某重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管優(yōu)化設(shè)計(jì)

(江鈴汽車股份有限公司，南昌 330030)

0 引言

近年來隨著發(fā)動(dòng)機(jī)升功率不斷升高、排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度也在不斷升高，排氣歧管的可靠性受到極大沖擊。本文針對(duì)某開發(fā)中的重型國六柴油機(jī)排氣歧管出現(xiàn)開裂問題進(jìn)行了系統(tǒng)排查，并針對(duì)開裂的根本原因提出改進(jìn)方案，使排氣歧管通過發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性耐久試驗(yàn)及其他耐久試驗(yàn)。

1 問題描述

某開發(fā)中的重型國六柴油機(jī)，其排氣歧管采用3段式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在發(fā)動(dòng)機(jī)2 500 h負(fù)荷循環(huán)臺(tái)架耐久試驗(yàn)中，中段排氣歧管在耐久試驗(yàn)進(jìn)行至400 h出現(xiàn)管壁裂紋，裂紋位置為支撐筋兩端與管壁連接處，如圖1所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)的渦前排氣溫度限值為700 ℃，試驗(yàn)過程中排氣溫度未超過限值，也無螺栓松脫。

圖1 排氣歧管裂紋位置

2 根本原因分析[1]

2.1 開裂部位鑄造缺陷

耐久試驗(yàn)前，所有的排氣歧管樣件100%通過X光探傷，無內(nèi)部鑄造缺陷。對(duì)故障件斷層進(jìn)行缺陷分析，未發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，裂紋斷層情況如下圖2所示。

圖2 裂紋斷層情況示意

2.2 開裂部位壁厚

對(duì)開裂位置周邊壁厚進(jìn)行檢查，共檢查13處，檢查結(jié)果如表1所示。由表1可見，開裂位置周邊壁厚符合技術(shù)要求，無壁厚偏厚或偏薄區(qū)域。

2.3 材料成分

排氣歧管采用高硅鉬球墨鑄鐵材料，在開裂區(qū)域附近取樣，檢測其材料成分，結(jié)果如表2所示。Si、Mo含量對(duì)材料耐高溫影響明顯，需要嚴(yán)格控制。排氣歧管開裂部位本體材料化學(xué)成分滿足設(shè)計(jì)要求，尤其是Si、Mo含量均滿足要求。

2.4 金相組織

對(duì)故障件開裂部位取樣，檢測其金相組織，結(jié)果如表3和圖3所示。由表3和圖3可知，開裂部位的金相組織符合技術(shù)要求。

表1 開裂位置周邊壁厚檢查點(diǎn)的檢查結(jié)果

表2 故障件材料化學(xué)成分檢測

表3 金相組織檢測結(jié)果

圖3 金相組織(100×)

2.5 排氣歧管結(jié)構(gòu)

2.5.1 排氣歧管外部結(jié)構(gòu)

從排氣歧管整體結(jié)構(gòu)[2](見圖4)來分析，排氣歧管結(jié)構(gòu)勻稱，氣流導(dǎo)向明顯，但中段排氣歧管靠近增壓器法蘭口的左右兩側(cè)外輪廓過渡圓角近似直角結(jié)構(gòu)，如圖4中A箭頭所示。通常排氣歧管過渡圓角小的地方容易引起熱應(yīng)力集中，并產(chǎn)生裂紋。但此次臺(tái)架耐久試驗(yàn)過程中，排氣歧管的開裂位置為中段排氣歧管支撐筋的兩端與管壁連接處，而開裂位置內(nèi)腔流道光滑且平順，由此可以確認(rèn)開裂的根本原因不是由于這兩側(cè)外輪廓過渡圓角過小引起。

圖4 3段式排氣歧管結(jié)構(gòu)外觀

2.5.2 內(nèi)腔流道形狀結(jié)構(gòu)

從內(nèi)腔整體結(jié)構(gòu)[3-4]看，各支管至總管的氣體流道光順且導(dǎo)向明顯(如圖5所示)，各缸支管和排氣歧管出口的內(nèi)腔流道截面呈長方形，而總管內(nèi)腔流道截面呈近似圓形結(jié)構(gòu)。當(dāng)高溫廢氣從總管進(jìn)入排氣歧管出口時(shí)，氣道截面由圓形突變?yōu)殚L方形，截面收縮引起氣流加速，且第1、2、5、6缸的高溫廢氣受總管的導(dǎo)向作用明顯，直接沖刷排氣歧管管壁，導(dǎo)致局部管壁熱疲勞失效，產(chǎn)生裂紋。由此可見，總管至排氣歧管出口的流道突變和總管的導(dǎo)向作用是導(dǎo)致排氣歧管熱疲勞開裂的根本原因。

