李俊琦, 王迎波, 李德勝, 王曉云, 閆樂樂

(濰柴動力股份有限公司， 濰坊 261000)

隨著排放法規(guī)的不斷升級，柴油機(jī)對NOx的排放限值要求逐漸加嚴(yán)，國Ⅵ排放柴油機(jī)可采用廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)技術(shù),將發(fā)動機(jī)燃燒排出的廢氣引導(dǎo)至進(jìn)氣歧管參與燃燒來降低燃燒室溫度，提高發(fā)動機(jī)工作效率，改善燃燒環(huán)境，降低發(fā)動機(jī)負(fù)荷，減少NOx化合物的排出[1].對于柴油機(jī)而言，引入EGR系統(tǒng)必然帶來零部件數(shù)量增多，故障率上升等問題.特別是在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，EGR系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者管路斷裂會造成發(fā)動機(jī)排放超標(biāo)，引發(fā)EGR閉環(huán)失效導(dǎo)致柴油機(jī)爆壓超差、發(fā)動機(jī)無法運(yùn)行等嚴(yán)重問題[3].

某EGR路線柴油機(jī)在臺架開發(fā)性能試驗中，發(fā)生EGR冷卻器支架及熱端EGR取氣波紋管斷裂故障.作者針對故障現(xiàn)象，結(jié)合有限元仿真計算及微觀材料分析手段，探明了故障發(fā)生的原因，驗證原因提出了改進(jìn)優(yōu)化方案.最后，對改進(jìn)方案進(jìn)行仿真計算分析和臺架耐久試驗驗證，明確了改進(jìn)方案的有效性，為后續(xù)內(nèi)燃機(jī)EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開發(fā)及故障分析提供了參考依據(jù).

1 EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及故障描述

文中涉及的某柴油機(jī)EGR系統(tǒng)采用高壓、冷EGR路線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，EGR閥安裝在排氣歧管上，EGR冷卻器固定在飛輪殼上，進(jìn)氣接管安裝位置為進(jìn)氣歧管.由此可見，EGR系統(tǒng)各關(guān)鍵零部件的設(shè)計及裝配工藝基準(zhǔn)均不同，且安裝位置跨距較大，很容易造成應(yīng)力集中問題.因此，EGR取氣波紋管需要具有較強(qiáng)柔性以抵消裝配應(yīng)力.同時，考慮EGR取氣波紋管內(nèi)部氣體溫度最高達(dá)650 ℃、壓力約為3.6 kPa，EGR取氣波紋管運(yùn)行工況較為苛刻，極易出現(xiàn)失效故障.

該機(jī)型在臺架性能開發(fā)試驗運(yùn)行156 h時，出現(xiàn)EGR冷卻器支架斷裂故障(如圖2)，隨后更換新的EGR冷卻器，運(yùn)行至約260 h時,出現(xiàn)EGR取氣管波紋段斷裂故障，如圖3所示.

圖2 EGR冷卻器支架開裂

圖3 EGR取氣管波紋開裂

文章將從仿真計算和材料分析兩個方面進(jìn)行故障分析.利用有限元仿真計算方法，分析該EGR系統(tǒng)是否存在NVH或材料強(qiáng)度不滿足要求等問題；對失效零部件進(jìn)行微觀材料分析，研究產(chǎn)品材料或者結(jié)構(gòu)是否存在設(shè)計缺陷[3-6].

2仿真計算

以該機(jī)型EGR系統(tǒng)三維模型為研究對象，通過對EGR系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)計算，分析EGR系統(tǒng)是否與整機(jī)存在共振問題；同時，對EGR冷卻器支架進(jìn)行強(qiáng)度計算，判斷支架是否存在應(yīng)力超差問題.

2.1 仿真計算邊界

利用Hyper Mesh軟件對EGR系統(tǒng)三維模型劃分四面體二階單元網(wǎng)格，如圖4所示.在仿真計算中，模型各零部件材料參數(shù)如表1所示[7].其中，總成件EGR閥和EGR冷卻器賦予重量屬性.同時，根據(jù)系統(tǒng)各零件的裝配關(guān)系，約束排氣歧管、進(jìn)氣歧管、EGR冷卻器支架在裝配位置的X、Y、Z三方向自由度.

圖4 EGR系統(tǒng)網(wǎng)格模型

表1 材料屬性

對EGR冷卻器支架在X正方向、X負(fù)方向、Y正方向、Y負(fù)方向、Z正方向、Z負(fù)方向分別施加15 g加速度沖擊載荷，以此考核EGR冷卻器支架的強(qiáng)度是否滿足要求.對EGR冷卻器支架所用的螺栓預(yù)緊力如表2所示.

表2 螺栓規(guī)格與預(yù)緊力

2.2 仿真計算結(jié)果及分析

經(jīng)計算，該機(jī)型的EGR系統(tǒng)的前3階固有頻率及振型描述如表3所示.對應(yīng)的振型見圖5～7.

