柴油機增壓器與排氣歧管結合面漏氣改進措施

（上海汽車集團股份有限公司/上海市汽車動力總成重點實驗室，上海201804）

柴油機增壓器與排氣歧管結合面漏氣改進措施

邢正雙，張兆明，曾 斌，張 萌

（上海汽車集團股份有限公司/上海市汽車動力總成重點實驗室，上海201804）

某研發階段的四缸柴油機在臺架試驗過程中，增壓器與排氣歧管結合面經常發生漏氣現象。經分析主要原因為增壓器墊片設計存在缺陷以及增壓器墊片、增壓器螺柱與螺母材料選擇不合適，無法滿足增壓器與排氣歧管在高溫惡劣環境下的密封條件，最終導致密封失效而發生漏氣。因此，對增壓器墊片設計及墊片、螺柱與螺母材料進行改進，最終解決了增壓器與排氣歧管法蘭結合面漏氣問題。

柴油機墊片結合面設計缺陷材料改進

1 引言

在熱力系統中，管道、閥門等總是在高溫、高壓狀態下運行，一般采用法蘭連接。墊片是其中重要的密封元件，其密封性能直接關系到系統的嚴密性，一旦系統嚴密性被破壞就會導致氣體或液體泄漏[1]。本文以某研發階段四缸柴油機為研究對象，針對臺架試驗過程中增壓器墊片漏氣問題進行分析并提出解決措施，通過臺架試驗驗證了解決措施的有效性。

2 墊片高溫性能

法蘭密封墊是兩片法蘭相連接時，放在兩片法蘭密封面的中間，然后用螺栓上緊法蘭，使法蘭不發生泄漏的一種產品。法蘭密封墊種類包括：非金屬軟墊片、纏繞墊片、金屬包墊片、金屬墊片等多個品種。非金屬軟墊片是用彈性較好的板材按法蘭密封面的直徑及寬度剪成一個圓環。所用材料主要有橡膠板，石棉橡膠板、石棉板等，根據容器的工作壓力、溫度以及介質的腐蝕性來選用。一般低壓、常溫（≤100℃）和無腐蝕性的介質的容器多用橡膠板（經過硫化處理的硬橡膠工作溫度可達200℃）；介質溫度較高（對水蒸氣＜450℃，對油類＜350℃）的中、低壓容器通常用石棉橡膠板或耐油石棉橡膠板；一般的腐蝕性介質的低壓容器常采用耐酸石棉板；壓力較高時則用聚乙烯板或聚四氟乙烯板。纏繞墊片是用石棉帶與薄金屬帶（低碳鋼或合金鋼帶）相間纏繞制成。因為薄金屬帶有一定的彈性，而且是多道密封，所以密封性能較好。用于壓力或溫度波動較大，特別是直徑較大的低壓容器上最為適宜，因為這種墊片直徑再大也可以沒有接口。金屬包墊片又稱為包合式墊片，是用薄金屬板（一般是用白鐵皮，介質有腐蝕性時用薄不銹鋼板或鋁板）內包石棉材料等卷制而成的圈環。這種墊片耐高溫、彈性好，防腐能力強，有較好的密封性能。但制造較為費事，一般只用于直徑較大、壓力較高的低壓容器或中壓容器上。

墊片在高溫狀態下的性能可由壓縮回彈性能、蠕變性能、密封性能來表示，分別詳述如下。

2.1 壓縮回彈性能

法蘭連接的密封主要是通過墊片變形、增加流體泄漏阻力實現的。在預緊過程中，墊片良好的壓縮性能是保證其表面與法蘭面形成初始密封的基本條件。在運行工況下，受介質壓力、溫度的影響，螺栓會伸長，法蘭會變形，法蘭密封面和墊片間產生相對分離的傾向，墊片上的壓緊力減小，進而造成連接密封性能下降，甚至產生泄漏。所以，要求墊片具有較好的回彈能力，以補償密封面間的分離。不同墊片材料的高溫壓縮回彈性能相差較大，理想的墊片材料應具有表面屈服性能好和整體回彈性能好的綜合特性。采用復合材料、改進墊片結構，可達到上述要求，從而提高系統的密封性能。

研究發現，墊片加載和卸載彈性模量均與溫度有關。一般情況下，隨著溫度的升高，墊片壓縮量增大而回彈性能下降，蠕變加劇，墊片塑性變形量增加，回彈率就下降。這是導致高溫連接泄漏的主要原因[2]。

