（上海汽車集團股份有限公司/上海市汽車動力總成重點實驗室，上海201804）

柴油機增壓器與排氣歧管結(jié)合面漏氣改進(jìn)措施

邢正雙，張兆明，曾 斌，張 萌

（上海汽車集團股份有限公司/上海市汽車動力總成重點實驗室，上海201804）

某研發(fā)階段的四缸柴油機在臺架試驗過程中，增壓器與排氣歧管結(jié)合面經(jīng)常發(fā)生漏氣現(xiàn)象。經(jīng)分析主要原因為增壓器墊片設(shè)計存在缺陷以及增壓器墊片、增壓器螺柱與螺母材料選擇不合適，無法滿足增壓器與排氣歧管在高溫惡劣環(huán)境下的密封條件，最終導(dǎo)致密封失效而發(fā)生漏氣。因此，對增壓器墊片設(shè)計及墊片、螺柱與螺母材料進(jìn)行改進(jìn)，最終解決了增壓器與排氣歧管法蘭結(jié)合面漏氣問題。

柴油機墊片結(jié)合面設(shè)計缺陷材料改進(jìn)

1 引言

在熱力系統(tǒng)中，管道、閥門等總是在高溫、高壓狀態(tài)下運行，一般采用法蘭連接。墊片是其中重要的密封元件，其密封性能直接關(guān)系到系統(tǒng)的嚴(yán)密性，一旦系統(tǒng)嚴(yán)密性被破壞就會導(dǎo)致氣體或液體泄漏[1]。本文以某研發(fā)階段四缸柴油機為研究對象，針對臺架試驗過程中增壓器墊片漏氣問題進(jìn)行分析并提出解決措施，通過臺架試驗驗證了解決措施的有效性。

2 墊片高溫性能

法蘭密封墊是兩片法蘭相連接時，放在兩片法蘭密封面的中間，然后用螺栓上緊法蘭，使法蘭不發(fā)生泄漏的一種產(chǎn)品。法蘭密封墊種類包括：非金屬軟墊片、纏繞墊片、金屬包墊片、金屬墊片等多個品種。非金屬軟墊片是用彈性較好的板材按法蘭密封面的直徑及寬度剪成一個圓環(huán)。所用材料主要有橡膠板，石棉橡膠板、石棉板等，根據(jù)容器的工作壓力、溫度以及介質(zhì)的腐蝕性來選用。一般低壓、常溫（≤100℃）和無腐蝕性的介質(zhì)的容器多用橡膠板（經(jīng)過硫化處理的硬橡膠工作溫度可達(dá)200℃）；介質(zhì)溫度較高（對水蒸氣＜450℃，對油類＜350℃）的中、低壓容器通常用石棉橡膠板或耐油石棉橡膠板；一般的腐蝕性介質(zhì)的低壓容器常采用耐酸石棉板；壓力較高時則用聚乙烯板或聚四氟乙烯板。纏繞墊片是用石棉帶與薄金屬帶（低碳鋼或合金鋼帶）相間纏繞制成。因為薄金屬帶有一定的彈性，而且是多道密封，所以密封性能較好。用于壓力或溫度波動較大，特別是直徑較大的低壓容器上最為適宜，因為這種墊片直徑再大也可以沒有接口。金屬包墊片又稱為包合式墊片，是用薄金屬板（一般是用白鐵皮，介質(zhì)有腐蝕性時用薄不銹鋼板或鋁板）內(nèi)包石棉材料等卷制而成的圈環(huán)。這種墊片耐高溫、彈性好，防腐能力強，有較好的密封性能。但制造較為費事，一般只用于直徑較大、壓力較高的低壓容器或中壓容器上。

