某微型車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管連接密封環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

安豐明 房桂珍 杜克強(qiáng)

上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司 山東省青島市 266599

1 引言

隨著國家對(duì)排放要求的提高，尤其國六排放的限期實(shí)施，汽車制造企業(yè)都不得不采取各種解決方案來應(yīng)對(duì)排放法規(guī)和整車油耗要求，其中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化是不可避免的，如渦輪增壓器、缸內(nèi)直噴、廢氣再循環(huán)等，在通過提高燃燒效率凈化排氣同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒壓力和溫度會(huì)隨之提高，而溫度提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，苛刻的高溫排氣使得排氣系統(tǒng)法蘭結(jié)合面的密封變得十分困難，而法蘭結(jié)合面泄漏不僅會(huì)引起用戶的質(zhì)量抱怨，而且會(huì)影響排放和燃料消耗量不達(dá)標(biāo)。本文就是在此背景下，對(duì)某微型車在市場使用過程出現(xiàn)了排氣系統(tǒng)密封環(huán)被燒蝕，引起漏氣故障的分析和改進(jìn)。

2 市場故障現(xiàn)象

2.1 排氣系統(tǒng)泄露位置結(jié)構(gòu)

圖1、圖2 所示

圖1 密封環(huán)密封位置外圖圖2 密封環(huán)密封結(jié)構(gòu)剖解圖

2.2 市場上密封環(huán)燒蝕現(xiàn)象

a 密封環(huán)石墨層被發(fā)動(dòng)機(jī)高溫氣體燒蝕，只剩不銹鋼骨架；圖3 所示。

圖3 密封環(huán)燒蝕只剩骨架圖片 圖4 壓縮彈簧長度衰減（中間）

b 壓縮彈簧長度衰減，對(duì)連接位置壓緊力降低。圖4 所示。

3 排氣岐管與三元催化器管連接位置密封介紹

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣岐管與三元催化器及消聲器的連接方式，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)受力分析、噪音等因素決定選擇密封環(huán)結(jié)構(gòu)的軟連接還是密封墊硬連接，基于以上考慮，本車型設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣岐管與三元催化器管連接部位采用了密封環(huán)軟連接，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的受力狀態(tài)，此連接方式不能從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行替換，要解決市場密封環(huán)燒蝕的現(xiàn)象，只能在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.2 密封環(huán)結(jié)構(gòu)的密封面是一個(gè)動(dòng)態(tài)的結(jié)合面，受高溫排氣影響會(huì)使排氣歧管受熱膨脹，又會(huì)因?yàn)闇囟冉档投湛s，使排氣管密封環(huán)的工作條件比較惡劣：有500-700 ℃的高溫、具備較大的耐磨和彈力、承受高溫氣體的壓力、高頻振動(dòng)等。

3.3 密封環(huán)結(jié)構(gòu)：環(huán)狀密封體由不銹鋼金屬絲構(gòu)成環(huán)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)體和膨脹石墨、云母等具有耐熱性與氣密性的無機(jī)材料壓縮為一體。

3.4 壓縮彈簧對(duì)密封環(huán)壓緊說明：

圖5

4 密封環(huán)燒蝕原因分析

4.1 密封環(huán)密封性耐久測試

a.開發(fā)一個(gè)可以模擬排氣管密封環(huán)在整車上的工作環(huán)境試驗(yàn)臺(tái)，如圖6 所示，使密封環(huán)在高溫、高壓、震動(dòng)的環(huán)境下測試其耐久性。

圖6 密封環(huán)密封性能耐久試驗(yàn)臺(tái)

表1 試驗(yàn)參數(shù)

5 總結(jié)

b.試驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)常規(guī)工況開展臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)彈簧進(jìn)行700 ℃高溫耐久測試，試驗(yàn)進(jìn)行至700-800 萬次，如圖7 所示，震動(dòng)頻次和泄露量系統(tǒng)開始出現(xiàn)漏氣，拆解后發(fā)現(xiàn)彈簧大端節(jié)距間隙幾乎為0mm，如圖8 所示與售后故障件表現(xiàn)一致，但密封環(huán)未出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。

