某增压发动机排气热端耐久性分析与优化

李相旺，黄凤琴，张志明，何宝俊，邹雄才，张文龙，王伟民

(东风汽车公司技术中心，武汉 430058)

某增压发动机排气热端耐久性分析与优化

李相旺，黄凤琴，张志明，何宝俊，邹雄才，张文龙，王伟民

(东风汽车公司技术中心，武汉 430058)

某增压汽油机中，排气歧管的隔板倒角与颈部和催化器的壳体都出现开裂。通过仿真分析和对比试验发现，隔板倒角和颈部热应力过大是造成开裂的主要原因，而排气歧管1阶模态频率过低是催化器壳体开裂的主要原因。通过增大隔板处圆角并增加隔板厚度解决了隔板开裂问题，在颈部加筋解决了颈部开裂问题，而通过优化支架并另外增加固定支架提高排气歧管1阶模态频率解决了催化器壳体开裂问题。通过这些问题的分析和解决，积累了排气歧管的仿真、设计和测试经验。

发动机；排气热端；开裂；仿真；1阶模态；优化

前言

排气热端是发动机的重要部件，且由于工作环境恶劣，在工作过程中承受高温、振动载荷，也是发动机中容易发生可靠性故障的部件，而增压发动机排气热端由于温度比一般汽油机更高，且整体质量更大，所以更容易产生可靠性问题。排气热端失效后将导致发动机不能正常工作，且维修更换成本高，所以其可靠性非常受关注，国内外各主机厂和研究机构研究也很多。文献[1]中通过在排气歧管上选择合适位置布点来测量排气歧管温度，且通过仿真计算得出整个排气歧管的温度分布。通过对比试验和仿真结果来验证仿真模型，进而通过疲劳分析预测排气歧管失效位置。文献[2]中则详细讨论了排气歧管热力耦合分析建模方法，并比较了不同建模方法的精度。文献[3]和文献[4]中详细地描述了建模过程并与试验结果进行了比较。另外，其它一些文献对排气歧管热疲劳进行了比较深入的研究[5-6]。为对排气歧管新材料热疲劳特性进行研究，将新材料做成薄板，在不同高温条件下进行周期性加载试验，研究其在高温下的材料本构行为[7-8]。文献[9]中则详细描述了排气系统开发过程中典型的仿真、试验和使用仿真手段解决耐久性试验问题的过程，提供一个很好的参考。文献[10]中基于振动加速度测量数据，提取出判断排气歧管是否能通过耐久性试验的破坏因子。

本文中通过仿真手段并结合试验，找出了某增压汽油机试验过程中排气歧管本体及催化器壳体开裂原因，并根据不同开裂原因提出了不同的针对性的改进方案，解决了开裂问题，保证了开发进度。通过该问题的解决，对排气热端的失效机理有了较深刻的认识，并积累了相关经验。

1 故障描述与原因分析

在某汽油机开发过程中，在热冲击试验过程中排气歧管隔板圆角和颈部出现开裂，如图1所示。在振动耐久试验中催化器壳体与支架连接处出现开裂，如图2所示。通过故障树分析，初步认为排气热端失效的可能原因：一是排气热端1阶模态固有频率过低，与发动机产生2阶共振导致开裂；二是由于热疲劳导致开裂。

图1 排气歧管开裂图片

图2 催化器壳体开裂图片

2 仿真分析

2.1 分析流程

为确认失效原因，首先对排气热端进行系统仿真分析。先进行有限元建模，然后将一维和三维流体分析得到的内流场温度和对流换热系数作为热边界条件进行温度场分析。在温度场结果的基础上再进行热模态、密封和热应力分析并进行结果评价。在有试验振动数据的条件下，结合模态分析结果还可进行频响分析。最后再将仿真结果跟试验结果进行对比验证。

2.2 温度场分析

在温度场分析时，热边界条件的准确性是关键，热边界条件包括高温气体和歧管内表面间的强迫对流换热、发动机舱空气和歧管外表面的自由对流换热、歧管和隔热罩间的热辐射(图3)、进气法兰与缸盖间的热传导和缸盖螺栓与进气法兰等相邻部件间的热传导等。首先使用STRA-CCM+计算出排气歧管的稳态内流场，得到排气歧管内部气体温度和对流换热系数，然后将其映射到排气歧管内表面有限元网格上。其中排气歧管外壁面环境温度和对流换热系数由实测结果和经验值确定。在确定了相关热边界条件后，即可通过Abaqus/Standard算出排气歧管温度场。

