某柴油机EGR冷却器开裂失效分析

肖连峰

(江西五十铃发动机有限公司，江西南昌 330200)

0 引言

随着排放法规的不断升级，对NOx的排放限值要求逐渐加严，相对于国Ⅴ阶段，国Ⅵ阶段的排放限值严苛了许多，尤其是对NOx的排放要求，各汽车厂商为降低NOx排放，目前采用最广泛的是EGR技术[1-2]，废气再循环系统(Exhaust Gas Recirculation，EGR)，是将发动机产生的废气的一小部分再送回气缸再度燃烧的技术，具体地说，将发动机排出的废气与新鲜空气混合后再进入气缸，降低燃烧速度和温度，达到降低NOx排放的目的。目前，EGR技术分为内部EGR技术和外部EGR技术。内部EGR技术是将废气在缸内进行循环，其结构简单、应用方便，但难于精确控制EGR率，因此，目前广泛采用的是外部EGR技术[3-4]。外部EGR技术是将排气管中的废气经过EGR冷却器和EGR阀，重新引入到进气歧管中与新鲜空气混合，进入气缸再燃烧的方法[5]。

EGR技术中的核心部件为EGR冷却器，它具有将废气冷却并重新导入进气侧作用。由于EGR冷却器是将排气管中的高温气体引入冷却，故其进气端所受热负荷大，容易出现应力大而导致的开裂失效故障。图1为某公司自主研发的直列四缸增压柴油机在台架试验中出现EGR冷却器开裂失效图片，裂纹位置在EGR冷却器进气端，且多次发生了相同失效故障，严重影响了项目的进展及SOP。

图1 EGR冷却器开裂

1 EGR冷却器材料分析

该EGR冷却器进气端材料采用是耐热钢SUS430，光谱检验结果SUS430:0.04%的C，0.34%的Si，0.37%的Mn，0.031%的P，0.002%的S，16.2%的Cr，0.12%的Ni，屈服强度为310 MPa，硬度为139 HV，如图2所示。从材料分析看，该EGR冷却器进气端材料符合要求，金相组织合格。

图2 光谱检验

2 有限元分析

2.1 模态分析

该EGR冷却器进气端与铸铁接管连接，固定在排气歧管上，出气端侧焊接有一个支架，固定在气缸盖罩上，出气法兰面与废气波纹管连接，故本次模态分析把铸铁接管、废气波纹管连接在一起分析计算，再把铸铁接管、EGR冷却器支架、废气波纹管螺栓连接部位做固定约束，这样最接近发动机实际装配，如图3所示，各零件计算所需材料参数见表1[6]。

图3 计算模型固定约束

表1 材料性能

通过模态分析计算，分析结果如图4所示，一阶模态为230.8 Hz，发动机的基准模态为140 Hz，EGR冷却器系统的整体模态大于发动机基准模态，但是安全裕度不够，且EGR冷却器在一阶模态下出气端的振动最大，沿Z向(发动机活塞运动方向)上下振动，导致EGR冷却器进气端的变形量大，容易产生较大的应力，有开裂风险，故下一步要强度分析，计算其应力值。

图4 模态分析结果

2.2 振动扫频测试

由于EGR冷却器强度分析，需要施加加速度计算，为了分析精确，在发动机台架上对EGR冷却器进行振动扫频，测出EGR冷却器的实际振动加速度。试验设备：朗德24通道；三向振动传感器，试验工况：发动机用时120 s 100%油门开度下均匀加速由1 000 r/min升到4 000 r/min，传感器布置如图5所示。

图5 传感器布置

加速度测试结果如图6所示，在EGR冷却器上布置了4个传感器分别在进气端、中间、出气端、支架上，测试结果显示在EGR冷却器出气端Z向的振动加速度最大，为16.7g，与模态分析结果一致。

图6 加速度测试结果

2.3 强度分析

EGR冷却器强度分析的固定约束参照图3，分别在X、Y、Z方向施加一个加速度值计算，由于实际测试EGR冷却器得振动加速度为16.7g，故施加安全系数后按20g加速度计算，仿真分析结果显示EGR冷却器的进气端的最大应力值为105.1 MPa，如图7所示。

