某柴油机DPM出油管振动分析及优化

董福祥,丁保安,李秀山,张新众,王晓波,郭鑫

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊 261061； 2.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061

0 引言

为了控制排放，减少车用柴油机尾气污染，国家第六阶段排放标准对氮氧化物和颗粒物的排放要求进一步提高，各种技术手段被用于柴油机的排放优化[1-3]。国六柴油发动机在后处理系统设计上做了较大改进，其中颗粒物消除系统(de-particular matter，DPM)发挥着重要作用，DPM出油管将燃油泵中的柴油喷入排气系统进行柴油颗粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)的再生，DPM出油管周围的工作温度较高，如果发生燃油泄漏，极易引起发动机着火。根据市场反馈，DPM出油管存在由于振动大导致出现裂纹和漏油的问题[4-8]，为解决裂纹漏油故障，本文中利用ABAQUS有限元软件对出油管进行模态计算，采集不同工况下各个测点的升速振动曲线，查找振动原因，采用仿真和振动试验相结合的方法对DPM油管进行优化，并将优化后的出油管在发动机台架上进行振动试验验证。

1 DPM出油管结构有限元分析

1.1 DPM出油管结构

DPM的作用是将燃油泵中的柴油喷入涡轮增压器下游、氧化催化器(diesel oxidation catalys，DOC)上游的排气管路中，使柴油在DOC中燃烧产生大量的热量，提高废气温度，使DPF捕集的碳颗粒氧化，实现DPF再生[9]。目前市场上DPM出油管有2种结构，一种是双层管结构，一种为单层管和保护罩组合的结构，如图1所示。本文中主要对第一种结构形式出油管的振动性能进行研究。

a)双层管 b)单层管和保护罩组合 图1 出油管结构

1.2 模态理论

模态分析可用来确定弹性结构系统的固有振动特性，识别系统的模态参数[10-11]，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断以及动力特性优化设计提供依据。有限元分析是目前工程领域一项重要的技术[12-14]，能够分析形状复杂的结构和边界条件，求解微分方程，进行数值计算。本文中应用有限元软件对DPM出油管进行计算，初步确定结构的几何形状、边界条件和材料特性，采用刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵代替结构的刚度分布、阻尼分布、质量分布，得到出油管的固有频率和振型。

结构在某时刻的瞬时位移、应变和应力都随时间t变化，由于节点具有速度和加速度，因此相应结构也受阻尼和惯性力的作用[15-17]。根据达朗伯原理，引入惯性力和阻尼力后仍为平衡状态，根据虚位移原理建立单元特性方程，由整体平衡条件得到整个结构的平衡方程：

(1)

当阻尼系统矩阵C=0，节点载荷矩阵R(t)=0，振动微分方程简化为：

(2)

设式(2)的特解为q=φexp(jωt)，其中φ为自由响应的n阶位移幅值列阵，ω为简谐振动圆频率，将其带入式(2)得：

(K-ω2M)φ=0。

(3)

为使系统有非零解，则有：

K-ω2M=0。

(4)

假设式(4)无重根，得到了此方程关于ω的n个互异正根ωi(i=1，2，…，n)，按升序排列得：

0<ω1<ω2<…<ωn，

(5)

式中ωi为振动系统的第i阶模态频率。由于系统属于多自由度无阻尼振动系统，其主频率即为系统的固有频率。

在实际工程应用中，因为系统的复杂性，建立的微分方程、边界条件的复杂性增加，尤其对于非线性和边界不规则等问题，一般不能通过求解得出精确解，只能利用数值法得到其近似解。

1.3 仿真计算

利用有限元软件ABAQUS对原出油管进行模态求解[18]，原出油管结构如图2所示。为避免出油管喷嘴喷油出现雾化不良问题，整个出油管为硬钢管。油管的材质为不锈钢，内径为4 mm，DPM出油管的材料属性如表1所示。

图2 原出油管结构

表1 材料属性

仿真计算的边界条件是约束油管的进油口、出油口、支架端的六向自由度，油管与减震块之间的边界设为绑定接触。DPM出油管模态振型如图3所示。由图3可知：原出油管的一阶模态为86 Hz，二阶模态为202 Hz。由于发动机激励转矩在低阶输出转矩较大，提供的激励能量较大，易激起强烈的振动，因此一般只考虑低阶模态，在系统模态设计中应尽量避免与发动机主阶次的固有频率重合，发动机主阶次各转速下的激励频率

