某微型车发动机排气管连接密封环结构优化

安丰明 房桂珍 杜克强

上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司 山东省青岛市 266599

1 引言

随着国家对排放要求的提高，尤其国六排放的限期实施，汽车制造企业都不得不采取各种解决方案来应对排放法规和整车油耗要求，其中对发动机的优化是不可避免的，如涡轮增压器、缸内直喷、废气再循环等，在通过提高燃烧效率净化排气同时，发动机燃烧压力和温度会随之提高，而温度提高对发动机排气系统产生负面影响，苛刻的高温排气使得排气系统法兰结合面的密封变得十分困难，而法兰结合面泄漏不仅会引起用户的质量抱怨，而且会影响排放和燃料消耗量不达标。本文就是在此背景下，对某微型车在市场使用过程出现了排气系统密封环被烧蚀，引起漏气故障的分析和改进。

2 市场故障现象

2.1 排气系统泄露位置结构

图1、图2 所示

图1 密封环密封位置外图图2 密封环密封结构剖解图

2.2 市场上密封环烧蚀现象

a 密封环石墨层被发动机高温气体烧蚀，只剩不锈钢骨架；图3 所示。

图3 密封环烧蚀只剩骨架图片 图4 压缩弹簧长度衰减（中间）

b 压缩弹簧长度衰减，对连接位置压紧力降低。图4 所示。

3 排气岐管与三元催化器管连接位置密封介绍

3.1 发动机排气岐管与三元催化器及消声器的连接方式，根据发动机受力分析、噪音等因素决定选择密封环结构的软连接还是密封垫硬连接，基于以上考虑，本车型设计时发动机排气岐管与三元催化器管连接部位采用了密封环软连接，为了保证发动机的受力状态，此连接方式不能从结构上进行替换，要解决市场密封环烧蚀的现象，只能在此结构基础上进行优化改进。

3.2 密封环结构的密封面是一个动态的结合面，受高温排气影响会使排气歧管受热膨胀，又会因为温度降低而收缩，使排气管密封环的工作条件比较恶劣：有500-700 ℃的高温、具备较大的耐磨和弹力、承受高温气体的压力、高频振动等。

3.3 密封环结构：环状密封体由不锈钢金属丝构成环状网结构体和膨胀石墨、云母等具有耐热性与气密性的无机材料压缩为一体。

3.4 压缩弹簧对密封环压紧说明：

图5

4 密封环烧蚀原因分析

4.1 密封环密封性耐久测试

a.开发一个可以模拟排气管密封环在整车上的工作环境试验台，如图6 所示，使密封环在高温、高压、震动的环境下测试其耐久性。

图6 密封环密封性能耐久试验台

表1 试验参数

5 总结

b.试验及结果

根据常规工况开展台架试验，对弹簧进行700 ℃高温耐久测试，试验进行至700-800 万次，如图7 所示，震动频次和泄露量系统开始出现漏气，拆解后发现弹簧大端节距间隙几乎为0mm，如图8 所示与售后故障件表现一致，但密封环未出现烧蚀现象。

图7 震动频次和泄露量趋势图

图8 试验弹簧大段节距衰减为0

a.3.2 模拟试验台耐久试验结果密封环并无损伤，弹簧压紧力是引起密封坏损坏因素，但不是初始原因，对密封环环境温度进一步分析。对该车型发动机在密封环位置的排气温度进行测试，密封环石墨层耐温700℃，如图9 所示，经测量，此车型发动机在高车速转速区排气温度达900℃。

图9

b.在试验车上进行密封环坏路路试，经过2.3 万公里实验，如图10 所示，密封环裸露在排气管内部的小端开始出现烧蚀现象，确定高温烧蚀是引起密封环烧蚀的导火索。

图10

6 结论

测试结果显示，引起此车型的密封环被烧蚀有2 个影响因素：

a.整车发动机在高车速状态下工作，排气管内的温度会高于密封环石墨层承受温度，导致裸露在排气管内的密封环端部区域开始烧蚀；

b.压缩弹簧在高温环境下长期工作，长度出现衰减，导致压缩力不足，对发动机排气岐管和三元催化器管的连接力降低后，两者动态撞击加速了密封环石墨层的损坏。

7 解决方案与性能测试

7.1 针对压缩弹簧长度衰减，从改进弹簧材质，提高压缩弹簧弹簧力耐久性能入手，将材质由碳素弹簧钢丝 65Mn-DGB437-89 改为不锈钢：W200CU-1，对新状态弹簧进行测试（新状态弹簧材质中Cr/Mn 等含量高，耐热性能更优），在900℃环境下1200 万次未失效，估算整车行驶里程＞50000km，弹簧未出现明显衰减，系统密封能力显著提升。

表2 压缩弹簧更改前后材质对比

图11 新弹簧密封耐久试验

图12 新弹簧试验后状态

7.2 针对排气管密封环石墨层高温烧蚀现象，优化密封环的结果，将与密封环与发动机排气岐管接触面的石墨层取消，改为网状不锈钢骨架直接接触，如图13所示：

图13

新结构密封环安排试验车坏路上进行3万公里路试，图14 所示密封环没有出现烧蚀现象。

图14 新密封环路试3 万公里后状态

测试结果表明，通过更改压缩弹簧材质及优化密封环石墨层的结构，可以大幅提高密封性能，新结构的密封环耐高温性能大幅提升，能够保证高温连接径向密封的可靠性。上述措施实施后，整车生产15 万台，12 个月后的市场表现，因此位置漏气故障维修索赔率大幅下降，优化方案有效。