某重型柴油发动机排气歧管优化设计

(江铃汽车股份有限公司，南昌 330030)

0 引言

近年来随着发动机升功率不断升高、排放法规日趋严格，发动机排气温度也在不断升高，排气歧管的可靠性受到极大冲击。本文针对某开发中的重型国六柴油机排气歧管出现开裂问题进行了系统排查，并针对开裂的根本原因提出改进方案，使排气歧管通过发动机可靠性耐久试验及其他耐久试验。

1 问题描述

某开发中的重型国六柴油机，其排气歧管采用3段式结构设计。在发动机2 500 h负荷循环台架耐久试验中，中段排气歧管在耐久试验进行至400 h出现管壁裂纹，裂纹位置为支撑筋两端与管壁连接处，如图1所示。该发动机的涡前排气温度限值为700 ℃，试验过程中排气温度未超过限值，也无螺栓松脱。

图1 排气歧管裂纹位置

2 根本原因分析[1]

2.1 开裂部位铸造缺陷

耐久试验前，所有的排气歧管样件100%通过X光探伤，无内部铸造缺陷。对故障件断层进行缺陷分析，未发现铸造缺陷，裂纹断层情况如下图2所示。

图2 裂纹断层情况示意

2.2 开裂部位壁厚

对开裂位置周边壁厚进行检查，共检查13处，检查结果如表1所示。由表1可见，开裂位置周边壁厚符合技术要求，无壁厚偏厚或偏薄区域。

2.3 材料成分

排气歧管采用高硅钼球墨铸铁材料，在开裂区域附近取样，检测其材料成分，结果如表2所示。Si、Mo含量对材料耐高温影响明显，需要严格控制。排气歧管开裂部位本体材料化学成分满足设计要求，尤其是Si、Mo含量均满足要求。

2.4 金相组织

对故障件开裂部位取样，检测其金相组织，结果如表3和图3所示。由表3和图3可知，开裂部位的金相组织符合技术要求。

表1 开裂位置周边壁厚检查点的检查结果

表2 故障件材料化学成分检测

表3 金相组织检测结果

图3 金相组织(100×)

2.5 排气歧管结构

2.5.1 排气歧管外部结构

从排气歧管整体结构[2](见图4)来分析，排气歧管结构匀称，气流导向明显，但中段排气歧管靠近增压器法兰口的左右两侧外轮廓过渡圆角近似直角结构，如图4中A箭头所示。通常排气歧管过渡圆角小的地方容易引起热应力集中，并产生裂纹。但此次台架耐久试验过程中，排气歧管的开裂位置为中段排气歧管支撑筋的两端与管壁连接处，而开裂位置内腔流道光滑且平顺，由此可以确认开裂的根本原因不是由于这两侧外轮廓过渡圆角过小引起。

图4 3段式排气歧管结构外观

2.5.2 内腔流道形状结构

从内腔整体结构[3-4]看，各支管至总管的气体流道光顺且导向明显(如图5所示)，各缸支管和排气歧管出口的内腔流道截面呈长方形，而总管内腔流道截面呈近似圆形结构。当高温废气从总管进入排气歧管出口时，气道截面由圆形突变为长方形，截面收缩引起气流加速，且第1、2、5、6缸的高温废气受总管的导向作用明显，直接冲刷排气歧管管壁，导致局部管壁热疲劳失效，产生裂纹。由此可见，总管至排气歧管出口的流道突变和总管的导向作用是导致排气歧管热疲劳开裂的根本原因。

图5 排气歧管整体气体流道内腔

3 排气歧管优化方案

3.1 中段排气歧管流道优化

为了解决高温废气直接冲刷排气歧管出口管壁问题，从设计上将第3、4缸的支管和排气歧管出口与总管连接处的流道进行圆滑过渡设计，尽可能地扩大过渡圆角，使高温废气能够顺畅地从总管流向排气歧管出口，改进效果如图6所示。

图6 排气歧管优化

3.2 外部结构优化[5]

将外壁靠近增压器法兰口的左右两侧外轮廓过渡圆角设计得尽可能的大，避免该区域热应力集中而引起新的开裂问题，如图7中A所示。并将中段排气歧管的支撑筋延伸到相邻2缸排气歧管法兰上，如图7中B所示，这样有助于将热应力传递到法兰上，而不是直接作用在管壁上，可以提高开裂区域的结构强度，并增加开裂区域的散热效果。

图7 中段排气歧管结构优化

4 改进效果分析

为了分析优化方案效果，对排气歧管原设计和优化方案进行热态机械疲劳(thermal mechanical fatigue，TMF)对比分析[6-7]。根据边界条件，建立排气歧管3维数模(如图8所示)，用于TMF分析。TMF分析主要关注零件温度场、应力应变场、稳态温度最大值等。零件的稳态温度最大值不能超过材料的许用温度，否则会导致材料质变，丧失高温力学性能并引起失效。零件温度主要与废气温度相关，而应力应变场主要与零件结构息息相关。通常从应力应变场中可以看出整个零件的所有薄弱点，而这些薄弱点正是潜在的失效点，对结构改进具有重要的指导意义。

图8 排气歧管热力学边界计算模型

本次计算由CFD团队提供一维热力学边界，并应用Abaqus 6.41-1软件模拟加热10 min和冷却10 min的试验工况，重复迭代4次后，对比分析歧管中段改进前后的表面最高温度、等效塑性变形、等效蠕变应变和等效非弹性应变增量。对比分析结果如图9～12所示。

图9 优化前后排气歧管表面温度分布

图10 优化前后排气歧管等效塑性应变

图11 优化前后排气歧管等效蠕变应变

图12 优化前后排气歧管等效非弹性应变增量

排气歧管中段表面最高温度原设计与优化方案基本一致，但后者的最大等效非弹性应变增量降低了62%，由3.4×10-4降低至1.3×10-4，最大等效塑性应变和最大等效蠕变应变也有明显改善。从整体的TMF对比分析[8]结果来看，优化方案降低热态机械疲劳效果明显。

5 试验验证

根据优化方案设计的合格样件顺利通过了2 500 h负荷循环台架耐久试验和2 500 h混合循环台架耐久试验。混合循环台架耐久试验是集最大功率、最大坡度、最大扭矩、斜坡加减速等工况为一个循环的台架耐久试验。试验过程中，排气歧管无漏气现象。试验结束后，排气歧管内外表面均无微裂纹，如图13所示。

图13 台架耐久试验后的排气歧管外观

6 结论

1)材料满足工作温度的情况下，排气歧管的结构设计和内腔流道设计对排气歧管的使用寿命影响很大。设计过程中应避免高温废气直接冲刷局部管壁问题，以免产生局部热疲劳失效，产生裂纹。

2)除进出气口附近连接通道以外的气道截面应尽可能设计成圆形或者椭圆形，尽量避免方形或长方形；各支管和排气歧管出口与总管之间过渡区域尽可能地圆滑过渡。

3)排气歧管过渡圆角应尽可能的大，避免局部区域热应力集中而产生开裂现象。

4)零件开发设计或优化设计阶段，通过TMF分析可有效提高优化方案的成功率，并极大地缩短排气歧管的验证时间，从而降低排气歧管的开发验证费用。