圖5 排氣歧管整體氣體流道內(nèi)腔

3 排氣歧管優(yōu)化方案

3.1 中段排氣歧管流道優(yōu)化

為了解決高溫廢氣直接沖刷排氣歧管出口管壁問題，從設(shè)計(jì)上將第3、4缸的支管和排氣歧管出口與總管連接處的流道進(jìn)行圓滑過渡設(shè)計(jì)，盡可能地?cái)U(kuò)大過渡圓角，使高溫廢氣能夠順暢地從總管流向排氣歧管出口，改進(jìn)效果如圖6所示。

圖6 排氣歧管優(yōu)化

3.2 外部結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5]

將外壁靠近增壓器法蘭口的左右兩側(cè)外輪廓過渡圓角設(shè)計(jì)得盡可能的大，避免該區(qū)域熱應(yīng)力集中而引起新的開裂問題，如圖7中A所示。并將中段排氣歧管的支撐筋延伸到相鄰2缸排氣歧管法蘭上，如圖7中B所示，這樣有助于將熱應(yīng)力傳遞到法蘭上，而不是直接作用在管壁上，可以提高開裂區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并增加開裂區(qū)域的散熱效果。

圖7 中段排氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4 改進(jìn)效果分析

為了分析優(yōu)化方案效果，對(duì)排氣歧管原設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案進(jìn)行熱態(tài)機(jī)械疲勞(thermal mechanical fatigue，TMF)對(duì)比分析[6-7]。根據(jù)邊界條件，建立排氣歧管3維數(shù)模(如圖8所示)，用于TMF分析。TMF分析主要關(guān)注零件溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場、穩(wěn)態(tài)溫度最大值等。零件的穩(wěn)態(tài)溫度最大值不能超過材料的許用溫度，否則會(huì)導(dǎo)致材料質(zhì)變，喪失高溫力學(xué)性能并引起失效。零件溫度主要與廢氣溫度相關(guān)，而應(yīng)力應(yīng)變場主要與零件結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。通常從應(yīng)力應(yīng)變場中可以看出整個(gè)零件的所有薄弱點(diǎn)，而這些薄弱點(diǎn)正是潛在的失效點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。

圖8 排氣歧管熱力學(xué)邊界計(jì)算模型

本次計(jì)算由CFD團(tuán)隊(duì)提供一維熱力學(xué)邊界，并應(yīng)用Abaqus 6.41-1軟件模擬加熱10 min和冷卻10 min的試驗(yàn)工況，重復(fù)迭代4次后，對(duì)比分析歧管中段改進(jìn)前后的表面最高溫度、等效塑性變形、等效蠕變應(yīng)變和等效非彈性應(yīng)變?cè)隽?。?duì)比分析結(jié)果如圖9～12所示。

圖9 優(yōu)化前后排氣歧管表面溫度分布

圖10 優(yōu)化前后排氣歧管等效塑性應(yīng)變

圖11 優(yōu)化前后排氣歧管等效蠕變應(yīng)變

圖12 優(yōu)化前后排氣歧管等效非彈性應(yīng)變?cè)隽?/p>

排氣歧管中段表面最高溫度原設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案基本一致，但后者的最大等效非彈性應(yīng)變?cè)隽拷档土?2%，由3.4×10-4降低至1.3×10-4，最大等效塑性應(yīng)變和最大等效蠕變應(yīng)變也有明顯改善。從整體的TMF對(duì)比分析[8]結(jié)果來看，優(yōu)化方案降低熱態(tài)機(jī)械疲勞效果明顯。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)的合格樣件順利通過了2 500 h負(fù)荷循環(huán)臺(tái)架耐久試驗(yàn)和2 500 h混合循環(huán)臺(tái)架耐久試驗(yàn)?；旌涎h(huán)臺(tái)架耐久試驗(yàn)是集最大功率、最大坡度、最大扭矩、斜坡加減速等工況為一個(gè)循環(huán)的臺(tái)架耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，排氣歧管無漏氣現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)束后，排氣歧管內(nèi)外表面均無微裂紋，如圖13所示。

圖13 臺(tái)架耐久試驗(yàn)后的排氣歧管外觀

6 結(jié)論

1)材料滿足工作溫度的情況下，排氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和內(nèi)腔流道設(shè)計(jì)對(duì)排氣歧管的使用壽命影響很大。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)避免高溫廢氣直接沖刷局部管壁問題，以免產(chǎn)生局部熱疲勞失效，產(chǎn)生裂紋。

2)除進(jìn)出氣口附近連接通道以外的氣道截面應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成圓形或者橢圓形，盡量避免方形或長方形；各支管和排氣歧管出口與總管之間過渡區(qū)域盡可能地圓滑過渡。

3)排氣歧管過渡圓角應(yīng)盡可能的大，避免局部區(qū)域熱應(yīng)力集中而產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。

4)零件開發(fā)設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，通過TMF分析可有效提高優(yōu)化方案的成功率，并極大地縮短排氣歧管的驗(yàn)證時(shí)間，從而降低排氣歧管的開發(fā)驗(yàn)證費(fèi)用。