墊片在高溫狀態(tài)下的性能可由壓縮回彈性能、蠕變性能、密封性能來表示，分別詳述如下。

2.1 壓縮回彈性能

法蘭連接的密封主要是通過墊片變形、增加流體泄漏阻力實現(xiàn)的。在預(yù)緊過程中，墊片良好的壓縮性能是保證其表面與法蘭面形成初始密封的基本條件。在運行工況下，受介質(zhì)壓力、溫度的影響，螺栓會伸長，法蘭會變形，法蘭密封面和墊片間產(chǎn)生相對分離的傾向，墊片上的壓緊力減小，進(jìn)而造成連接密封性能下降，甚至產(chǎn)生泄漏。所以，要求墊片具有較好的回彈能力，以補償密封面間的分離。不同墊片材料的高溫壓縮回彈性能相差較大，理想的墊片材料應(yīng)具有表面屈服性能好和整體回彈性能好的綜合特性。采用復(fù)合材料、改進(jìn)墊片結(jié)構(gòu)，可達(dá)到上述要求，從而提高系統(tǒng)的密封性能。

研究發(fā)現(xiàn)，墊片加載和卸載彈性模量均與溫度有關(guān)。一般情況下，隨著溫度的升高，墊片壓縮量增大而回彈性能下降，蠕變加劇，墊片塑性變形量增加，回彈率就下降。這是導(dǎo)致高溫連接泄漏的主要原因[2]。

2.2 蠕變性能

無論在常溫或高溫狀態(tài)下，墊片在長時間應(yīng)力作用下都會產(chǎn)生蠕變，墊片蠕變使其彈性變形部分消失，引起連接系統(tǒng)中各受力元件的應(yīng)力松弛，從而導(dǎo)致連接系統(tǒng)密封失效。高溫工況下這種情況更加嚴(yán)重，由于溫度升高，壓緊螺栓伸長以及法蘭結(jié)合面發(fā)生變形，進(jìn)而造成連接系統(tǒng)密封性能下降，發(fā)生泄漏。

溫度、時間、應(yīng)力是影響墊片蠕變性能的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)，溫度越高，蠕變量越大。墊片應(yīng)力越大，蠕變量也越大。

2.3 密封性能

墊片密封性能是一項綜合性指標(biāo)，它受墊片材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、使用溫度、工作介質(zhì)性質(zhì)、加載卸載狀態(tài)等多種因素影響。研究發(fā)現(xiàn)，泄漏率和介質(zhì)壓力基本成線性關(guān)系，具有黏性流體層流流動的一般特征：泄漏率和墊片殘余壓緊應(yīng)力成負(fù)指數(shù)關(guān)系，殘余壓緊力越大，泄漏率越小；泄漏率隨溫度升高而增大，二者成指數(shù)關(guān)系。在恒定溫度下，泄漏率隨介質(zhì)壓力的增大而增大，隨墊片應(yīng)力的增大而減小。

3 案例分析與改進(jìn)措施

增壓器墊片是增壓器與排氣歧管之間的機械密封的元件。增壓器與排氣歧管之間受到壓力、腐蝕、熱脹冷縮等作用的影響，其結(jié)合面經(jīng)常處于高溫環(huán)境下，墊片材質(zhì)的耐高溫性對高溫工況下的法蘭密封非常重要。

3.1 問題描述

某四缸柴油機在開發(fā)階段進(jìn)行的臺架耐久試驗考核過程中，增壓器與排氣歧管法蘭結(jié)合面處多次發(fā)生泄漏現(xiàn)象，在三角型法蘭的兩個緊固螺栓的中間位置有明顯的廢氣泄漏痕跡。拆除增壓器后檢查，發(fā)現(xiàn)增壓器法蘭面有明顯泄漏廢氣的沖刷痕跡，如圖1所示。試驗期間，通過重新更換新的增壓器與排氣歧管間墊片的措施未能徹底解決泄漏問題，發(fā)動機繼續(xù)試驗運行一段時間后，漏氣現(xiàn)象重現(xiàn)。

