蓋側的排氣管法蘭面平面度大，機體側排氣管法蘭面平面度不滿足圖紙要求，且趨勢一致，初步判定排氣管漏氣原因為排氣管法蘭面平面度問題［9-11］。

1.4" 故障原因確認

對故障排氣管、氣缸蓋、墊片進行面壓試驗，故障排氣管墊片壓力分布試驗結果如圖4所示。由圖4可知：各缸排氣管墊片的總體密封帶不均勻、不連續；第2缸法蘭左側、第3缸法蘭右側位置密封帶出現局部間斷，間斷位置無壓力，此位置密封失效；有面壓的位置最小密封壓力小于10 MPa；第1、4缸法蘭密封帶不均勻，部分位置壓力較低。領取相同件號的新排氣管做相同的面壓試驗，結果與故障排氣管的面壓結果相同。

對排氣管密封進行仿真計算，計算時采用最小螺栓軸力，同時考慮溫度和加速度對密封的影響。排氣管墊片密封面面壓仿真計算結果如圖5所示。

由圖5可知：計算得到的第1～4缸排氣管墊片最小面壓分別為40、34、35、50 MPa ，最小面壓大于10 MPa，滿足設計要求。

通過平面度測量結果及面壓試驗結果可知：排氣管法蘭變形較大，已經超出墊片的補償能力，排氣管漏氣故障原因為排氣管法蘭面嚴重變形導致。

2" 優化與驗證

優化排氣管加強筋，增加排氣管法蘭面厚度，可以降低法蘭面的熱變形［12］，保證墊片的彈性壓緊。因此在排氣管的第2、3缸之間，也就是漏氣位置增加了加強筋結構，同時增大法蘭面的厚度，改進后的排氣管結構如圖6所示。

為驗證優化后的排氣管性能，對優化后的排氣管進行面壓試驗，結果如圖7所示。由圖7可知：第2缸法蘭右側、第3缸法蘭左側位置密封帶間斷現象消除，各缸密封帶面壓均大于10 MPa，該排氣管優化措施有效，解決了該型號發動機排氣管漏氣故障。

將優化后的排氣管重新進行臺架試驗驗證，未再發現有漏氣現象，改進措施有效。

3" 結論

1）綜合分析排氣管的材料、排氣管螺栓力矩、排氣管法蘭面平面度，可知排氣管法蘭面加工后嚴重變形是導致該型號發動機漏氣的原因；為防止排氣管因加工等問題帶來排氣管密封法蘭的變形，在產品開發前端的設計階段，需充分考慮零部件的實際加工過程中帶來的不利因素。

2）在排氣管故障位置增加加強筋，增大排氣管法蘭面厚度，可以解決該發動機排氣管漏氣故障。

3）結合故障與仿真結果，通過仿真手段預測風險位置，可以快速鎖定故障原因；通過優化設計后的仿真結果，對故障件的改進措施的可靠性做出有效評估；通過仿真手段提高解決故障的效率，避免因措施無效浪費資源和耽誤產品的開發進度。

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Failure analysis of engine exhaust pipe leakage and its improvement

WANG Liping1，2， ZHANG Yujuan1，2， LI Qunli1，2， ZHANG Wenxia1，2

1.State Key Laboratory of Engine Reliability， Weifang 261061， China;

2. Weichai Power Co.， Ltd.， Weifang 261061， China

Abstract：In order to solve the problem of air leakage in exhaust pipe of an engine during the durability test， an analysis of the exhaust pipe material， bolt torque， flange face flatness of the exhaust pipe in conjunction with the turbocharger and cylinder head is conducted. Surface pressure tests of the exhaust pipe， cylinder head， and gaskets are carried out to identify the cause of the exhaust pipe air leakage. A targeted optimization of the exhaust pipe structure is performed， and the optimized exhaust pipe is validated through surface pressure tests and bench testing. The results show that the exhaust pipe gasket sealing strip is uneven and discontinuous， with lower surface pressure at some positions. The flange face flatness of the exhaust pipe does not meet requirements， and severe deformation after flange face processing is the main cause of the exhaust pipe air leakage. By combining the simulation calculation of the exhaust pipe gasket sealing performance， adding reinforcement ribs to the exhaust pipe and increasing the thickness of the exhaust pipe flange face， the problem of exhaust pipe air leakage has been resolved.

Keywords：exhaust pipe;air leakage;failure analysis;flange face; surface pressure

（責任編輯：劉麗君）