王磊 呂清波

摘要：車用渦輪增壓技術(shù)日益普及，越來越多的人開始關(guān)注增壓器的可靠性。通常情況下，車用增壓器的工作環(huán)境溫度為1050℃附近。在此高溫下作業(yè)，渦輪開裂問題將變得頻繁。針對此問題，本文從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)工藝以及工作環(huán)境等四個方面進(jìn)行分析討論，研究找出渦殼開裂的風(fēng)險點(diǎn)，并且制定相應(yīng)的改善措施來降低此風(fēng)險，從而提升增壓器的可靠性。

Abstract： With the popularization of vehicle turbocharging technology， more and more people begin to pay attention to the reliability of turbocharger. Normally， the working environment temperature of the vehicle supercharger is about 1050°C. In this high temperature operation， the turbine cracking problem will become more frequent. In view of this problem， this paper analyzes and discusses the material selection， structure design， production technology and working environment， studies and finds out the risk point of the vortex shell cracking， and formulates the corresponding improvement measures to reduce the risk， to increase the reliability of the supercharger.

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

Key words： turbocharging technology;automotive engine;reliability;shell cracking

中圖分類號：U269.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0123-02

0? 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，汽車排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，“高效，節(jié)能，減排”成為如今汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展的首要任務(wù)。而渦輪增壓器技術(shù)是提高發(fā)動機(jī)性能的有效措施，渦輪增壓技術(shù)在提升發(fā)動機(jī)的動力性，燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能方面有顯著的效用。隨著市場對渦輪增壓技術(shù)需求的擴(kuò)大，我國渦輪增壓器產(chǎn)業(yè)也在進(jìn)一步壯大。發(fā)動增壓的含義是，為了增大輸出功率，利用多種方式來加大發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力與進(jìn)氣充量。汽油機(jī)就是一個利用增壓技術(shù)提高動力性，經(jīng)濟(jì)性與排放性的例子。德國的道依茨公司在1926年率先使用廢氣渦輪增壓來制造其VMS158型柴油機(jī)。新的發(fā)動機(jī)功率從423kW增加到551kW，提升大約30%。在之后的發(fā)展中，汽油噴射式發(fā)動機(jī)與電控技術(shù)的研究與應(yīng)用取得重大突破，增壓技術(shù)也日漸完善，廢氣渦輪增壓技術(shù)不僅使用在柴油機(jī)中，也在汽油發(fā)動機(jī)上得到應(yīng)用。現(xiàn)今，車用廢氣渦輪增壓器技術(shù)作為一種高端技術(shù)在現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)中大量運(yùn)用，而對于渦輪增壓器，它的一種關(guān)鍵組件是蝸殼。

1? 增壓器渦殼開裂的原因分析

1.1 從材料方面分析

通常情況下對于車用汽油機(jī)，它的排氣溫度最高可以升至1050℃。雖然說柴油機(jī)的排氣溫度相對來說要低一些，但溫度最高也能達(dá)到830℃，也是屬于非常高的溫度。在這樣的高溫環(huán)境中，渦殼材料要想正常使用，那么它就必須具有良好的性能，才能滿足在非常高的溫度環(huán)境下正常使用。那么哪些性能是蝸殼材料必須的呢？比如說較小的熱膨脹系數(shù)，較強(qiáng)的高溫抗氧性和高溫強(qiáng)度，優(yōu)良的工藝性能與狀態(tài)穩(wěn)定的顯微組織等。這些對材料來說是非常高的要求標(biāo)準(zhǔn)。因此對于渦殼材料的選擇來說要求也就非常高，需要根據(jù)實(shí)際需求選用不同的材料。在渦殼制作材料的選擇過程中一旦材料選用不合理，那么渦殼開裂的風(fēng)險就會大大的提高。一般來說，選用耐溫高的材料，生產(chǎn)成本也會進(jìn)一步增加。在這樣的情況下，一些主機(jī)廠為了節(jié)約成本，往往會偷工減料，選用耐溫不高的材料運(yùn)用在高溫工作環(huán)境中，造成質(zhì)量不合格，這樣渦殼開裂問題便頻繁出現(xiàn)。

