張霖 齊弟 張法

摘 要：隨著車用渦輪增壓技術(shù)的普及，增壓器可靠性問題成為發(fā)動機(jī)行業(yè)焦點(diǎn)。目前車用增壓器最高工作溫度可達(dá)1 050 ℃左右，在高的熱負(fù)荷和振動環(huán)境下工作，渦殼開裂問題尤為凸顯。為了解決此問題，從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、工作環(huán)境等方面進(jìn)行分析，找出渦殼開裂風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并制定優(yōu)化措施，從而降低渦殼開裂風(fēng)險(xiǎn)，提高增壓器可靠性。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機(jī)；渦輪增壓技術(shù)；可靠性；渦殼開裂

中圖分類號：TK421 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

為了滿足國家日益嚴(yán)峻的法規(guī)要求，渦輪增壓技術(shù)在車用發(fā)動機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。在提升動力性、改善經(jīng)濟(jì)性、降低排放、降低排氣噪聲以及追求發(fā)動機(jī)小型化等方面的突出貢獻(xiàn)，使渦輪增壓技術(shù)成了當(dāng)下車用發(fā)動機(jī)主流技術(shù)。隨之而來，增壓器的可靠性尤為重要，特別是隨著汽油機(jī)也普遍采用渦輪增壓技術(shù)，增壓器越做越小，工作溫度越來越高，渦殼開裂問題尤為突出，對增壓器性能及可靠性影響巨大，所以對于渦殼開裂問題的分析及解決尤為重要。

1 關(guān)于增壓器渦殼開裂的原因分析

1.1 從材料方面分析

首先分析發(fā)動機(jī)排溫是否超過渦殼材料最高允許溫度。目前一般車用汽油機(jī)排氣溫度最高可達(dá)1 050 ℃左右，柴油機(jī)相比汽油機(jī)排氣溫度要低，但最高可達(dá)830 ℃左右，這樣高的排氣溫度，要求渦殼材料必須具有良好的高溫抗氧化性、穩(wěn)定的顯微組織、熱膨脹系數(shù)小、高的高溫強(qiáng)度、良好的工藝性能等特性，所以渦殼材料選用十分講究。根據(jù)不同的需求及耐熱溫度，選用不同的渦殼材料，如果材料選擇不合理，很可能會出現(xiàn)渦殼開裂問題。材料耐溫越高，成本也越高，很多主機(jī)廠為了控制成本，使用較低耐溫材料來應(yīng)用到較高工作溫度中，結(jié)果頻繁出現(xiàn)渦殼開裂問題。

1.2 從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面分析

渦殼長時(shí)間在高溫或冷熱交替環(huán)境下工作，熱膨脹率大，熱應(yīng)力大，如果渦殼結(jié)構(gòu)、尺寸等設(shè)計(jì)不合理，很容易出現(xiàn)渦殼開裂等問題。例如，渦殼各面結(jié)合處，特別是流道舌頭部位，如果過渡圓角設(shè)計(jì)過小，就可能出現(xiàn)熱應(yīng)力集中；渦殼壁厚設(shè)計(jì)過薄，強(qiáng)度低；渦殼上安裝凸臺設(shè)計(jì)位置不合理，容易產(chǎn)生鑄造缺陷，影響渦殼強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，模態(tài)低等，這些設(shè)計(jì)層面稍不注意就可能造成渦殼開裂等問題。

1.3 從生產(chǎn)工藝方面分析

目前渦殼基本是采取鑄造方式成型，所以鑄造工藝對渦殼強(qiáng)度影響較大，從工藝參數(shù)設(shè)定、微量元素配比、雜質(zhì)含量、模具設(shè)計(jì)、設(shè)備、工藝方法、熱處理及其他特殊處理（如球化處理、孕育處理等）等方面，任何一方面不合理都會造成渦殼成品缺陷，鑄造過程中常見缺陷多是氣孔、縮松、熱結(jié)、金相組織異常等問題，這都會導(dǎo)致渦殼強(qiáng)度低、開裂等問題。

1.4 從工作環(huán)境方面分析

車用渦輪增壓器的渦殼工作溫度從常溫到1 000 ℃以上，溫度跨度大。渦殼在支撐增壓器本體之外，還要連接、支撐三元催化器等排氣系統(tǒng)零件，受力較大，特別是無增壓器支架的渦殼。渦殼還要承受來自發(fā)動機(jī)及整車傳遞過來的振動。如此惡劣的工作環(huán)境，其中某一個(gè)或幾個(gè)因素失控，可能就會導(dǎo)致渦殼開裂。象發(fā)動機(jī)排溫超標(biāo)整車或發(fā)動機(jī)NVH性能差等，都可能引起渦殼開裂問題。

