某汽油机EGR 进气管总成断裂问题分析及优化

潘显琦

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州 545000）

0 引言

随着国家对排放以及油耗的要求日益提高，我国在2016 年12 月23 日发布了“轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）”（GB 18352.6—2016）[1，2]。标准规定在由全球统一的轻型车测试循环（WLTC）工况下进行整车油耗及排放物测试。这对于发动机企业来说是一个前所未有的挑战，将废气再循环系统（Exhaust Gas Recirculation，EGR）运用到汽油机上是降低NOx的排放量、降低油耗的一个有效措施[3-6]。某汽油机在产品开发前期试验过程中发现EGR 进气管总成波纹管与直管过度位置断裂失效。本文针对断裂问题，从断口微观、发动机NVH 方面进行原因分析，从制造工艺、结构上进行优化，对优化后模型运用simlab 软件进行四面体二阶单元网格划分，运用ABAQUS 有限元分析软件进行模态、强度分析，并且进行了多次试验验证，以解决EGR 进气管总成断裂问题。

1 EGR 系统总布置

某汽油机EGR 系统布置在发动机后端，由EGR进气管总成、EGR 冷却器、EGR 阀、EGR 出气管总成组成，详见图1。废气从三元催化器引出，经EGR 进气管总成、EGR 冷却器、EGR 阀及出气管总成进入发动机进气管。

图1 EGR 系统布置

2 故障描述

整车路试至累计里程27202 km 时发现，发动机EGR 进气管总成断裂。断裂部位位于波纹管与直管过度位置。发动机在台架进行可靠性试验约200 h 后检查发现EGR 进气管总成断裂。断裂部位均位于波纹管与直管过度位置，详见图2。

图2 EGR 进气管断裂位置

3 原因分析

分别从断口微观分析、EGR 进气管总成工作环境振动两方面进行分析。

断口经超声波清洗后上电镜观测，整个断口可观测到疲劳辉纹，判定断口类型为疲劳断口（图3）。该位置有应力集中易产生疲劳裂纹最终导致疲劳断裂。

图3 断口微观形貌

对发动机进行NVH 测试，监测点分别布置在缸体、EGR 阀体、缸盖后端、冷却器、EGR 进气管出气口，详见图4。

图4 发动机台架NVH 测试测点布置

EGR 冷却器处测点存在约510 Hz、690 Hz 共振频带。加速工况时EGR 冷却器测点Y方向的振动幅值较大，发动机缸盖处存在较大振动；发动机振动以及共振都有可能导致EGR 进气管总成断裂。

4 结构改进

对断口进行电镜微观分析和发动机整机振动分析得出：断裂位置有应力集中易产生疲劳裂纹最终导致疲劳断裂；EGR 冷却器处存在共振频带也可能导致断裂。针对断裂原因，对EGR 进气管总成结构进行优化，详见表1，结构对比如图5。

表1 波纹管优化前后对比

图5 EGR 进气管总成优化前后对比

5 CAE 分析

对优化后的EGR 进气管总成模型（不含金属保护网套）运用simlab 软件进行四面体二阶单元网格划分，运用ABAQUS 有限元分析软件进行模态、强度分析。材料信息见表2。

表2 EGR 进气管总成材料信息

EGR 冷却器结合面安装孔全约束，三催侧XYZ三向施加980 N/mm 弹性约束，与优化前状态边界一致。一阶模态为530 Hz，模态频率、一阶阵型见图6、图7。

图6 模态频率

随机响应分析，按表3 加速度功率谱密度加载，530 Hz 激励时存在局部应力集中，最大应力为144.91 MPa，小于屈服强度207 MPa，满足要求，应力云图详见图8。

表3 功率谱密度

图8 应力云图

CAE 分析结论：一阶模态频率为530 Hz，避开共振风险，可满足要求。随机响应分析，在530 Hz 共振频带处存在局部应力集中，最大为144.9 MPa，小于207 MPa 屈服强度，满足要求。

6 试验验证

将优化后EGR 进气管总成样件5 件搭载发动机进行729 h 台架可靠性试验、3 件搭载整车进行58000 km 可靠性试验，试验后对样件进行清洗后目视检查，EGR 进气管总成样件无裂纹，对样件加0.3 MPa压缩空气、持续60 s，无泄漏。

7 结语

波纹管在设计开发过程中主要考虑以下几点：（1）从整机振动角度考虑，波纹管一阶模态频率避开共振风险；（2）波纹管尽量布置在直线段，有利于吸收振动能量，从而增加可靠性；（3）波纹管与直管过度区域避免应力集中；（4）减小波纹管壁厚有利于增加柔韧性，可设计成双层薄壁波纹管；（5）波纹管外部增加金属保护网套，增加柔韧性，有效吸收发动机整机振动。