圖1 增壓器法蘭面漏氣痕跡

3.2 原因分析

該柴油機采用電控燃油高壓共軌、增壓中冷、廢氣再循環(huán)等技術(shù)，升功率比常規(guī)柴油機有較大提升，對各零、部件的制造工藝和材料的要求更加苛刻。同時，在進(jìn)行臺架試驗考核中，試驗工況比實際柴油機在整車上的使用狀態(tài)更加嚴(yán)格和惡劣，柴油機各零、部件的機械負(fù)荷、熱負(fù)荷以及振動等強度都非常高，各類零、部件發(fā)生故障的概率較高。特別是設(shè)計中存在缺陷零部件更會較早地發(fā)生失效，這也正是臺架試驗考核的關(guān)鍵作用。該柴油機增壓器與排氣歧管通過三個螺栓固定在一起，二者中間通過法蘭墊片進(jìn)行密封，如圖2所示。墊片原始設(shè)計結(jié)構(gòu)為雙層全凸筋結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖2 增壓器與排氣歧管連接方式

圖3 原增壓器墊片結(jié)構(gòu)圖

對此故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，造成增壓器與排氣歧管結(jié)合面漏氣的主要原因可能有以下幾個方面的因素。

（1）柴油機可靠性試驗中，排氣歧管需要長期在由低溫（室溫，停機保養(yǎng)）至高溫（最高溫度達(dá)到830℃，最大功率工況）再至低溫的狀態(tài)下工作，排氣歧管容易發(fā)生變形，且在熱應(yīng)力的交變載荷作用下，排氣歧管與增壓器墊片之間存在相對運動。此相對運動引起增壓器墊片凸筋扭動，而增壓器墊片選用的SUS304不銹鋼材料的耐高溫性差，導(dǎo)致墊片凸筋被壓潰，失去彈性，從而無法彌補結(jié)合面的變形。發(fā)動機排氣歧管與增壓器之間的排氣壓力最高可達(dá)到250 kPa，并隨著發(fā)動機運行工況的不同而不斷變化。在高溫、高壓氣流的不斷沖擊下，最終導(dǎo)致增壓器墊片密封失效，發(fā)生漏氣。圖4為發(fā)動機運行一段時間后，增壓器墊片凸筋發(fā)生變化的情況。從圖中可以看出，凸筋已被壓平，已無法起到密封作用。

圖4 增壓器墊片凸筋密封失效圖

（2）增壓器與排氣歧管緊固螺母和螺柱的材料耐高溫性能差，且長期處于高溫條件下，螺母及螺柱容易發(fā)生強度損失與夾緊力降低，即高溫應(yīng)力松弛，表現(xiàn)為螺栓扭矩減小，從而不能保證密封的壓緊力。經(jīng)過對多臺次試驗發(fā)動機增壓器與排氣歧管的螺栓螺母的緊固扭矩檢查發(fā)現(xiàn)，緊固扭矩確實存在不同程度的衰減。表1為多臺次發(fā)動機按試驗工況累計運行不同時間后，增壓器螺母的拆卸扭矩值。從該表可以發(fā)現(xiàn)，增壓器螺母在運行較短時間后，緊固扭矩已衰減非常明顯，與規(guī)定扭矩值（62 N·m）產(chǎn)生了較大偏差，甚至出現(xiàn)了個別螺母松脫的現(xiàn)象。

表1 增壓器螺母拆卸扭矩統(tǒng)計表

（3）排氣歧管與增壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料的缺陷也有可能造成法蘭連接面較大的變形，若變形量超過一定數(shù)值（經(jīng)驗值0.2 mm左右），密封用的墊片無法起到有效的密封效果。因此，對發(fā)生漏氣現(xiàn)象的多臺發(fā)動機排氣歧管法蘭和增壓器法蘭的平面度進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果見表2。從統(tǒng)計結(jié)果中可以看出，排氣歧管及增壓器法蘭面的平面度變形量基本在可接受范圍內(nèi)，可以判定排氣歧管和增壓器在結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料的選擇上能滿足設(shè)計要求，不是造成本次發(fā)動機增壓器與排氣歧管法蘭面排氣泄漏故障的主要因素。