2.2 蠕變性能

無論在常溫或高溫狀態下，墊片在長時間應力作用下都會產生蠕變，墊片蠕變使其彈性變形部分消失，引起連接系統中各受力元件的應力松弛，從而導致連接系統密封失效。高溫工況下這種情況更加嚴重，由于溫度升高，壓緊螺栓伸長以及法蘭結合面發生變形，進而造成連接系統密封性能下降，發生泄漏。

溫度、時間、應力是影響墊片蠕變性能的主要因素。研究發現，溫度越高，蠕變量越大。墊片應力越大，蠕變量也越大。

2.3 密封性能

墊片密封性能是一項綜合性指標，它受墊片材質、結構、使用溫度、工作介質性質、加載卸載狀態等多種因素影響。研究發現，泄漏率和介質壓力基本成線性關系，具有黏性流體層流流動的一般特征：泄漏率和墊片殘余壓緊應力成負指數關系，殘余壓緊力越大，泄漏率越小；泄漏率隨溫度升高而增大，二者成指數關系。在恒定溫度下，泄漏率隨介質壓力的增大而增大，隨墊片應力的增大而減小。

3 案例分析與改進措施

增壓器墊片是增壓器與排氣歧管之間的機械密封的元件。增壓器與排氣歧管之間受到壓力、腐蝕、熱脹冷縮等作用的影響，其結合面經常處于高溫環境下，墊片材質的耐高溫性對高溫工況下的法蘭密封非常重要。

3.1 問題描述

某四缸柴油機在開發階段進行的臺架耐久試驗考核過程中，增壓器與排氣歧管法蘭結合面處多次發生泄漏現象，在三角型法蘭的兩個緊固螺栓的中間位置有明顯的廢氣泄漏痕跡。拆除增壓器后檢查，發現增壓器法蘭面有明顯泄漏廢氣的沖刷痕跡，如圖1所示。試驗期間，通過重新更換新的增壓器與排氣歧管間墊片的措施未能徹底解決泄漏問題，發動機繼續試驗運行一段時間后，漏氣現象重現。

圖1 增壓器法蘭面漏氣痕跡

3.2 原因分析

該柴油機采用電控燃油高壓共軌、增壓中冷、廢氣再循環等技術，升功率比常規柴油機有較大提升，對各零、部件的制造工藝和材料的要求更加苛刻。同時，在進行臺架試驗考核中，試驗工況比實際柴油機在整車上的使用狀態更加嚴格和惡劣，柴油機各零、部件的機械負荷、熱負荷以及振動等強度都非常高，各類零、部件發生故障的概率較高。特別是設計中存在缺陷零部件更會較早地發生失效，這也正是臺架試驗考核的關鍵作用。該柴油機增壓器與排氣歧管通過三個螺栓固定在一起，二者中間通過法蘭墊片進行密封，如圖2所示。墊片原始設計結構為雙層全凸筋結構，如圖3所示。

圖2 增壓器與排氣歧管連接方式

圖3 原增壓器墊片結構圖

對此故障現象進行分析，造成增壓器與排氣歧管結合面漏氣的主要原因可能有以下幾個方面的因素。

（1）柴油機可靠性試驗中，排氣歧管需要長期在由低溫（室溫，停機保養）至高溫（最高溫度達到830℃，最大功率工況）再至低溫的狀態下工作，排氣歧管容易發生變形，且在熱應力的交變載荷作用下，排氣歧管與增壓器墊片之間存在相對運動。此相對運動引起增壓器墊片凸筋扭動，而增壓器墊片選用的SUS304不銹鋼材料的耐高溫性差，導致墊片凸筋被壓潰，失去彈性，從而無法彌補結合面的變形。發動機排氣歧管與增壓器之間的排氣壓力最高可達到250 kPa，并隨著發動機運行工況的不同而不斷變化。在高溫、高壓氣流的不斷沖擊下，最終導致增壓器墊片密封失效，發生漏氣。圖4為發動機運行一段時間后，增壓器墊片凸筋發生變化的情況。從圖中可以看出，凸筋已被壓平，已無法起到密封作用。

圖4 增壓器墊片凸筋密封失效圖

（2）增壓器與排氣歧管緊固螺母和螺柱的材料耐高溫性能差，且長期處于高溫條件下，螺母及螺柱容易發生強度損失與夾緊力降低，即高溫應力松弛，表現為螺栓扭矩減小，從而不能保證密封的壓緊力。經過對多臺次試驗發動機增壓器與排氣歧管的螺栓螺母的緊固扭矩檢查發現，緊固扭矩確實存在不同程度的衰減。表1為多臺次發動機按試驗工況累計運行不同時間后，增壓器螺母的拆卸扭矩值。從該表可以發現，增壓器螺母在運行較短時間后，緊固扭矩已衰減非常明顯，與規定扭矩值（62 N·m）產生了較大偏差，甚至出現了個別螺母松脫的現象。

