发动机增压器涡壳开裂的原因及解决措施

王磊 吕清波

摘要：车用涡轮增压技术日益普及，越来越多的人开始关注增压器的可靠性。通常情况下，车用增压器的工作环境温度为1050℃附近。在此高温下作业，涡轮开裂问题将变得频繁。针对此问题，本文从材料选择、结构设计、生产工艺以及工作环境等四个方面进行分析讨论，研究找出涡壳开裂的风险点，并且制定相应的改善措施来降低此风险，从而提升增压器的可靠性。

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.

關键词：涡轮增压技术;汽车发动机;可靠性;涡壳开裂

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

中图分类号：U269.5                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）24-0123-02

0  引言

进入21世纪以来，汽车排放标准不断提高，“高效，节能，减排”成为如今汽车发动机技术发展的首要任务。而涡轮增压器技术是提高发动机性能的有效措施，涡轮增压技术在提升发动机的动力性，燃油经济性和排放性能方面有显著的效用。随着市场对涡轮增压技术需求的扩大，我国涡轮增压器产业也在进一步壮大。发动增压的含义是，为了增大输出功率，利用多种方式来加大发动机进气压力与进气充量。汽油机就是一个利用增压技术提高动力性，经济性与排放性的例子。德国的道依茨公司在1926年率先使用废气涡轮增压来制造其VMS158型柴油机。新的发动机功率从423kW增加到551kW，提升大约30%。在之后的发展中，汽油喷射式发动机与电控技术的研究与应用取得重大突破，增压技术也日渐完善，废气涡轮增压技术不仅使用在柴油机中，也在汽油发动机上得到应用。现今，车用废气涡轮增压器技术作为一种高端技术在现代汽车发动机中大量运用，而对于涡轮增压器，它的一种关键组件是蜗壳。

1  增压器涡壳开裂的原因分析

1.1 从材料方面分析

通常情况下对于车用汽油机，它的排气温度最高可以升至1050℃。虽然说柴油机的排气温度相对来说要低一些，但温度最高也能达到830℃，也是属于非常高的温度。在这样的高温环境中，涡壳材料要想正常使用，那么它就必须具有良好的性能，才能满足在非常高的温度环境下正常使用。那么哪些性能是蜗壳材料必须的呢？比如说较小的热膨胀系数，较强的高温抗氧性和高温强度，优良的工艺性能与状态稳定的显微组织等。这些对材料来说是非常高的要求标准。因此对于涡壳材料的选择来说要求也就非常高，需要根据实际需求选用不同的材料。在涡壳制作材料的选择过程中一旦材料选用不合理，那么涡壳开裂的风险就会大大的提高。一般来说，选用耐温高的材料，生产成本也会进一步增加。在这样的情况下，一些主机厂为了节约成本，往往会偷工减料，选用耐温不高的材料运用在高温工作环境中，造成质量不合格，这样涡壳开裂问题便频繁出现。

1.2 从结构设计方面分析

除了涡壳制作的材料不合理造成开裂以外，如果涡壳的结构、尺寸等的设计出现不合理的情况，同样也会造成涡壳开裂，这主要是因为涡壳的工作环境温度多变且跨度大，热膨胀率高，热应力大。由涡壳结构、尺寸等造成的开裂，一般有以下几种主要情况：对于涡轮安装凸台设计位置不合理，那么将可能产生铸造缺陷，从而对蜗壳强度造成影响;在设计层面，如果存在结构设计不合理、模态底等问题，将可能导致涡轮开裂。在蜗壳各个面结合的地方，尤其对于流道舌头这一部位，一旦过渡圆角设计太小，那么将容易产生热应力集中。这也是造成涡壳开裂的一个原因。

1.3 从生产工艺方面分析

生产涡壳的过程中，通常选用铸造成型的方法。所以说，在涡壳铸造过程中涉及的工艺，每一个流程都将会影响涡壳的强度。比如说涡壳生产流程中包含的杂质的种类以及量的多少、一些微量元素组成比例，以及操作过程中参数的设定、工艺方法、有关模具的设计、热处理和一些特殊处理（如孕育处理、球化处理等）等各个方面，在这众多的方面中，任何一个环节出现问题，或者存在一些不合理的现象，那么都会给涡壳带来不可避免的缺陷，都会造成涡壳开裂的可能。在铸造的涡壳里面，经常遇到的涡壳缺陷主要有气孔、热结、金相组织异常、缩松等问题，这些问题的存在都将造成涡壳强度低、开裂等潜在风险。由此可见，生产工艺对涡壳的质量影响很大，同时也是影响涡壳是否开裂的一个重要因素。

1.4 从工作环境方面分析

在通常车用涡轮增压器的涡壳的作业环境中，温度跨及范围非常大。基本上都要由常温到超过1000℃，这就对涡壳的质量要求非常高，能适应的温度范围也比较广。涡壳在使用过程中不仅需要支撑增压器本体，而且需要链接和支撑各种排气系统零件，如三元催化器，因此蜗壳的受力很大，尤其是对于无增压器作为支架的蜗壳。除此之外，涡壳还需承受发动机以及整车传导来的震动。在恶劣的环境下工作，导致涡轮开裂的因素也增大。例如，发动机NVH性能不佳或者排温超标，都将是造成涡轮开裂的因素。

