南出勇，張軍瑞，黃保科

某增壓柴油發(fā)動機(jī)排氣歧管開裂故障分析

南出勇，張軍瑞，黃?？?/p>

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

某增壓柴油發(fā)動機(jī)在試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)了排氣歧管開裂現(xiàn)象。文章從材料分析、制造工藝排查以及設(shè)計檢查等方面入手，最終發(fā)現(xiàn)故障原因是由于鑄造缺陷和應(yīng)力集中導(dǎo)致。通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝和排氣歧管結(jié)構(gòu)，解決了開裂問題。

增壓；排氣歧管；開裂；CAE分析

CLC NO.: U464.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-201-03

前言

隨著國家排放以及油耗法規(guī)的加嚴(yán)，增壓技術(shù)作為一種有利于柴油機(jī)排放和油耗的手段，其應(yīng)用的越來越多。但是增壓帶來一種不利因素——發(fā)動機(jī)排溫的升高，這對包括排氣歧管在內(nèi)的一些需要耐高溫的零部件提出了更加苛刻的要求。因此，排氣歧管的合理有效的設(shè)計成為一個非常重要的課題。

某增壓柴油機(jī)在試驗(yàn)過程中，排氣歧管表面產(chǎn)生兩條肉眼明顯可見裂紋。經(jīng)過檢查，確認(rèn)裂紋1發(fā)生在排氣歧管腔體和排氣總管過渡連接處，裂紋2發(fā)生在排氣歧管腔體上。

1 排氣歧管開裂原因分析

能夠?qū)е屡艢馄绻荛_裂的因素，主要有以下幾種：1、材料選用不當(dāng)導(dǎo)致排氣歧管耐溫不足或者材料材質(zhì)不合格；2、廠家生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)，造成產(chǎn)品不良；3、排氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，導(dǎo)致局部產(chǎn)生熱應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖1 排氣歧管開裂位置

1.1 材料分析

該款增壓柴油發(fā)動機(jī)排氣歧管材質(zhì)為SiMo4.5,最大耐溫極限為730℃。排查試驗(yàn)樣機(jī)排溫，最高排溫為683℃，未超過材料的耐溫極限。

材料中某些材料的缺失或不足，將會嚴(yán)重影響材料的性質(zhì)。因此，需要對排氣歧管材料進(jìn)行成分分析、金相和硬度檢測。將排氣歧管在裂紋處切開，分別在斷口裂紋處以及在附近未開裂處取樣，進(jìn)行相應(yīng)的檢測。

表1 材料檢查結(jié)果

圖4 正常金相顯微結(jié)構(gòu)

通過材料分析，三處金相結(jié)構(gòu)成分相同，開裂處無明顯異常，可以看出排氣歧管材料成分正常，無異常項(xiàng)，因此可以排除材料選用不當(dāng)導(dǎo)致排氣歧管耐溫不足或者材料材質(zhì)不合格的因素。

1.2 廠家生產(chǎn)工藝排查

該款發(fā)動機(jī)排氣歧管為鑄造件，鑄造工藝的不當(dāng)，容易產(chǎn)生縮孔、粘砂等缺陷。切割觀察裂紋周邊剖面，裂紋2處可見氣泡（如圖5所示），裂紋1處無異常?，F(xiàn)場觀察廠家生產(chǎn)模具，發(fā)現(xiàn)廠家的砂箱排氣孔設(shè)計較小，易造成鑄造過程中氣泡不能及時排出，遺留在鑄件中，使鑄件的強(qiáng)度變低。增大砂箱排氣孔，并要求廠家對下線產(chǎn)品進(jìn)行探傷檢測。

圖5 裂紋2周邊剖面

1.3 排氣歧管設(shè)計檢查分析

利用CAE軟件對該增壓柴油發(fā)動機(jī)的排氣歧管的內(nèi)流場和外流場進(jìn)行溫度場和高周疲勞分析。

排氣歧管的內(nèi)壁最大溫度為686.85℃，排氣歧管外壁的最高溫度為即176.85℃，未超過材料的最高許用溫度極限，說明排氣歧管選材不存在問題。但是在排氣歧管總管與腔體結(jié)合處出現(xiàn)了熱應(yīng)力集中分布的現(xiàn)象，熱應(yīng)力最大值為211Mpa，超過了該材料的屈服極限（≤205Mpa）。該位置正好處于裂紋1處，與試驗(yàn)結(jié)果相符。由此可見，由于排氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理，導(dǎo)致熱應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致裂紋1的產(chǎn)生。

圖5 排氣歧管內(nèi)壁的溫度場分布

圖6 排氣歧管外壁的溫度場分布

圖7 排氣歧管熱應(yīng)力分布

2 優(yōu)化方案以及驗(yàn)證

針對兩條裂紋產(chǎn)生的不同原因，采取以下兩種優(yōu)化措施：

a）優(yōu)化產(chǎn)品鑄造工藝，增大排氣歧管模具砂箱的排氣孔，并增加下線探傷要求；

b）增大排氣歧管和腔體的過渡圓角，在腔體外圍增加加強(qiáng)筋，增加排氣歧管強(qiáng)度。

圖8 排氣歧管優(yōu)化方案

按照優(yōu)化方案重新制造樣件，并將優(yōu)化后的排氣歧管進(jìn)行了800h可靠性驗(yàn)證，未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。此后在其它驗(yàn)證試驗(yàn)中也多次搭載，均未重復(fù)發(fā)生開裂現(xiàn)象。

3 總結(jié)

本文針對某增壓柴油機(jī)排氣歧管開裂故障進(jìn)行了分析，從產(chǎn)品的材料，工藝，結(jié)構(gòu)三個方面入手，最終發(fā)現(xiàn)并解決問題。

a）排氣歧管設(shè)計時，需要首先考慮材料的耐溫性。要結(jié)合發(fā)動機(jī)的特性，選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，一般來講，柴油機(jī)排溫低于汽油機(jī)，非增壓機(jī)型低于增壓機(jī)型。

b）設(shè)計完成后，需要經(jīng)過CAE分析確認(rèn)，來確保設(shè)計的合理性，避免后期出現(xiàn)類似開裂故障。

c）產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，確保正確的生產(chǎn)工藝。

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Research of A TC Diesel Engine Exhaust Manifold Cracking

Nan Chuyong, Zhang Junrui, Huang Baoke
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd. Technology Center, Anhui Hefei 230601）

TC; Exhaust Manifold; Cracking; CAE analysis

U464.9

A

1671-7988 (2017)16-201-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.071

南出勇，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

Abstrack: During the test, the exhaust manifold of a TC Diesel engine cracked. Eventually, by checking the chemical composition、production process and the design, we fund the ultimate reason was casting defects and stress concentration. By optimizing the production process and the exhaust manifold structure, the cracking problem was solved.