曹軼群，沈思博，孫秀毅，單保琴

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

關(guān)于某1.5升發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器密封墊漏氣問題的解決辦法

曹軼群，沈思博，孫秀毅，單保琴

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

文章針對(duì)某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器密封墊開發(fā)過程中的漏氣問題，介紹了影響增壓器墊片的密封效果的多種因素，并描述了密封墊片失效的原因和解決方案。

發(fā)動(dòng)機(jī)；高溫；密封

CLC NO.:U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-197-03

前言

隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谧非髣?dòng)力經(jīng)濟(jì)性和安全性的同時(shí)也更加關(guān)注環(huán)境污染問題。廢氣渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)如今已得到了普遍的應(yīng)用，其不僅有效的改善了燃燒效果，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)功率，更是起到節(jié)省燃油，降低排放的效果。其中，良好的密封系統(tǒng)為廢氣渦輪增壓器的運(yùn)作提供了前提，而密封是否可靠又是由廢氣溫度，被連接件剛度及其變形量，連接螺栓的擰緊效果等多種因素所決定。

本文將通過介紹某型1.5升排量廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管與增壓器間密封失效問題的解決方案，進(jìn)而對(duì)上述排氣密封效果的影響因素進(jìn)行描述和說明。

1、問題描述

某型1.5升發(fā)動(dòng)機(jī)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)階段，排氣歧管與增壓器通過2枚M10x55mm的螺栓與1枚M10x45mm的螺栓相連接，擰緊力矩40Nm+135°。

試驗(yàn)過程中，排氣歧管與增壓器間多次出現(xiàn)密封墊圈密封失效問題，且燒蝕漏氣位置多集中在以下位置。

圖1 失效的排氣歧管-增壓器密封墊片

2、優(yōu)化方案

1）排氣管-增壓器法蘭面的變形情況；

2）增壓器螺栓的裝配策略；

3）密封墊的筋結(jié)構(gòu)。

3、模擬計(jì)算

3.1 模型描述

分析所用的模型包括有：虛擬缸蓋、排氣歧管、密封墊（密封筋部分）、增壓器法蘭（截取增壓器一部分）、增壓器螺栓、排氣管安裝螺栓及螺母。

圖2 結(jié)構(gòu)布置圖

3.2 計(jì)算方法

計(jì)算分如下三步完成

1）裝配載荷計(jì)算，計(jì)算增壓器螺栓預(yù)緊力的情況下排氣管與增壓器法蘭的變形情況以及密封墊片結(jié)構(gòu)筋的接觸應(yīng)力情況。增壓器螺栓數(shù)量3枚（2枚M10x55，1枚M10x45），施加螺栓預(yù)緊力設(shè)定為40KN；

2）模型溫度場(chǎng)計(jì)算，提取出排氣管及與其相連的增壓器的內(nèi)表面，在所得到的內(nèi)表面上設(shè)置排氣溫度960℃，設(shè)定材料的熱脹系數(shù)及傳熱系數(shù)，計(jì)算排氣管及增壓器法蘭面的溫度場(chǎng)。

對(duì)重構(gòu)連續(xù)虛擬陣列z2進(jìn)行空域平滑，其示意圖如圖4所示，z2為共軛對(duì)稱分布的，因此平滑段長(zhǎng)度取2MN-N，所以第i個(gè)平滑子陣z2i的虛擬陣列位置為

3）模型熱載荷計(jì)算，將模型溫度場(chǎng)計(jì)算中所得到的溫度映射到裝配載荷中，計(jì)算排氣管、增加器法蘭面在工作時(shí)的狀態(tài)，并分析計(jì)算結(jié)果。

4、計(jì)算結(jié)果與對(duì)比分析

4.1 法蘭面優(yōu)化方案與故障機(jī)狀態(tài)對(duì)比

通過CAE對(duì)故障零部件狀態(tài)及優(yōu)化方案的模擬分析，可以看出，故障機(jī)狀態(tài)增壓器法蘭的熱變形量較為明顯。加厚排氣管/增壓器法蘭面雖然對(duì)法蘭面溫度分布影響不大，但可有效改善熱變形。

表1 排氣管、增壓器法蘭面最高溫度及熱變形量

圖3 故障機(jī)狀態(tài)、優(yōu)化方案排氣管法蘭面溫度場(chǎng)

圖4 故障機(jī)狀態(tài)、優(yōu)化方案排氣管法蘭面熱變形量

圖5 故障機(jī)狀態(tài)、優(yōu)化方案增壓器法蘭面溫度場(chǎng)