图7 冷却器进气端应力值

EGR冷却器进气端材料为SUS430，在600 ℃(EGR冷却器废气最高进气温度650 ℃)高温下的疲劳极限曲线图如图8所示，施加1.66安全系数后，基准值小于102 MPa，而EGR冷却器前端分析的最大应力值为105.1 MPa，大于判断基准值，不满足设计要求，有开裂风险，与冷却器实际开裂失效相吻合。

图8 SUS430疲劳极限曲线(600 ℃)

2.4 优化方案

从上述模态分析及强度分析结果来看，EGR冷却器进气端开裂的主要原因是其出气端振动过大，虽然一阶模态满足设计要求，但是安全裕度不够，EGR冷却器出气端的振动加速度过大，导致其进气端变形量大而产生较大应力，故文中优化方案在冷却器出气端追加辅助支架，辅助支架为铸造不锈钢0Cr18Ni9材料，如图9所示，从而提高EGR冷却器的整体模态，降低EGR冷却器出气端的振动加速度，减小EGR冷却器进气端的应力值。

2.5 优化方案模态分析及强度分析

新方案模态分析及强度分析的固定约束如图10所示，其中辅助支架材料为铸钢0Cr18Ni9，零件计算所需材料参数见表1。

图9 辅助支架装配图

图10 新方案计算模型固定约束

通过模态分析计算，分析结果如图11所示，一阶模态为414.5 Hz，相比优化之前一阶模态230.8 Hz，优化方案后的模态大幅提升，EGR冷却器出气端的振动明显降低，EGR冷却器进气端的变形量也大幅减小。

图11 新方案模态分析结果

EGR冷却器强度分析同样按照之前参数设定，分别在X、Y、Z方向施加20g加速度计算，计算结果如图12所示，EGR冷却器进气端的应力值为56.5 MPa，相对于优化之前的105.1 MPa，应力值大幅度减小，满足判断基准值小于102 MPa的要求，如图13所示，判定OK，故从仿真分析结果上看，优化方案满足设计要求。

图12 新方案冷却器进气端应力值

图13 SUS430疲劳极限曲线(600 ℃)

3 试验验证

3.1 振动扫频测试验证

通过测试新方案的振动加速度，与优化之前振动加速度做对比，验证优化方案是否有效；试验设备：朗德24通道；三向振动传感器，试验工况：发动机用时120 s 100%油门开度下均匀加速由1 000 r/min升到4 000 r/min，传感器布置如图14所示。

图14 新方案传感器布置

加速度测试结果如图15所示，在EGR冷却器上布置了2个传感器分别在出气端、支架上，出气端的振动加速度为7.26g(Z向)，相对于优化之前出气端的振动加速度16.7g，振动加速度明显降低，新方案对降低其振动加速度效果显著。

图15 新方案加速度测试结果

3.2 发动机耐久试验验证

对优化后的方案搭载在发动机上做台架耐久试验验证，如图16所示，分别进行了发动机共振试验(371 h)、EGR交变试验(1 035 h)，按某公司企业试验大纲标准执行，实验后EGR冷却器未再出现过开裂失效故障，新方案耐久实验通过。

图16 EGR冷却器台架耐久试验

4 结束语

文中通过有限元分析对某EGR冷却器进行模态分析，再做EGR冷却器振动扫频试验，测出EGR冷却器振动加速度，然后根据实际测的振动加速度，对EGR冷却器进行强度分析，精确计算出EGR冷却器各部位的应力值，仿真分析的结果与实际开裂位置也相吻合。

针对该款EGR冷却器开裂问题，在EGR冷却器现有布置条件下，提出增加一个辅助支架措施，以提高EGR冷却器整体模态，降低出气端振动加速度，从而减小进气端的应力值，经仿真分析和试验显示，优化方案后进气端的应力值大幅度减小，台架耐久试验后未再出现开裂故障，彻底解决了EGR冷却器的开裂问题，从而延长了EGR冷却器的使用寿命，有效规避了市场风险。