表3 模態(tài)計算固有頻率與振型

圖5 第1階振型

圖6 第2階振型

圖7 第3階振型

EGR冷卻器支架在最大螺栓預(yù)緊力下，其應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力值分別為255 MPa和173.25 MPa，如圖8所示.

圖8 應(yīng)力值計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該機(jī)型的EGR系統(tǒng)零部件的固有頻率滿足NVH可靠性設(shè)計要求.但是，EGR冷卻器支架的材料為Q235A，其失效位置的仿真應(yīng)力值為255 MPa,大于該支架材料的屈服強(qiáng)度235 MPa.由此判斷，EGR冷卻器支架強(qiáng)度設(shè)計不足為EGR冷卻器支架失效的主要原因.

3 材料分析

3.1 EGR冷卻器支架材料分析

利用體式顯微鏡及電鏡，對EGR冷卻器支架斷口進(jìn)行觀察，可見沿支架外壁存在細(xì)長裂紋,如圖9所示.斷口可見疲勞特征[8-9]，且斷口內(nèi)未發(fā)現(xiàn)顯著的材料缺陷，如圖10所示.

圖9 支架斷口形貌圖

圖10 支架微觀斷口形貌圖

3.2 EGR取氣管材料分析

EGR取氣管波紋段開裂在第一個波和第二個波之間的波谷位置，開裂位置較大，開裂部分約占整個管的1/2，且波紋管內(nèi)外表面已發(fā)生熱變色.在體式顯微鏡和掃描電鏡下，觀察EGR取氣管的斷口，如圖11所示.斷口可見熱疲勞斷口特征，且斷口由管內(nèi)向管外開裂.基于以上判斷，EGR取氣管波紋失效源于內(nèi)部高溫氣體沖擊導(dǎo)致[10].

圖11 EGR出氣管微觀斷口形貌圖

4 改進(jìn)方案

經(jīng)上述分析發(fā)現(xiàn)，EGR冷卻器支架斷裂的主要原因在于支架強(qiáng)度不滿足NVH要求.由于EGR廢氣最高可達(dá)650 ℃，高溫EGR廢氣反復(fù)沖擊波紋管，導(dǎo)致了EGR取氣管波紋段的熱疲勞裂紋.

4.1 EGR冷卻器支架改進(jìn)方案

為了增加EGR冷卻器支架強(qiáng)度，將支架由原來的單層板焊接結(jié)構(gòu)改為雙層板焊接結(jié)構(gòu)，支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對比如圖12所示.

圖12 改進(jìn)結(jié)構(gòu)對比圖

改進(jìn)后的EGR系統(tǒng)在明確模態(tài)計算滿足要求的前提下，對EGR冷卻器支架進(jìn)行強(qiáng)度計算校核，風(fēng)險位置局部應(yīng)力值為203 MPa，安裝螺栓定位面載荷應(yīng)力值為184 MPa，均滿足要求，結(jié)果如圖13所示.

圖13 改進(jìn)后應(yīng)力分布云圖

4.2 EGR取氣管改進(jìn)方案

為了解決EGR取氣管波紋熱疲勞問題，特在EGR取氣管的波紋段增加內(nèi)襯導(dǎo)流管，改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)剖面對比如圖14所示.

圖14 改進(jìn)結(jié)構(gòu)對比圖

增加內(nèi)襯管后，既保證了EGR取氣管的裝配補(bǔ)償能力，又將波紋與高溫EGR廢氣隔離，減少了熱疲勞斷裂的風(fēng)險.同時，增加內(nèi)襯導(dǎo)流管后，EGR波紋管的阻尼增加，使EGR取氣管NVH性能得到提升.

5 試驗驗證

優(yōu)化后的方案經(jīng)臺架冷熱沖擊、負(fù)載循環(huán)及全速超負(fù)荷耐久試驗驗證，EGR冷卻器支架清洗后，進(jìn)行目測檢測，對試驗后的EGR取氣波紋管進(jìn)行持續(xù)時間為30 s、0.5 MPa壓力氣密試驗，確定均無裂紋.根據(jù)試驗驗證結(jié)果，改進(jìn)后的EGR冷卻器支架和EGR取氣波紋管可保證在等效50萬公里內(nèi)無故障.

6 結(jié) 論

1)采用有限元仿真分析方法，對EGR系統(tǒng)三維模型進(jìn)行模態(tài)計算分析，對失效支架進(jìn)行強(qiáng)度分析，探明了EGR冷卻器支架強(qiáng)度設(shè)計不合理是其斷裂的根本原因.

2)通過對開裂的EGR取氣管波紋段進(jìn)行斷口材料分析，明確其失效機(jī)理在于波紋段受高溫氣體反復(fù)沖擊出現(xiàn)了疲勞失效.

3)根據(jù)分析結(jié)論，提出了有效的改進(jìn)方案，并通過仿真和耐久試驗的方式驗證了改進(jìn)方案的有效性.

綜上所述，文章一方面為后續(xù)EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開發(fā)提供了參考依據(jù)，另一方面為產(chǎn)品開發(fā)故障分析與解決提供了完整的思路.