图3 不同温度下间隙导热属性

排气热端有限元模型如图4所示，模型包括简化缸盖、螺栓、排气歧管本体、增压器壳体、增压器法兰、前级排气管进气管、催化器壳体、出气尾管、出气法兰、氧传感器底座、隔热罩、固定支架和焊缝等。除缸盖、螺栓、排气歧管本体、增压器壳体和法兰外，模型其余薄壁件均采用壳单元划分网格，总单元数为702 705，总节点数为344 980。排气热端温度场分布如图5所示。从图中可看出，歧管出口处和增压器壳体处温度最高，歧管本体最高温度位置在排气歧管隔板中心处，达859℃，隔板圆角处最高温度达830℃，颈部最高温度达820℃，温度分布趋势基本合理。

图4 排气热端有限元模型

图5 排气热端温度场分布

2.3 热模态分析

进行模态分析时，因为热端整体温度较高，而金属材料在高温时其物理力学性能会发生很大变化，如图6所示。可以看出随着温度升高，材料弹性模量、导热系数、比热容和热膨胀系数等物性参数都发生明显变化，而这些参数都会对模态分析结果有影响。如弹性模量降低时，模态会降低。模态分析时，简化缸盖底部和支架螺栓孔处都设定为全约束。

图6 材料力学特性随温度变化趋势曲线

排气热端1阶振型如图7所示，其中1阶振型是出气尾管的横向摆动，对应的热模态固有频率为128Hz；2阶振型是整体的纵向摆动，对应的热模态固有频率为171Hz。1阶和2阶模态固有频率均小于该发动机最高转速点火激励频率183Hz，排气热端与发动机会产生2阶共振。排气热端的应变能分布和试验结果如图8所示。由图8(a)可见，焊接支架与壳体焊接处应变能较大，而排气歧管本体处应变能很小可忽略。对比图8(a)和图8(b)可见，仿真应变能高的部位与试验壳体开裂位置吻合很好，说明共振是造成催化器壳体开裂的主要原因，而振动对排气歧管隔板和颈部开裂影响则较小。

图7 排气热端模态分析振型分布

图8 热端模态分析应变能分布和试验结果

2.4 热应力分析

在考虑位移边界条件及热冲击工况后，采用顺序耦合热应力分析方法可得到排气热端的热应力和应变分布。排气热端在台架上或工作中承受冷热冲击时，由于温度变化会产生塑性变形，并不断累积最终可能导致热疲劳，排气热端250h热冲击试验工况如图9(a)所示。为模拟台架热冲击试验循环工况，仿真分析施加的简化热负荷分析步如图9(b)所示。

在热应力分析过程中，须考虑各部件间的非线性接触关系，如缸盖与进气法兰接触、进气法兰与螺栓接触等。同样，还须考虑材料的温度非线性和材料大变形非线性，排气歧管铸铁材料的非线性应力应变曲线如图10所示。

图11为排气歧管热应力分布。由图可见：隔板开裂处应力明显大于周边应力，最大应力达到179MPa，大大超过该温度下材料屈服应力；排气歧管颈部最大应力为74MPa，也接近屈服应力。对比仿真与试验结果发现，应力集中区域与失效区域吻合得很好。而一般来说，热疲劳是机械疲劳、蠕变和氧化疲劳综合作用的结果。通过温度场分析可知，这两处温度都非常高，所以更容易产生热疲劳。综合温度场、热模态和热应力分析结果，可确定歧管隔板和颈部开裂主要是热疲劳造成的。

图9 热冲击循环示意图

图10 高镍铸铁非线性应力应变曲线

图11 原方案排气歧管热应力分布及试验结果对比

3 加速度测试

为进一步证实失效原因，验证仿真分析结果，直接在发动机台架上进行加速度测试。在排气歧管、催化器和增压器壳体上选取8个点布置加速度传感器。测量得到各测点2阶三向振动加速度，如图12和表1所示。由图可见：在3 820和5 500r/min时，排气热端与发动机产生明显共振，单向最大加速度达到15g；发动机在3 820和5 500r/min时对应的2阶点火激励频率分别为127和183Hz，分别对应排气热端的1阶和2阶模态。对比仿真值与实测值并计算1阶模态误差值δ1和2阶模态误差值δ2，δ1和δ2，结果均小于10%，证实仿真结果精度是满意的。

