增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管開裂原因分析*

李啟鵬 胡蓉蓉 王勇 李東利 宋志輝 袁爽 沈源 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司浙江寧波315000 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管開裂原因分析*

李啟鵬1胡蓉蓉1王勇1李東利1宋志輝1袁爽1沈源1王瑞平1，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司浙江寧波315000 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

研究了某款渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中出現(xiàn)的排氣歧管開裂問題。通過質(zhì)量檢測、CAE分析、推理演繹的方法找出排氣歧管開裂的原因，并針對(duì)原因給出整改措施，最后通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。為以后出現(xiàn)類似的問題提供了解決思路。

排氣歧管開裂熱疲勞

引言

隨著汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，作為發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵零部件，排氣歧管的使用環(huán)境也越來越惡劣。早期的發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒效率低，最高排氣溫度低于500℃，但隨著排放要求的不斷提高和渦輪增壓器技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的溫度往往大于900℃，有的甚至達(dá)到了1000℃。

隨著使用環(huán)境的惡化，排氣歧管的失效也屢見不鮮，常見的失效模式是熱應(yīng)力疲勞和高溫氧化腐蝕。其中熱應(yīng)力疲勞是由于排氣歧管因在高溫?zé)崤蛎浂a(chǎn)生壓力場的作用下產(chǎn)生塑性變形，而在低負(fù)荷時(shí)因溫度降低導(dǎo)致局部形成較高的拉應(yīng)力。這種熱應(yīng)力場的周期性變化構(gòu)成了熱疲勞應(yīng)力，其開裂通常屬于高應(yīng)力低周疲勞[1]。

1 排氣歧管開裂原因分析

在某款增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，采用的是高鎳球鐵鑄造的排氣歧管。這種材料在目前增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的鑄造上比較常用，使用溫度能達(dá)到950℃。

如圖1所示，在對(duì)完成冷熱沖擊試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn)，在排氣歧管上出現(xiàn)了三處裂紋，其中兩處裂紋是貫穿性裂紋，出現(xiàn)了漏氣，且多次試驗(yàn)均在相同部位出現(xiàn)，存在嚴(yán)重的安全隱患。

我們首先對(duì)失效樣件的裂紋位置進(jìn)行取樣，在顯微鏡下觀察其裂紋結(jié)構(gòu)，如圖2所示?？梢钥吹綌嗫诒砻嫜趸浅?yán)重，初步判斷該裂紋屬于熱疲勞裂紋，并且開裂起始于外壁。

圖1 排氣歧管出現(xiàn)裂紋的位置

1.1 質(zhì)量檢測

在知道裂紋的實(shí)際情況之后，首先對(duì)失效的樣件質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)：進(jìn)行壁厚、金相組織和化學(xué)成分檢驗(yàn)。其中實(shí)測壁厚為4mm～6mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

在裂紋附近取樣，并對(duì)其進(jìn)行金相組織檢測，如圖3所示。發(fā)現(xiàn)其石墨球化率≥90%，石墨尺寸達(dá)7級(jí)，滿足設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)將失效樣件送往第三方檢測中心，進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果如表1所示，也滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 排氣歧管裂紋處低倍形貌與高倍形貌

圖3 排氣歧管裂紋附近金相組織

表1 化學(xué)成分分析

通過質(zhì)量檢測可以判斷失效樣件并沒有質(zhì)量問題。

1.2 CAE分析

隨后對(duì)最新狀態(tài)的排氣歧管進(jìn)行溫度場分析和熱應(yīng)變、熱應(yīng)力分析。

模擬發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱循環(huán)工況，對(duì)排氣歧管溫度場進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖4所示。分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)最高溫度低于900℃，滿足歧管材料的使用要求。可見材料不是造成開裂的原因。

圖4 排氣歧管表面最高溫度

在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱循環(huán)工況對(duì)溫度場進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)之上，對(duì)排氣歧管進(jìn)行熱應(yīng)變、熱應(yīng)力分析，如圖5所示。通過CAE計(jì)算結(jié)果，我們可以看到在B1、B2位置的熱應(yīng)變超出了許可范圍，存在開裂隱患，而B1處正好是出現(xiàn)裂紋的區(qū)域。

圖5 排氣歧管表面最大應(yīng)力

根據(jù)CAE結(jié)果，最大裂紋出現(xiàn)的位置與CAE計(jì)算結(jié)果能很好地吻合，同時(shí)也印證了金相分析對(duì)裂紋屬于熱疲勞裂紋的判斷。

1.3 推理演繹

排氣歧管上出現(xiàn)了三處裂紋，且在其它試驗(yàn)中多次出現(xiàn)在相同部位，必然是由非偶然因素導(dǎo)致。接下來通過推理演繹的方法，對(duì)三處裂紋進(jìn)行分析。

針對(duì)第一處裂紋，如圖6、7所示。由于在排氣歧管的冷卻過程中，從溫度場的計(jì)算結(jié)果中可以看到，總管靠近增壓器的區(qū)域冷卻速度慢，遠(yuǎn)離增壓器的區(qū)域冷卻速度快。在冷卻時(shí)，遠(yuǎn)離增壓器的部分收縮，在總管上形成一個(gè)拉應(yīng)力。出現(xiàn)裂紋的地方是加強(qiáng)筋過渡的地方，容易形成應(yīng)力集中，所以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低。再加上右側(cè)3個(gè)支管的氣流在該處匯入總管，溫度較高，材料的力學(xué)性能受溫度的影響變得較差。所以，在該處出現(xiàn)裂紋，且裂紋走向與受力方向垂直。

