發(fā)動機增壓器渦殼開裂的原因及解決措施

王磊 呂清波

摘要：車用渦輪增壓技術日益普及，越來越多的人開始關注增壓器的可靠性。通常情況下，車用增壓器的工作環(huán)境溫度為1050℃附近。在此高溫下作業(yè)，渦輪開裂問題將變得頻繁。針對此問題，本文從材料選擇、結構設計、生產工藝以及工作環(huán)境等四個方面進行分析討論，研究找出渦殼開裂的風險點，并且制定相應的改善措施來降低此風險，從而提升增壓器的可靠性。

Abstract： With the popularization of vehicle turbocharging technology， more and more people begin to pay attention to the reliability of turbocharger. Normally， the working environment temperature of the vehicle supercharger is about 1050°C. In this high temperature operation， the turbine cracking problem will become more frequent. In view of this problem， this paper analyzes and discusses the material selection， structure design， production technology and working environment， studies and finds out the risk point of the vortex shell cracking， and formulates the corresponding improvement measures to reduce the risk， to increase the reliability of the supercharger.

關鍵詞：渦輪增壓技術;汽車發(fā)動機;可靠性;渦殼開裂

Key words： turbocharging technology;automotive engine;reliability;shell cracking

中圖分類號：U269.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0123-02

0? 引言

進入21世紀以來，汽車排放標準不斷提高，“高效，節(jié)能，減排”成為如今汽車發(fā)動機技術發(fā)展的首要任務。而渦輪增壓器技術是提高發(fā)動機性能的有效措施，渦輪增壓技術在提升發(fā)動機的動力性，燃油經濟性和排放性能方面有顯著的效用。隨著市場對渦輪增壓技術需求的擴大，我國渦輪增壓器產業(yè)也在進一步壯大。發(fā)動增壓的含義是，為了增大輸出功率，利用多種方式來加大發(fā)動機進氣壓力與進氣充量。汽油機就是一個利用增壓技術提高動力性，經濟性與排放性的例子。德國的道依茨公司在1926年率先使用廢氣渦輪增壓來制造其VMS158型柴油機。新的發(fā)動機功率從423kW增加到551kW，提升大約30%。在之后的發(fā)展中，汽油噴射式發(fā)動機與電控技術的研究與應用取得重大突破，增壓技術也日漸完善，廢氣渦輪增壓技術不僅使用在柴油機中，也在汽油發(fā)動機上得到應用?，F(xiàn)今，車用廢氣渦輪增壓器技術作為一種高端技術在現(xiàn)代汽車發(fā)動機中大量運用，而對于渦輪增壓器，它的一種關鍵組件是蝸殼。

1? 增壓器渦殼開裂的原因分析

1.1 從材料方面分析

通常情況下對于車用汽油機，它的排氣溫度最高可以升至1050℃。雖然說柴油機的排氣溫度相對來說要低一些，但溫度最高也能達到830℃，也是屬于非常高的溫度。在這樣的高溫環(huán)境中，渦殼材料要想正常使用，那么它就必須具有良好的性能，才能滿足在非常高的溫度環(huán)境下正常使用。那么哪些性能是蝸殼材料必須的呢？比如說較小的熱膨脹系數(shù)，較強的高溫抗氧性和高溫強度，優(yōu)良的工藝性能與狀態(tài)穩(wěn)定的顯微組織等。這些對材料來說是非常高的要求標準。因此對于渦殼材料的選擇來說要求也就非常高，需要根據(jù)實際需求選用不同的材料。在渦殼制作材料的選擇過程中一旦材料選用不合理，那么渦殼開裂的風險就會大大的提高。一般來說，選用耐溫高的材料，生產成本也會進一步增加。在這樣的情況下，一些主機廠為了節(jié)約成本，往往會偷工減料，選用耐溫不高的材料運用在高溫工作環(huán)境中，造成質量不合格，這樣渦殼開裂問題便頻繁出現(xiàn)。