2  针对增压器涡壳开裂的一些改善措施

2.1 材料选择

涡壳材料主要包括中硅铁素体球墨铸铁、高镍奥氏体球墨铸铁、铁素体球墨铸铁、钒铸铁、耐热不锈钢、灰铸铁等。一般来讲灰铸铁耐温较低，在传统的使用中，灰铸铁主要是用于低负荷的柴油机，随着科技的发展，灰铸铁的使用已经非常少见了;虽然说铁素体球墨铸铁性能要比灰铸铁高，但是也仅仅在热负荷较低的柴油机中使用;中硅铁素体球墨铸铁中包含相对高的硅元素与微量的钼等元素，当排温在650～760℃时，通常会考虑使用中硅铁素体球墨铸铁，一般在柴油机中使用;钒铸铁的耐温性要比中硅钼球墨铸铁高，排温在700～830℃时考虑使用，一般用于高排温柴油机;高镍奥氏体球墨铸铁，具备优良的抗热蠕变性和抗热冲击性能，可以耐高温达到800～950℃，常用于汽油机增压器涡壳;耐热不锈钢材料（1.4837、1.4848等）可耐高温超过1000℃，用于高排溫汽油机。所以说，涡壳工作环境在温度上有很大的差别，这样就造成了选用的耐温材料也存在着很大的区别，这样可以很大程度的避免涡壳开裂问题。

2.2 结构设计

在涡壳结构设计方面，更多的是需要关注企业自身积累的经验，来对涡壳的结构设计进行不断的优化。随着科学技术的不断发展，可以通过仿真计算软件的运用达到仿真计算的目的，根据分析结果发现问题，从而避免涡壳开裂。设计者在设计涡壳时，往往是依靠以往积累的经验，采用三维模型软件来构建涡壳三维模型，之后做CAE、CFD仿真计算，分析出涡壳的压力场、速度场、温度场、模态和热应力等的分布状况。在此基础上，依据计算结果发现问题，从而优化结构设计以期符合涡壳设计标准。除此之外，也需要对前期制作样件做多种试验验证。试验不仅可以检验设计与工艺是否合理，而且也可以检验仿真计算的精确度如何。目前，计算的精确度随着仿真软件的升级换代而逐步增大，因此，对于涡壳前期设计，利用仿真计算可以有效的避免不合理的设计从而减少涡轮开裂的可能性。

2.3 生产工艺

随着社会的发展和科学技术的提高，在生产工艺上也有了更高的要求，才能满足现代涡壳的生产需要。多次改良铸造工艺也可以减少铸造缺陷。需要最优化设定杂质的含量、微量元素配比、工艺的参数设定、工艺方法、模具设计、热处理等各环节因素。在模具没有成型时，需要对模具模流以及铸造工艺等各个方面做一些仿真分析，从而确保工艺理论、模具等进行最优化设计。除此之外，也需要通过试验验证与分析计算得出浇冒口的结构尺寸大小与所在位置，砂芯、覆膜砂所需要选用的材料，排气口所在位置和数量等方面的最优解，无依据的盲目确定是不可取的。热处理及其他特殊处理（如球化处理、孕育处理等）等是产品的关键之处，处理制剂与参数设定也都需要最优化设定，并且需要进行一定数量的试验检验与验证。对于之前别人归纳的方法，不可以全部搬用套用。不同的设备、材料、环境以及场地都会产生影响。因此，企业需要视各自的实际情况而定，加多试验验证的次数，通过试验结果多次改良工艺，寻找最优化的工艺方法来减少铸造方面的缺陷，从而避免蜗壳开裂。

2.4 工作环境

对于工作环境，需要在开发这一环节中多加注意并且进行多次试验验证从而减少涡轮开裂的风险。在前期需要通过仿真计算软件来计算模拟整车、整机的流场、温度场和振动这几个方面的表现，依靠所得结果来选择有关材料与结构方面的优化。在后期需要做样件搭载整机、整车做一些耐久试验的考核与NVH测试。通过实验表现，迅速更换标定数据与相关材料，从而优化增压器单体或者是整机、整车的结构布局。早期的仿真计算优化，有利于减少设计相关的问题;在整过程的后期阶段，关于制作样件搭载整机、整车，需要进行数次在各种极限工作环境中的可靠性验证，有助于考察蜗壳在不同的极限工况下的工作表现。通常来讲，如果在极限条件下无问题出现，那么在其他工况中发生问题的可能性也较低。

3  结语

本文通过对蜗壳前期的设计开发，到之后的生产过程，再到最后的使用环境等多个角度进行分析讨论，找出不同环节中可能出现的蜗壳开裂风险与问题，并对此进行优化改进从而减少在设计阶段、生产阶段与使用阶段等各个阶段中涡壳开裂的可能性。实践表明，前期的仿真计算分析和后期的制作样件试验考核的组合方式有助于蜗壳开裂问题的分析与解决，并且可以在产品开发过程时发现和解决开裂问题，有效避免产品流入终端客户手中，引起不必要的麻烦与纠纷。

参考文献：

[1]周锦银.汽车涡轮增压器壳体材料的现状和发展[J].江苏冶金，2016（5）：1-3.

[2]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].北京：机械工业出版社，2018：88.

[3]刘文元，陈超明.某重型发动机增压器涡壳断裂原因分析及改进[J].装备制造技术，2019（05）：218-222.

[4]王应红，王少鹏，赵永生，郑重.汽油机增压技术目前存在的问题和解决方法[J].上海汽车，2018（10）：46-48.

[5]常雪嵩，周瑶，赵达，马金强，韦虹，李军，王瑞平.发动机增压器蜗壳开裂的原因分析及改进措施[J].内燃机与动力装置，2017，34（05）：45-47.

[6]骆旭薇，石勇，李斌，腾和，廖善权，袁晓军.应用FEA-CFD耦合方法对某增压柴油机排气歧管的开裂失效分析及设计改进[J].内燃机工程，2015，36（06）：144-150.

[7]夏伟，陆志强.基于DOE涡轮增压执行器铆接工艺优化[J].精密制造与自动化，2019（02）：53-57.