圖7 震動(dòng)頻次和泄露量趨勢圖

圖8 試驗(yàn)彈簧大段節(jié)距衰減為0

a.3.2 模擬試驗(yàn)臺(tái)耐久試驗(yàn)結(jié)果密封環(huán)并無損傷，彈簧壓緊力是引起密封壞損壞因素，但不是初始原因，對(duì)密封環(huán)環(huán)境溫度進(jìn)一步分析。對(duì)該車型發(fā)動(dòng)機(jī)在密封環(huán)位置的排氣溫度進(jìn)行測試，密封環(huán)石墨層耐溫700℃，如圖9 所示，經(jīng)測量，此車型發(fā)動(dòng)機(jī)在高車速轉(zhuǎn)速區(qū)排氣溫度達(dá)900℃。

圖9

b.在試驗(yàn)車上進(jìn)行密封環(huán)壞路路試，經(jīng)過2.3 萬公里實(shí)驗(yàn)，如圖10 所示，密封環(huán)裸露在排氣管內(nèi)部的小端開始出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，確定高溫?zé)g是引起密封環(huán)燒蝕的導(dǎo)火索。

圖10

6 結(jié)論

測試結(jié)果顯示，引起此車型的密封環(huán)被燒蝕有2 個(gè)影響因素：

a.整車發(fā)動(dòng)機(jī)在高車速狀態(tài)下工作，排氣管內(nèi)的溫度會(huì)高于密封環(huán)石墨層承受溫度，導(dǎo)致裸露在排氣管內(nèi)的密封環(huán)端部區(qū)域開始燒蝕；

b.壓縮彈簧在高溫環(huán)境下長期工作，長度出現(xiàn)衰減，導(dǎo)致壓縮力不足，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣岐管和三元催化器管的連接力降低后，兩者動(dòng)態(tài)撞擊加速了密封環(huán)石墨層的損壞。

7 解決方案與性能測試

7.1 針對(duì)壓縮彈簧長度衰減，從改進(jìn)彈簧材質(zhì)，提高壓縮彈簧彈簧力耐久性能入手，將材質(zhì)由碳素彈簧鋼絲 65Mn-DGB437-89 改為不銹鋼：W200CU-1，對(duì)新狀態(tài)彈簧進(jìn)行測試（新狀態(tài)彈簧材質(zhì)中Cr/Mn 等含量高，耐熱性能更優(yōu)），在900℃環(huán)境下1200 萬次未失效，估算整車行駛里程＞50000km，彈簧未出現(xiàn)明顯衰減，系統(tǒng)密封能力顯著提升。

表2 壓縮彈簧更改前后材質(zhì)對(duì)比

圖11 新彈簧密封耐久試驗(yàn)

圖12 新彈簧試驗(yàn)后狀態(tài)

7.2 針對(duì)排氣管密封環(huán)石墨層高溫?zé)g現(xiàn)象，優(yōu)化密封環(huán)的結(jié)果，將與密封環(huán)與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣岐管接觸面的石墨層取消，改為網(wǎng)狀不銹鋼骨架直接接觸，如圖13所示：

圖13

新結(jié)構(gòu)密封環(huán)安排試驗(yàn)車壞路上進(jìn)行3萬公里路試，圖14 所示密封環(huán)沒有出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。

圖14 新密封環(huán)路試3 萬公里后狀態(tài)

測試結(jié)果表明，通過更改壓縮彈簧材質(zhì)及優(yōu)化密封環(huán)石墨層的結(jié)構(gòu)，可以大幅提高密封性能，新結(jié)構(gòu)的密封環(huán)耐高溫性能大幅提升，能夠保證高溫連接徑向密封的可靠性。上述措施實(shí)施后，整車生產(chǎn)15 萬臺(tái)，12 個(gè)月后的市場表現(xiàn)，因此位置漏氣故障維修索賠率大幅下降，優(yōu)化方案有效。