1.2 從結構設計方面分析

除了渦殼制作的材料不合理造成開裂以外，如果渦殼的結構、尺寸等的設計出現(xiàn)不合理的情況，同樣也會造成渦殼開裂，這主要是因為渦殼的工作環(huán)境溫度多變且跨度大，熱膨脹率高，熱應力大。由渦殼結構、尺寸等造成的開裂，一般有以下幾種主要情況：對于渦輪安裝凸臺設計位置不合理，那么將可能產生鑄造缺陷，從而對蝸殼強度造成影響;在設計層面，如果存在結構設計不合理、模態(tài)底等問題，將可能導致渦輪開裂。在蝸殼各個面結合的地方，尤其對于流道舌頭這一部位，一旦過渡圓角設計太小，那么將容易產生熱應力集中。這也是造成渦殼開裂的一個原因。

1.3 從生產工藝方面分析

生產渦殼的過程中，通常選用鑄造成型的方法。所以說，在渦殼鑄造過程中涉及的工藝，每一個流程都將會影響渦殼的強度。比如說渦殼生產流程中包含的雜質的種類以及量的多少、一些微量元素組成比例，以及操作過程中參數(shù)的設定、工藝方法、有關模具的設計、熱處理和一些特殊處理（如孕育處理、球化處理等）等各個方面，在這眾多的方面中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，或者存在一些不合理的現(xiàn)象，那么都會給渦殼帶來不可避免的缺陷，都會造成渦殼開裂的可能。在鑄造的渦殼里面，經常遇到的渦殼缺陷主要有氣孔、熱結、金相組織異常、縮松等問題，這些問題的存在都將造成渦殼強度低、開裂等潛在風險。由此可見，生產工藝對渦殼的質量影響很大，同時也是影響渦殼是否開裂的一個重要因素。

1.4 從工作環(huán)境方面分析

在通常車用渦輪增壓器的渦殼的作業(yè)環(huán)境中，溫度跨及范圍非常大。基本上都要由常溫到超過1000℃，這就對渦殼的質量要求非常高，能適應的溫度范圍也比較廣。渦殼在使用過程中不僅需要支撐增壓器本體，而且需要鏈接和支撐各種排氣系統(tǒng)零件，如三元催化器，因此蝸殼的受力很大，尤其是對于無增壓器作為支架的蝸殼。除此之外，渦殼還需承受發(fā)動機以及整車傳導來的震動。在惡劣的環(huán)境下工作，導致渦輪開裂的因素也增大。例如，發(fā)動機NVH性能不佳或者排溫超標，都將是造成渦輪開裂的因素。

2? 針對增壓器渦殼開裂的一些改善措施

2.1 材料選擇

渦殼材料主要包括中硅鐵素體球墨鑄鐵、高鎳奧氏體球墨鑄鐵、鐵素體球墨鑄鐵、釩鑄鐵、耐熱不銹鋼、灰鑄鐵等。一般來講灰鑄鐵耐溫較低，在傳統(tǒng)的使用中，灰鑄鐵主要是用于低負荷的柴油機，隨著科技的發(fā)展，灰鑄鐵的使用已經非常少見了;雖然說鐵素體球墨鑄鐵性能要比灰鑄鐵高，但是也僅僅在熱負荷較低的柴油機中使用;中硅鐵素體球墨鑄鐵中包含相對高的硅元素與微量的鉬等元素，當排溫在650～760℃時，通常會考慮使用中硅鐵素體球墨鑄鐵，一般在柴油機中使用;釩鑄鐵的耐溫性要比中硅鉬球墨鑄鐵高，排溫在700～830℃時考慮使用，一般用于高排溫柴油機;高鎳奧氏體球墨鑄鐵，具備優(yōu)良的抗熱蠕變性和抗熱沖擊性能，可以耐高溫達到800～950℃，常用于汽油機增壓器渦殼;耐熱不銹鋼材料（1.4837、1.4848等）可耐高溫超過1000℃，用于高排溫汽油機。所以說，渦殼工作環(huán)境在溫度上有很大的差別，這樣就造成了選用的耐溫材料也存在著很大的區(qū)別，這樣可以很大程度的避免渦殼開裂問題。