1.2 從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面分析

除了渦殼制作的材料不合理造成開裂以外，如果渦殼的結(jié)構(gòu)、尺寸等的設(shè)計出現(xiàn)不合理的情況，同樣也會造成渦殼開裂，這主要是因?yàn)闇u殼的工作環(huán)境溫度多變且跨度大，熱膨脹率高，熱應(yīng)力大。由渦殼結(jié)構(gòu)、尺寸等造成的開裂，一般有以下幾種主要情況：對于渦輪安裝凸臺設(shè)計位置不合理，那么將可能產(chǎn)生鑄造缺陷，從而對蝸殼強(qiáng)度造成影響;在設(shè)計層面，如果存在結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、模態(tài)底等問題，將可能導(dǎo)致渦輪開裂。在蝸殼各個面結(jié)合的地方，尤其對于流道舌頭這一部位，一旦過渡圓角設(shè)計太小，那么將容易產(chǎn)生熱應(yīng)力集中。這也是造成渦殼開裂的一個原因。

1.3 從生產(chǎn)工藝方面分析

生產(chǎn)渦殼的過程中，通常選用鑄造成型的方法。所以說，在渦殼鑄造過程中涉及的工藝，每一個流程都將會影響渦殼的強(qiáng)度。比如說渦殼生產(chǎn)流程中包含的雜質(zhì)的種類以及量的多少、一些微量元素組成比例，以及操作過程中參數(shù)的設(shè)定、工藝方法、有關(guān)模具的設(shè)計、熱處理和一些特殊處理（如孕育處理、球化處理等）等各個方面，在這眾多的方面中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，或者存在一些不合理的現(xiàn)象，那么都會給渦殼帶來不可避免的缺陷，都會造成渦殼開裂的可能。在鑄造的渦殼里面，經(jīng)常遇到的渦殼缺陷主要有氣孔、熱結(jié)、金相組織異常、縮松等問題，這些問題的存在都將造成渦殼強(qiáng)度低、開裂等潛在風(fēng)險。由此可見，生產(chǎn)工藝對渦殼的質(zhì)量影響很大，同時也是影響渦殼是否開裂的一個重要因素。

1.4 從工作環(huán)境方面分析

在通常車用渦輪增壓器的渦殼的作業(yè)環(huán)境中，溫度跨及范圍非常大?；旧隙家沙氐匠^1000℃，這就對渦殼的質(zhì)量要求非常高，能適應(yīng)的溫度范圍也比較廣。渦殼在使用過程中不僅需要支撐增壓器本體，而且需要鏈接和支撐各種排氣系統(tǒng)零件，如三元催化器，因此蝸殼的受力很大，尤其是對于無增壓器作為支架的蝸殼。除此之外，渦殼還需承受發(fā)動機(jī)以及整車傳導(dǎo)來的震動。在惡劣的環(huán)境下工作，導(dǎo)致渦輪開裂的因素也增大。例如，發(fā)動機(jī)NVH性能不佳或者排溫超標(biāo)，都將是造成渦輪開裂的因素。

2? 針對增壓器渦殼開裂的一些改善措施

2.1 材料選擇

渦殼材料主要包括中硅鐵素體球墨鑄鐵、高鎳奧氏體球墨鑄鐵、鐵素體球墨鑄鐵、釩鑄鐵、耐熱不銹鋼、灰鑄鐵等。一般來講灰鑄鐵耐溫較低，在傳統(tǒng)的使用中，灰鑄鐵主要是用于低負(fù)荷的柴油機(jī)，隨著科技的發(fā)展，灰鑄鐵的使用已經(jīng)非常少見了;雖然說鐵素體球墨鑄鐵性能要比灰鑄鐵高，但是也僅僅在熱負(fù)荷較低的柴油機(jī)中使用;中硅鐵素體球墨鑄鐵中包含相對高的硅元素與微量的鉬等元素，當(dāng)排溫在650～760℃時，通常會考慮使用中硅鐵素體球墨鑄鐵，一般在柴油機(jī)中使用;釩鑄鐵的耐溫性要比中硅鉬球墨鑄鐵高，排溫在700～830℃時考慮使用，一般用于高排溫柴油機(jī);高鎳奧氏體球墨鑄鐵，具備優(yōu)良的抗熱蠕變性和抗熱沖擊性能，可以耐高溫達(dá)到800～950℃，常用于汽油機(jī)增壓器渦殼;耐熱不銹鋼材料（1.4837、1.4848等）可耐高溫超過1000℃，用于高排溫汽油機(jī)。所以說，渦殼工作環(huán)境在溫度上有很大的差別，這樣就造成了選用的耐溫材料也存在著很大的區(qū)別，這樣可以很大程度的避免渦殼開裂問題。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在渦殼結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，更多的是需要關(guān)注企業(yè)自身積累的經(jīng)驗(yàn)，來對渦殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行不斷的優(yōu)化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，可以通過仿真計算軟件的運(yùn)用達(dá)到仿真計算的目的，根據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)問題，從而避免渦殼開裂。設(shè)計者在設(shè)計渦殼時，往往是依靠以往積累的經(jīng)驗(yàn)，采用三維模型軟件來構(gòu)建渦殼三維模型，之后做CAE、CFD仿真計算，分析出渦殼的壓力場、速度場、溫度場、模態(tài)和熱應(yīng)力等的分布狀況。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)問題，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計以期符合渦殼設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，也需要對前期制作樣件做多種試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)不僅可以檢驗(yàn)設(shè)計與工藝是否合理，而且也可以檢驗(yàn)仿真計算的精確度如何。目前，計算的精確度隨著仿真軟件的升級換代而逐步增大，因此，對于渦殼前期設(shè)計，利用仿真計算可以有效的避免不合理的設(shè)計從而減少渦輪開裂的可能性。