2 關(guān)于增壓器渦殼開裂的改進(jìn)措施

2.1 材料選擇

目前常見的渦殼材料有灰鑄鐵、鐵素體球墨鑄鐵、中硅鐵素體球墨鑄鐵、釩鑄鐵、高鎳奧氏體球墨鑄鐵、耐熱不銹鋼等。一般灰鑄鐵是用于較低負(fù)荷的柴油機(jī)，耐溫較低，現(xiàn)在已經(jīng)基本不采用；鐵素體球墨鑄鐵性能高于灰鑄鐵，但也只適用于熱負(fù)荷較低的柴油機(jī)，一般排溫在650 ℃以下采用；中硅鐵素體球墨鑄鐵中添加了較多的硅元素及少量鉬等元素，排溫在650 ℃～760 ℃考慮采用，常用于柴油機(jī)；釩鑄鐵耐溫性高于中硅鉬球墨鑄鐵，可耐排溫700 ℃～830 ℃，常用于高排溫柴油機(jī)；高鎳奧氏體球墨鑄鐵（D2、D2B、D2C、D3、D3A、D4、D5、D5B、D5S等），有極好的抗熱沖擊性能和抗熱蠕變性，極好的耐蝕性及高溫抗氧化性，而且有低的熱膨脹性和很好的低溫沖擊韌性，可耐高溫800 ℃～950 ℃，是目前汽油機(jī)增壓器渦殼常用材料；針對更高的排溫，現(xiàn)在多采用耐熱不銹鋼材料（1.4837、1.4848等），耐熱不銹鋼可耐高溫達(dá)1 000 ℃以上，目前高排溫汽油機(jī)多采用。根據(jù)工作溫度范圍，選用適合的耐溫材料，可以有效避免渦殼開裂。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此方面主要依賴于企業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累，并依靠仿真計(jì)算軟件進(jìn)行仿真計(jì)算分析，找出薄弱點(diǎn)并優(yōu)化，規(guī)避開裂風(fēng)險(xiǎn)。在渦殼設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用三維模型軟件建立渦殼三維模型，并對其進(jìn)行CAE、CFD仿真計(jì)算，計(jì)算分析出渦殼溫度場、速度場、壓力場、熱應(yīng)力和模態(tài)等分布情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果找出薄弱點(diǎn)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，直到滿足渦殼設(shè)計(jì)要求。另外，前期制作樣件進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)是很有必要的，這樣既可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、工藝的合理性，又可以檢驗(yàn)仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。隨著仿真軟件不斷發(fā)展升級，計(jì)算準(zhǔn)確性也逐漸提高，所以在渦殼設(shè)計(jì)階段，仿真計(jì)算可以在很大程度上避免設(shè)計(jì)的不合理性，可以有效降低實(shí)物開裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 生產(chǎn)工藝

通過不斷優(yōu)化鑄造工藝，降低鑄造缺陷。工藝參數(shù)設(shè)定、微量元素配比、雜質(zhì)含量和熱處理等都要進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)定。成型前對模具模流及鑄造工藝模擬等進(jìn)行仿真分析，確保模具、工藝?yán)碚撛O(shè)計(jì)最優(yōu)化。另外，砂芯、覆膜砂的選材及處理，澆冒口結(jié)構(gòu)尺寸及位置，排氣口的位置及數(shù)量等方面，都需要經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算分析并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證得出，不可盲目確定。熱處理及其他特殊處理（如球化處理、孕育處理等）等是產(chǎn)品的點(diǎn)睛之筆，參數(shù)設(shè)定及處理制劑都要最優(yōu)化，且要進(jìn)行一定量試驗(yàn)驗(yàn)證。前人總結(jié)的方法不能完全照搬照抄，材料、設(shè)備、場地和環(huán)境等因素都會有影響，所以需要企業(yè)根據(jù)自身?xiàng)l件，多進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在試驗(yàn)中不斷優(yōu)化，總結(jié)出最優(yōu)工藝方法以降低鑄造缺陷，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 工作環(huán)境

此方面在開發(fā)過程中進(jìn)行關(guān)注并加強(qiáng)試驗(yàn)驗(yàn)證可以有效避免渦殼開裂問題。前期應(yīng)用仿真計(jì)算軟件，計(jì)算模擬整車、整機(jī)溫度場、流場以及振動等情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行材料選擇及優(yōu)化結(jié)構(gòu)，后期做樣件搭載整車、整機(jī)進(jìn)行NVH測試及耐久試驗(yàn)考核，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整材料、標(biāo)定數(shù)據(jù)，優(yōu)化整車、整機(jī)布置或增壓器單體。總之，早期仿真計(jì)算及優(yōu)化，可以有效降低設(shè)計(jì)層面的問題，而后期制作樣件搭載整車、整機(jī)進(jìn)行多輪極限工況下可靠性驗(yàn)證，可以考核實(shí)物渦殼在各種極限環(huán)境下的工作情況， 一般極限環(huán)境工況下沒問題，其他工況不易出現(xiàn)開裂問題。

3 結(jié)語

綜上所述，從渦殼前期設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)過程、使用環(huán)境等各個(gè)方面進(jìn)行分析、研究，找出各個(gè)環(huán)節(jié)存在的開裂隱患點(diǎn)并改進(jìn)，有效地降低了設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)階段及使用階段渦殼開裂的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過實(shí)踐證明，前期仿真計(jì)算分析和后期制作樣件試驗(yàn)考核的組合方式對于渦殼開裂問題的分析、解決非常有效，使開裂問題基本可以在產(chǎn)品開發(fā)過程中暴露出來并解決掉，避免流入終端用戶手中，引起抱怨。理論與實(shí)踐相結(jié)合是分析、解決問題最有效、最快捷的方法，我們應(yīng)該充分應(yīng)用科學(xué)的分析方法，在實(shí)踐中總結(jié)、成長。

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