表1 增壓器螺母拆卸扭矩統計表

（3）排氣歧管與增壓器結構設計及材料的缺陷也有可能造成法蘭連接面較大的變形，若變形量超過一定數值（經驗值0.2 mm左右），密封用的墊片無法起到有效的密封效果。因此，對發生漏氣現象的多臺發動機排氣歧管法蘭和增壓器法蘭的平面度進行了檢測，檢測結果見表2。從統計結果中可以看出，排氣歧管及增壓器法蘭面的平面度變形量基本在可接受范圍內，可以判定排氣歧管和增壓器在結構設計和材料的選擇上能滿足設計要求，不是造成本次發動機增壓器與排氣歧管法蘭面排氣泄漏故障的主要因素。

3.3 改進方案

經過分析和借鑒其它先進發動機排氣系統的密封技術，對發動機增壓器墊片結構及墊片、螺母與螺柱材料進行改進及驗證：

（1）對增壓器墊片結構及材料進行改進。首先，將增壓器墊片材料由SUS304改為高鎳鋼B038。材料改進后，增壓器墊片的機械性能參數和耐高溫性都有了一定程度的提高。其次，將增壓器墊片凸筋結構更改為半凸型，提高了凸筋的壓縮回彈能力，且增加了凸筋保護設計，使凸筋不會被壓平。圖5為新設計墊片與原狀態墊片的對比，圖6為凸筋結構更改前后密封示意圖。

（2）由于原設計中增壓器螺柱及螺母材料存在耐熱能力不足問題，這將引起螺柱在高溫環境下伸長過度，從而引起墊片應力的損失，最終可能導致密封失效。因此，將螺柱及螺母材料由4Cr10Si2Mo更改為A286，其強度和耐熱能力都得到了很大的提高。

3.4 改進效果

對增壓器墊片進行重新設計，以及墊片、螺母與螺柱材料進行改進后，安裝到發動機試驗樣機中。該發動機在各種臺架試驗過程中，增壓器與排氣歧管結合面再未發生漏氣現象。圖7為發動機進行450 h耐久試驗后增壓器與排氣歧管原發生泄漏的結合面、增壓器法蘭面和增壓器墊片，從圖中可看出，結合面和法蘭面未發生漏氣現象，對排氣墊片密封圈處的測量顯示仍然具有一定的彈性，也沒有被壓平。在試驗結束的拆檢過程中，復測了排氣歧管與增壓器緊固螺栓的緊固扭矩，三個螺母的緊固扭矩均在52 N·m以上，符合設計要求。發動機增壓器和排氣歧管結合面漏氣問題得到解決。

圖5 增壓器墊片設計改進前后結構對比

圖6 增壓器墊片設計改進前后對比示意圖

圖7 增壓器與排氣歧管結合面無漏氣痕跡

4 結論

因此，設計增壓器墊片時要充分考慮到墊片的工作環境及墊片在此環境下的壓縮回彈性、蠕變性等因素，然后進行選材以及墊片結構的設計，并且通過試驗驗證設計的可行性。

[1]許曉華，張衛東.墊片高溫密封失效原因分析[J].材料應用，2005（2）.

[2]黃健主編.管法蘭墊片、緊固件選用手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.

Analysis and Solution to Gas Leakage between Exhaust Manifold and Turbocharger

Xing Zhengshuang,Zhang Zhaoming,Zeng Bin,Zhang Meng
（SAIC Motor Corporation Limited/Shanghai Key Laboratory of Automobile Power-train,Shanghai 201804,China）

Gas is often found to leak out at the i nterface between the exhaust manifold and the turbocharger of a 4-cylinder diesel engine under development while being put through bench tests.A close analysis suggests that,besides design defects of the gasket,wrong materials for the gaskets,studs and nuts are also among main causes for the leakage,failing to meet the sealing requirements for the turbocharger and the exhaust manifold operating under harsh,high temperature working conditions.A proved solution to the trouble is to improve on structural designs and materials of the gaskets,studs and nuts.

diesel engine,gasket,interface,design defects,material improvement

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.01.006

來稿日期：2016-06-21

邢正雙（1982-），男，工程師，碩士，主要研究方向為發動機試制工藝。