2.3 生產(chǎn)工藝

隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的提高，在生產(chǎn)工藝上也有了更高的要求，才能滿足現(xiàn)代渦殼的生產(chǎn)需要。多次改良鑄造工藝也可以減少鑄造缺陷。需要最優(yōu)化設(shè)定雜質(zhì)的含量、微量元素配比、工藝的參數(shù)設(shè)定、工藝方法、模具設(shè)計、熱處理等各環(huán)節(jié)因素。在模具沒有成型時，需要對模具模流以及鑄造工藝等各個方面做一些仿真分析，從而確保工藝?yán)碚?、模具等進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計。除此之外，也需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證與分析計算得出澆冒口的結(jié)構(gòu)尺寸大小與所在位置，砂芯、覆膜砂所需要選用的材料，排氣口所在位置和數(shù)量等方面的最優(yōu)解，無依據(jù)的盲目確定是不可取的。熱處理及其他特殊處理（如球化處理、孕育處理等）等是產(chǎn)品的關(guān)鍵之處，處理制劑與參數(shù)設(shè)定也都需要最優(yōu)化設(shè)定，并且需要進(jìn)行一定數(shù)量的試驗(yàn)檢驗(yàn)與驗(yàn)證。對于之前別人歸納的方法，不可以全部搬用套用。不同的設(shè)備、材料、環(huán)境以及場地都會產(chǎn)生影響。因此，企業(yè)需要視各自的實(shí)際情況而定，加多試驗(yàn)驗(yàn)證的次數(shù)，通過試驗(yàn)結(jié)果多次改良工藝，尋找最優(yōu)化的工藝方法來減少鑄造方面的缺陷，從而避免蝸殼開裂。

2.4 工作環(huán)境

對于工作環(huán)境，需要在開發(fā)這一環(huán)節(jié)中多加注意并且進(jìn)行多次試驗(yàn)驗(yàn)證從而減少渦輪開裂的風(fēng)險。在前期需要通過仿真計算軟件來計算模擬整車、整機(jī)的流場、溫度場和振動這幾個方面的表現(xiàn)，依靠所得結(jié)果來選擇有關(guān)材料與結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化。在后期需要做樣件搭載整機(jī)、整車做一些耐久試驗(yàn)的考核與NVH測試。通過實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，迅速更換標(biāo)定數(shù)據(jù)與相關(guān)材料，從而優(yōu)化增壓器單體或者是整機(jī)、整車的結(jié)構(gòu)布局。早期的仿真計算優(yōu)化，有利于減少設(shè)計相關(guān)的問題;在整過程的后期階段，關(guān)于制作樣件搭載整機(jī)、整車，需要進(jìn)行數(shù)次在各種極限工作環(huán)境中的可靠性驗(yàn)證，有助于考察蝸殼在不同的極限工況下的工作表現(xiàn)。通常來講，如果在極限條件下無問題出現(xiàn)，那么在其他工況中發(fā)生問題的可能性也較低。

3? 結(jié)語

本文通過對蝸殼前期的設(shè)計開發(fā)，到之后的生產(chǎn)過程，再到最后的使用環(huán)境等多個角度進(jìn)行分析討論，找出不同環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的蝸殼開裂風(fēng)險與問題，并對此進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)從而減少在設(shè)計階段、生產(chǎn)階段與使用階段等各個階段中渦殼開裂的可能性。實(shí)踐表明，前期的仿真計算分析和后期的制作樣件試驗(yàn)考核的組合方式有助于蝸殼開裂問題的分析與解決，并且可以在產(chǎn)品開發(fā)過程時發(fā)現(xiàn)和解決開裂問題，有效避免產(chǎn)品流入終端客戶手中，引起不必要的麻煩與糾紛。

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