圖6 排氣歧管在熱、冷工況的溫度分布

圖7 排氣歧管第一裂紋處受拉應(yīng)力示意圖

針對(duì)第二處裂紋，如圖8，9所示。由于空心管狀物體受熱然后冷卻的過程中，材料會(huì)產(chǎn)生收縮，形成一個(gè)沿著管壁的拉應(yīng)力。理想情況下，距離中心點(diǎn)相同的位置，所受應(yīng)力的大小也一樣。外壁由于冷卻速度快，溫度變化梯度大，外壁拉應(yīng)力會(huì)比內(nèi)壁稍大一些。再加上從1、2、3缸出來的高溫氣流沖擊歧管出口的左側(cè)面，造成此處溫度最高，材料性能最差。所以，在該處出現(xiàn)裂紋，且與受力方向垂直。

圖8 空心管狀物體受熱應(yīng)力示意圖

圖9 裂紋處受高溫氣流沖擊

針對(duì)第三處裂紋，如圖10、11所示。由于排氣歧管在冷卻的過程中，管壁發(fā)生收縮，沿著管路走向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力。另外，由于增壓器位于排氣歧管出口法蘭上，其上下振動(dòng)，對(duì)該區(qū)域施加了較大的機(jī)械力。對(duì)應(yīng)地，沿著管路走向就產(chǎn)生了拉應(yīng)力，與前面的熱應(yīng)力不同，該應(yīng)力屬于機(jī)械應(yīng)力。另外，出現(xiàn)裂紋區(qū)域?yàn)榧訌?qiáng)筋過渡處，容易形成應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱。最后，由于該處受到高溫排氣氣流的沖擊，此處溫度很高，材料力學(xué)性能較差。因此，在該處出現(xiàn)裂紋，且裂紋走向與受力方向垂直。

圖10 排氣歧管第三裂紋處受拉應(yīng)力示意圖

圖11 排氣氣流沖擊示意圖

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在通過CAE計(jì)算和推理演繹之后，針對(duì)三處裂紋產(chǎn)生的原因采取具有針對(duì)性的優(yōu)化措施，主要是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)第一處裂紋，沿著產(chǎn)生應(yīng)力的方向，增加兩處加強(qiáng)筋，提升排氣歧管抵抗該處熱應(yīng)力的能力。如圖12所示。

圖12 增加加強(qiáng)筋

針對(duì)第二處裂紋，對(duì)產(chǎn)生裂紋位置的倒圓進(jìn)行優(yōu)化，使其過渡更圓滑，使其受到的應(yīng)力分散，同時(shí)增加了局部區(qū)域壁厚，如圖13所示。

針對(duì)第三處裂紋，沿著應(yīng)力的方向，增加一條加強(qiáng)筋，提升排氣歧管抵抗該處應(yīng)力的能力，如圖13所示。

將優(yōu)化后的排氣歧管多次搭載在冷熱沖擊試驗(yàn)和其它試驗(yàn)上，均未再出現(xiàn)裂紋。從而驗(yàn)證了解決措施的有效性。

圖13 圓滑倒角區(qū)域并增加加強(qiáng)筋

3 結(jié)論

1）排氣歧管的失效模式主要有熱疲勞和高溫氧化腐蝕，而出現(xiàn)熱疲勞裂紋主要是由于熱應(yīng)力過大造成的。

2）熱疲勞裂紋的走向大致與所受熱應(yīng)力的方向垂直。

3）在排氣歧管的設(shè)計(jì)初期，應(yīng)該充分利用CAE計(jì)算來對(duì)設(shè)計(jì)做強(qiáng)度校核，避免后期出現(xiàn)問題。

4）可以通過增加局部壁厚和在適當(dāng)?shù)牡胤皆黾蛹訌?qiáng)筋來優(yōu)化排氣歧管的結(jié)構(gòu)，避免發(fā)生裂紋或者斷裂。加強(qiáng)筋的方向應(yīng)該與所受應(yīng)力方向平行。

5）在解決工程問題的過程中，可以充分利用質(zhì)量檢測、CAE計(jì)算、推理演繹的方法來找出問題原因，并給出針對(duì)性的解決措施。

1袁小娟，黃海武，張曉，等.6缸排氣歧管斷裂與結(jié)構(gòu)分析[J].鑄造技術(shù)，2011，32（12）：1661～1664

2萬仁芳.汽車排氣歧管材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代鑄鐵，2011（Z2）：15～22

3王立新，劉斐，潘雪偉.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管斷裂分析及其設(shè)計(jì)改進(jìn)[J].上海汽車，2007（12）：15～18

4李偉，劉柯軍，張義和，等.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管斷裂分析[J].汽車工藝與材料，2006（6）：25～26

5劉丹，袁峰，陳慧，等.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管失效分析[J].熱處理，2012，27（6）：61～65

Analysis of TC Engine Exhaust Manifold Cracking

Li Qipeng1，Hu Rongrong1，Wang Yong1，Li Dongli1，Song Zhihui1，Yuan Shuang1，Shen Yuan1，Wang Ruiping1，2
1-Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，Ltd.（Ningbo，Zhejiang，315000，China）2-Zhejiang Geely Royal Engine Co.Ltd.

In this study，we investigated the reasons why exhaust manifold of a TC engine cracked in the durability test.We figured out the courses by quality inspection，CAE calculation，deducting and reasoning. After that，we optimized the exhaust manifold's structures aimed at the causes and proved ours thoughts by durability testing.This study is to suggest an idea about solving the similar problems for design engineers.

Exhaust manifold，Crack，Thermal fatigue

TK412+.4

A

2095-8234（2014）05-0037-05

2014-08-30）

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題編號(hào)：2012AA111701。

李啟鵬（1988-），男，本科，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。