圖6 故障機(jī)狀態(tài)、優(yōu)化方案增壓器法蘭面熱變形量

4.2 增壓器螺栓裝配策略優(yōu)化方案

由于排氣管、增壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布置等限值原因，故障機(jī)的排氣管與增壓器通過2枚M10x55與1枚M10x45的螺栓以非均布方式進(jìn)行連接固定。

圖7 排氣管-增壓器連接法蘭螺栓布置情況

考慮到由于螺栓長(zhǎng)度不同，對(duì)擰緊軸力產(chǎn)生不同影響的可能，故在模擬實(shí)際裝配的條件下，對(duì)兩款不同狀態(tài)的螺栓進(jìn)行夾緊力測(cè)試。從測(cè)定結(jié)果中可以得到，在相同的裝配策略，40Nm+135°轉(zhuǎn)角的情況下，增壓器螺栓M10x45與M10x55得到的夾緊力比較接近。

圖8 增壓器螺栓模擬裝夾試驗(yàn)

通過對(duì)故障機(jī)狀態(tài)及優(yōu)化后的密封筋結(jié)構(gòu)接觸壓力的CAE模擬分析，可以看到，如果將M10x55螺栓（螺栓1、螺栓2）夾緊力調(diào)整為35kN后，相當(dāng)于40Nm+60°轉(zhuǎn)角，可相對(duì)改善故障機(jī)薄弱位置B、C位置的密封墊片結(jié)構(gòu)筋的接觸壓力。

圖9 故障機(jī)狀態(tài)、優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)筋接觸壓力情況

4.3 密封墊的筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

通過CAE溫度場(chǎng)模擬計(jì)算，排氣管法蘭面、增壓器法蘭面最高溫度大于830℃，已很接近故障機(jī)密封墊片不銹鋼板的最大耐熱溫度。故調(diào)換耐熱性能更好的310S不銹鋼板，并優(yōu)化密封筋，由故障密封墊的雙層結(jié)構(gòu)調(diào)整為三層結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)密封筋的密封效果。

圖10 優(yōu)化后的筋結(jié)構(gòu)剖視圖

5、優(yōu)化方案驗(yàn)證效果

根據(jù)上述優(yōu)化方案，增加增壓器法蘭厚度，調(diào)整增壓器螺栓的裝配策略，變更密封墊片結(jié)構(gòu)。裝配試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行耐久驗(yàn)證，并對(duì)試驗(yàn)后的零件進(jìn)行評(píng)估。試驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化方案滿足設(shè)計(jì)要求，CAE模擬計(jì)算結(jié)論符合試驗(yàn)結(jié)果。

圖11 試驗(yàn)后的優(yōu)化墊片面壓效果

6、結(jié)論

排氣管與/增壓器連接區(qū)域處于高溫的工作環(huán)境，需要考慮采用必要的措施以保證其良好的密封效果。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)初期時(shí)，可通過使用Hypermesh，Abaqus等計(jì)算軟件對(duì)密封位置進(jìn)行模擬分析，提高高溫區(qū)域零部件的設(shè)計(jì)開發(fā)效率。

對(duì)于高溫工作的密封區(qū)域，提高連接件本身的剛度可以有效改善零件熱變形量，調(diào)整螺栓的裝配策略可使得密封墊片受力更加均勻，密封更加有效，采用更具有回彈性的密封筋結(jié)構(gòu)可緩解連接零部件的變形情況。

[1] 陳佳瑞.等.汽車構(gòu)造（上）.機(jī)械工業(yè)出版社,2009.2.

[2] 周龍保.等.內(nèi)燃機(jī)學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3] 袁兆成.等.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社.2012.

[4] Abaqus6.11-1 Abaqus Analysis User's manual.

[5] 沈軼,陸曉峰.高溫法蘭連接系統(tǒng)的失效分析.潤(rùn)滑與密封,2006.

[6] 許曉華,張衛(wèi)東.墊片高溫密封失效原因分析.石油和化工設(shè)備. 2005.

A Solution To The Leakage Of The Turbocharger Sealing Gasket Of A 1.5 Liter Engine

Cao Yiqun, Shen Sibo, Sun Xiuyi, Shan Baoqin
( Brilliance Auto R＆D Center Power Train Design section, Liaoning Shenyang 110141 )

The article describes a problem of the leakage of a 1.5 liter turbo engine’s turbocharger sealing gasket in the process of development, introducing several factors that they affect the sealing effect of turbocharger gaskets and describe the causes and the solutions of the failure of the gasket.

Engine; High Temperature; Seal

U472.4

A

1671-7988 (2017)08-197-03

曹軼群，助理工程師，就職于華晨汽車工程研究院，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.067