图12 排气热端各测点2阶三向振动加速度

表1 振动仿真及试验结果对比

通过仿真和试验对比，可确定催化器壳体开裂主要是排气热端与发动机共振造成的，而排气歧管开裂的主因是材料局部热疲劳。

4 改进方案与仿真分析及验证

4.1 壳体开裂改进方案

催化器壳体开裂最根本的原因是排气热端1阶模态过低，则最直接的改进思路是优化支架，提高排气热端1阶模态频率。为此，提出了两种不同的设计改进方案，如图13所示。方案1是考虑到出气尾管处振幅较大(图7)，在尾管处增加一个固定支架，如图中圆圈所示。方案2有3处更改：一是将排气管与缸体连接支架由冲压件改为铸造件，提高支架刚度，并将该支架固定点由2个增加到4个；二是将壳体焊接支架与壳体焊接方向由斜向调整到与径向平行，并在反方向增加一个对称的支架，以提高支架支撑刚度，如图中浅色箭头所示；三是考虑到增压器壳体振动较大(图12)，在增压器法兰处增加一个固定支架，如图中深色箭头所示。

方案1和方案2模态结果对比如图14所示。方案1的1阶模态为172Hz，较原方案虽然有较大幅度提升，但是仍然没有达到目标值，在5 000r/min左右有共振风险。方案2的1阶模态为207Hz，达到目标，在发动机最高转速时仍不会发生2阶共振。选用方案2进行试验验证。

图14 不同方案模态对比

4.2 排气歧管本体开裂改进方案

由于排气歧管本体开裂的主要原因是热疲劳引起的，而热疲劳的本质原因是局部塑性变形或热应力过大，所以改进的思路是减小局部应力或应变。排气歧管本体有两处改进，如图15所示，一是将隔板处倒角半径从3增大到5mm，将隔板厚度从5增大到6mm，二是在颈部加筋。

图15 歧管本体更改示意图

排气歧管更改后热应力分布如图16所示。对比图11和图16，隔板圆角处热应力从179减小到45MPa，颈部应力从74减小到64MPa。隔板处应力改善明显，颈部应力稍有改善，但颈部温度从720降为680℃，这也有利于避免材料发生局部热疲劳。

图16 改进方案歧管热应力分布

4.3 试验验证

改进后排气热端方案在台架上进行了振动耐久和热冲击试验。振动耐久试验结果，新方案避开了2阶共振；而热冲击试验结果，歧管本体更改后热应力有所降低。振动耐久和热冲击台架试验中，新方案均未出现开裂，故被证实是可行的。

5 结论

结合仿真和试验手段，找出了某汽油机开发过程中排气歧管本体和催化器壳体开裂原因，并根据不同开裂原因提出了不同针对性的改进方案，解决了开裂问题。针对催化器壳体开裂问题，对缸体支架和催化器焊接支架重新进行优化设计，并结合试验数据，在增压器法兰处增加固定支架，提高整个排气热端1阶模态，使其避开发动机2阶共振。至于排气歧管本体开裂问题，则通过优化本体结构，减小局部热应力，避免出现热疲劳。通过该问题的解决，对排气热端的失效机理有了深刻认识，并明确了排气热端设计准则：

(1)排气热端1阶模态应大于发动机最高点火激励频率，避免发动机与排气热端发生2阶共振；

(2)塑性应变或热应力应小于限值，避免因塑性变形过大而产生热疲劳，导致开裂。

另外，通过该工作还积累了排气热端设计、仿真分析、试验和一些关键物理量如振动加速度、热端表面温度的测试经验。

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Durability Analysis and Optimization on the Exhaust Hot End of a Turbocharged Gasoline Engine

Li Xiangwang， Huang Fengqin， Zhang Zhim ing， He Baojun， Zou Xiongcai，Zhang W enlong＆W ang W eim in
Technical Center， Dong Feng Motor Co.， Wuhan 430058

Cracks appear at the baffle fillet and neck of exhaustmanifold and the housing of catalytic converter in a turbocharged gasoline engine.It is revealed by simulation and comparative test that themain cause of the cracks at the baffle fillet and neck of exhaustmanifold is high thermal stress，while the 1st-ordermodal frequency is too low，which results in the crack of catalytic converter housing.The crack problem atmanifold baffle is solved by increasing its fillet and thickness while that at neck is solved by adding rib.As for the crack of catalytic converter housing，the solution are optimizing bracket and adding another fixed bracket to increase its 1st-order modal frequency.In the process of analyzing and solving these crack problems，some experiences are accumulated regarding the simulation， design， test and measurement of exhaustmanifold.

engine； exhaust hot end； crack； simulation； first-order m ode； optim ization

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.10.006

原稿收到日期为2017年7月19日，修改稿收到日期为2017年8月22日。

李相旺，工程师，硕士，E-mail： lixiangw＠ dfmc.com.cn。