3.3 改進(jìn)方案

經(jīng)過分析和借鑒其它先進(jìn)發(fā)動機排氣系統(tǒng)的密封技術(shù)，對發(fā)動機增壓器墊片結(jié)構(gòu)及墊片、螺母與螺柱材料進(jìn)行改進(jìn)及驗證：

（1）對增壓器墊片結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行改進(jìn)。首先，將增壓器墊片材料由SUS304改為高鎳鋼B038。材料改進(jìn)后，增壓器墊片的機械性能參數(shù)和耐高溫性都有了一定程度的提高。其次，將增壓器墊片凸筋結(jié)構(gòu)更改為半凸型，提高了凸筋的壓縮回彈能力，且增加了凸筋保護(hù)設(shè)計，使凸筋不會被壓平。圖5為新設(shè)計墊片與原狀態(tài)墊片的對比，圖6為凸筋結(jié)構(gòu)更改前后密封示意圖。

（2）由于原設(shè)計中增壓器螺柱及螺母材料存在耐熱能力不足問題，這將引起螺柱在高溫環(huán)境下伸長過度，從而引起墊片應(yīng)力的損失，最終可能導(dǎo)致密封失效。因此，將螺柱及螺母材料由4Cr10Si2Mo更改為A286，其強度和耐熱能力都得到了很大的提高。

3.4 改進(jìn)效果

對增壓器墊片進(jìn)行重新設(shè)計，以及墊片、螺母與螺柱材料進(jìn)行改進(jìn)后，安裝到發(fā)動機試驗樣機中。該發(fā)動機在各種臺架試驗過程中，增壓器與排氣歧管結(jié)合面再未發(fā)生漏氣現(xiàn)象。圖7為發(fā)動機進(jìn)行450 h耐久試驗后增壓器與排氣歧管原發(fā)生泄漏的結(jié)合面、增壓器法蘭面和增壓器墊片，從圖中可看出，結(jié)合面和法蘭面未發(fā)生漏氣現(xiàn)象，對排氣墊片密封圈處的測量顯示仍然具有一定的彈性，也沒有被壓平。在試驗結(jié)束的拆檢過程中，復(fù)測了排氣歧管與增壓器緊固螺栓的緊固扭矩，三個螺母的緊固扭矩均在52 N·m以上，符合設(shè)計要求。發(fā)動機增壓器和排氣歧管結(jié)合面漏氣問題得到解決。

圖5 增壓器墊片設(shè)計改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)對比

圖6 增壓器墊片設(shè)計改進(jìn)前后對比示意圖

圖7 增壓器與排氣歧管結(jié)合面無漏氣痕跡

4 結(jié)論

因此，設(shè)計增壓器墊片時要充分考慮到墊片的工作環(huán)境及墊片在此環(huán)境下的壓縮回彈性、蠕變性等因素，然后進(jìn)行選材以及墊片結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并且通過試驗驗證設(shè)計的可行性。

[1]許曉華，張衛(wèi)東.墊片高溫密封失效原因分析[J].材料應(yīng)用，2005（2）.

[2]黃健主編.管法蘭墊片、緊固件選用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

Analysis and Solution to Gas Leakage between Exhaust Manifold and Turbocharger

Xing Zhengshuang,Zhang Zhaoming,Zeng Bin,Zhang Meng
（SAIC Motor Corporation Limited/Shanghai Key Laboratory of Automobile Power-train,Shanghai 201804,China）

Gas is often found to leak out at the i nterface between the exhaust manifold and the turbocharger of a 4-cylinder diesel engine under development while being put through bench tests.A close analysis suggests that,besides design defects of the gasket,wrong materials for the gaskets,studs and nuts are also among main causes for the leakage,failing to meet the sealing requirements for the turbocharger and the exhaust manifold operating under harsh,high temperature working conditions.A proved solution to the trouble is to improve on structural designs and materials of the gaskets,studs and nuts.

diesel engine,gasket,interface,design defects,material improvement

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.01.006

來稿日期：2016-06-21

邢正雙（1982-），男，工程師，碩士，主要研究方向為發(fā)動機試制工藝。