(6)

式中：n为发动机的转速，r/min；i为发动机缸数。

a)一阶模态振型 b)二阶模态振型 图3 原DPM出油管模态振型

试验发动机转速为700～2200 r/min，六缸发动机主激励频段为35～110 Hz，由于出油管的一阶模态为86 Hz，处于发动机主激励频段，易引起共振。

2 试验分析

振动试验设备有电脑、SMC05数据采集前端、三向加速度传感器以及相应的连接线束，传感器的型号为356A25，灵敏度为24.5 mV/g(g为自由落体加速度)。由于出油管较细且质量较轻，为了避免振动传感器自身的质量改变出油管的质量分布，影响试验结果的精确度，每次测试时只使用一个传感器，进行多次测试，减少试验误差。

在发动机台架上对安装原DPM出油管的发动机进行振动测试，分别测试空载工况、外特性工况下的振动性能。振动的采样带宽设为1024 Hz，采样频率为1 Hz，在DPM出油管上依次采集5个位置的振动数据，振动测点为a1～a5，振动测点如图4所示。

图4 原DPM出油管振动测点

a)外特性工况 b)空载工况图5 2种工况各测点升速振动曲线

y方向振动最为剧烈，因此对a4、a5测点做y方向的Colormap，如图6所示。

a)a4测点 b)a5测点图6 a4、a5测点y方向的Colormap图

由图6可知：原DPM油管在73、82 Hz左右存在局部模态，测试结果与仿真计算的一阶模态86 Hz存在一定的误差。仿真分析对油管进出口进行了六向自由度约束，将支架上减震块与油管设置为接触边界条件，与实际安装环境存在一定差异，在振动测试过程中，DPM油管上的加速度传感器改变了油管局部的有效质量，以上因素都会导致误差出现。

3 优化结构及试验验证

现场实测原DPM油管振动剧烈，仿真计算的一阶模态为86 Hz，频率较低，容易被发动机激励，失效风险大，对油管结构进行改进与约束，新油管布局及振动测点位置分别如图7(橘色油管为原油管，红色油管为新油管)、图8所示。对新油管进行仿真计算，其一阶模态为166 Hz，二阶模态为202 Hz。出油管的一阶固有频率远大于发动机主阶次的固有频率，避免了被发动机主阶次激起强烈振动。

图7 DPM油管布局图 图8 新DPM油管振动测点位置图

将新DPM出油管安装在相同型号的六缸发动机上进行振动测试，测试各测点外特性工况和空载工况下升速振动性能，2种工况各测点升速振动曲线如图9所示。

a)外特性工况 b)空载工况图9 新出油管2种工况各测点升速振动曲线

由图9a)可知：外特性工况下，转速为1600 r/min时，支架测点a5处振动速度最大，为258 mm/s；测点a4处振动速度为170 mm/s。由图9b)可知：空载工况下，转速为1600 r/min时，测点a4振动速度最大，为100 mm/s，支架测点a5处最大振动速度为90 mm/s。新出油管相对于原出油管振动性能得到明显改善，但振动仍然较大。外特性工况下a4和a5测点处各方向的振动曲线如图10所示。由图10可知：油管x方向振动最大，约束较弱。

a)a4测点 b)a5测点 图10 外特性工况下2个测点各个方向的振动速度

图11 L型支架安装示意图

优化后DPM出油管主要振动方向为x方向，a5位置处增加L型支架加强x方向约束，L型支架安装如图11所示。对添加L型支架的新出油管测点a4、a5位置进行外特性工况及空载工况升速振动测试，并与不带支架测试结果对比，如图12所示。由图12可知：经过优化后，测点a4和a5处的振动明显降低，DPM油管的整体振动性能得到提高，振动强度降低。在台架上进行满负荷工况25.5 h的耐久试验，未出现裂纹漏油的问题。

a)外特性工况 b)空载工况图12 2种工况a4、a5测点升速振动曲线

5 结论

1)若DPM出油管结构设计不合理，会引起共振，导致油管振动剧烈，出现裂纹，造成漏油。

2)通过有限元仿真和振动试验方法对DPM出油管进行振动模态分析，并对结构进行优化，降低油管的振动幅值，避免与发动机主阶次频率重合。优化后的新油管，振动性能明显改善。

3)增加L型支架对油管进行约束，提高DPM出油管刚度，振动强度降低，试验结果与仿真结果一致，裂纹漏油问题得到解决。