2.2 結構設計

在渦殼結構設計方面，更多的是需要關注企業(yè)自身積累的經驗，來對渦殼的結構設計進行不斷的優(yōu)化。隨著科學技術的不斷發(fā)展，可以通過仿真計算軟件的運用達到仿真計算的目的，根據(jù)分析結果發(fā)現(xiàn)問題，從而避免渦殼開裂。設計者在設計渦殼時，往往是依靠以往積累的經驗，采用三維模型軟件來構建渦殼三維模型，之后做CAE、CFD仿真計算，分析出渦殼的壓力場、速度場、溫度場、模態(tài)和熱應力等的分布狀況。在此基礎上，依據(jù)計算結果發(fā)現(xiàn)問題，從而優(yōu)化結構設計以期符合渦殼設計標準。除此之外，也需要對前期制作樣件做多種試驗驗證。試驗不僅可以檢驗設計與工藝是否合理，而且也可以檢驗仿真計算的精確度如何。目前，計算的精確度隨著仿真軟件的升級換代而逐步增大，因此，對于渦殼前期設計，利用仿真計算可以有效的避免不合理的設計從而減少渦輪開裂的可能性。

2.3 生產工藝

隨著社會的發(fā)展和科學技術的提高，在生產工藝上也有了更高的要求，才能滿足現(xiàn)代渦殼的生產需要。多次改良鑄造工藝也可以減少鑄造缺陷。需要最優(yōu)化設定雜質的含量、微量元素配比、工藝的參數(shù)設定、工藝方法、模具設計、熱處理等各環(huán)節(jié)因素。在模具沒有成型時，需要對模具模流以及鑄造工藝等各個方面做一些仿真分析，從而確保工藝理論、模具等進行最優(yōu)化設計。除此之外，也需要通過試驗驗證與分析計算得出澆冒口的結構尺寸大小與所在位置，砂芯、覆膜砂所需要選用的材料，排氣口所在位置和數(shù)量等方面的最優(yōu)解，無依據(jù)的盲目確定是不可取的。熱處理及其他特殊處理（如球化處理、孕育處理等）等是產品的關鍵之處，處理制劑與參數(shù)設定也都需要最優(yōu)化設定，并且需要進行一定數(shù)量的試驗檢驗與驗證。對于之前別人歸納的方法，不可以全部搬用套用。不同的設備、材料、環(huán)境以及場地都會產生影響。因此，企業(yè)需要視各自的實際情況而定，加多試驗驗證的次數(shù)，通過試驗結果多次改良工藝，尋找最優(yōu)化的工藝方法來減少鑄造方面的缺陷，從而避免蝸殼開裂。

2.4 工作環(huán)境

對于工作環(huán)境，需要在開發(fā)這一環(huán)節(jié)中多加注意并且進行多次試驗驗證從而減少渦輪開裂的風險。在前期需要通過仿真計算軟件來計算模擬整車、整機的流場、溫度場和振動這幾個方面的表現(xiàn)，依靠所得結果來選擇有關材料與結構方面的優(yōu)化。在后期需要做樣件搭載整機、整車做一些耐久試驗的考核與NVH測試。通過實驗表現(xiàn)，迅速更換標定數(shù)據(jù)與相關材料，從而優(yōu)化增壓器單體或者是整機、整車的結構布局。早期的仿真計算優(yōu)化，有利于減少設計相關的問題;在整過程的后期階段，關于制作樣件搭載整機、整車，需要進行數(shù)次在各種極限工作環(huán)境中的可靠性驗證，有助于考察蝸殼在不同的極限工況下的工作表現(xiàn)。通常來講，如果在極限條件下無問題出現(xiàn)，那么在其他工況中發(fā)生問題的可能性也較低。

3? 結語

本文通過對蝸殼前期的設計開發(fā)，到之后的生產過程，再到最后的使用環(huán)境等多個角度進行分析討論，找出不同環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的蝸殼開裂風險與問題，并對此進行優(yōu)化改進從而減少在設計階段、生產階段與使用階段等各個階段中渦殼開裂的可能性。實踐表明，前期的仿真計算分析和后期的制作樣件試驗考核的組合方式有助于蝸殼開裂問題的分析與解決，并且可以在產品開發(fā)過程時發(fā)現(xiàn)和解決開裂問題，有效避免產品流入終端客戶手中，引起不必要的麻煩與糾紛。

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