關于某1.5升發動機增壓器密封墊漏氣問題的解決辦法

曹軼群，沈思博，孫秀毅，單保琴

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110141）

關于某1.5升發動機增壓器密封墊漏氣問題的解決辦法

曹軼群，沈思博，孫秀毅，單保琴

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110141）

文章針對某機型發動機增壓器密封墊開發過程中的漏氣問題，介紹了影響增壓器墊片的密封效果的多種因素，并描述了密封墊片失效的原因和解決方案。

發動機；高溫；密封

CLC NO.:U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-197-03

前言

隨著汽車發動機技術的發展，人們在追求動力經濟性和安全性的同時也更加關注環境污染問題。廢氣渦輪增壓技術現如今已得到了普遍的應用，其不僅有效的改善了燃燒效果，提高了發動機功率，更是起到節省燃油，降低排放的效果。其中，良好的密封系統為廢氣渦輪增壓器的運作提供了前提，而密封是否可靠又是由廢氣溫度，被連接件剛度及其變形量，連接螺栓的擰緊效果等多種因素所決定。

本文將通過介紹某型1.5升排量廢氣渦輪增壓發動機的排氣歧管與增壓器間密封失效問題的解決方案，進而對上述排氣密封效果的影響因素進行描述和說明。

1、問題描述

某型1.5升發動機增壓發動機開發階段，排氣歧管與增壓器通過2枚M10x55mm的螺栓與1枚M10x45mm的螺栓相連接，擰緊力矩40Nm+135°。

試驗過程中，排氣歧管與增壓器間多次出現密封墊圈密封失效問題，且燒蝕漏氣位置多集中在以下位置。

圖1 失效的排氣歧管-增壓器密封墊片

2、優化方案

1）排氣管-增壓器法蘭面的變形情況；

2）增壓器螺栓的裝配策略；

3）密封墊的筋結構。

3、模擬計算

3.1 模型描述

分析所用的模型包括有：虛擬缸蓋、排氣歧管、密封墊（密封筋部分）、增壓器法蘭（截取增壓器一部分）、增壓器螺栓、排氣管安裝螺栓及螺母。

圖2 結構布置圖

3.2 計算方法

計算分如下三步完成

1）裝配載荷計算，計算增壓器螺栓預緊力的情況下排氣管與增壓器法蘭的變形情況以及密封墊片結構筋的接觸應力情況。增壓器螺栓數量3枚（2枚M10x55，1枚M10x45），施加螺栓預緊力設定為40KN；

2）模型溫度場計算，提取出排氣管及與其相連的增壓器的內表面，在所得到的內表面上設置排氣溫度960℃，設定材料的熱脹系數及傳熱系數，計算排氣管及增壓器法蘭面的溫度場。

對重構連續虛擬陣列z2進行空域平滑，其示意圖如圖4所示，z2為共軛對稱分布的，因此平滑段長度取2MN-N，所以第i個平滑子陣z2i的虛擬陣列位置為

3）模型熱載荷計算，將模型溫度場計算中所得到的溫度映射到裝配載荷中，計算排氣管、增加器法蘭面在工作時的狀態，并分析計算結果。

4、計算結果與對比分析

4.1 法蘭面優化方案與故障機狀態對比

通過CAE對故障零部件狀態及優化方案的模擬分析，可以看出，故障機狀態增壓器法蘭的熱變形量較為明顯。加厚排氣管/增壓器法蘭面雖然對法蘭面溫度分布影響不大，但可有效改善熱變形。

表1 排氣管、增壓器法蘭面最高溫度及熱變形量

圖3 故障機狀態、優化方案排氣管法蘭面溫度場

圖4 故障機狀態、優化方案排氣管法蘭面熱變形量

圖5 故障機狀態、優化方案增壓器法蘭面溫度場

圖6 故障機狀態、優化方案增壓器法蘭面熱變形量

4.2 增壓器螺栓裝配策略優化方案

由于排氣管、增壓器結構設計及布置等限值原因，故障機的排氣管與增壓器通過2枚M10x55與1枚M10x45的螺栓以非均布方式進行連接固定。

圖7 排氣管-增壓器連接法蘭螺栓布置情況

考慮到由于螺栓長度不同，對擰緊軸力產生不同影響的可能，故在模擬實際裝配的條件下，對兩款不同狀態的螺栓進行夾緊力測試。從測定結果中可以得到，在相同的裝配策略，40Nm+135°轉角的情況下，增壓器螺栓M10x45與M10x55得到的夾緊力比較接近。

圖8 增壓器螺栓模擬裝夾試驗

通過對故障機狀態及優化后的密封筋結構接觸壓力的CAE模擬分析，可以看到，如果將M10x55螺栓（螺栓1、螺栓2）夾緊力調整為35kN后，相當于40Nm+60°轉角，可相對改善故障機薄弱位置B、C位置的密封墊片結構筋的接觸壓力。

圖9 故障機狀態、優化方案結構筋接觸壓力情況

4.3 密封墊的筋結構優化方案

通過CAE溫度場模擬計算，排氣管法蘭面、增壓器法蘭面最高溫度大于830℃，已很接近故障機密封墊片不銹鋼板的最大耐熱溫度。故調換耐熱性能更好的310S不銹鋼板，并優化密封筋，由故障密封墊的雙層結構調整為三層結構，以增強密封筋的密封效果。

圖10 優化后的筋結構剖視圖

5、優化方案驗證效果

根據上述優化方案，增加增壓器法蘭厚度，調整增壓器螺栓的裝配策略，變更密封墊片結構。裝配試驗發動機進行耐久驗證，并對試驗后的零件進行評估。試驗結果顯示，優化方案滿足設計要求，CAE模擬計算結論符合試驗結果。

圖11 試驗后的優化墊片面壓效果

6、結論

排氣管與/增壓器連接區域處于高溫的工作環境，需要考慮采用必要的措施以保證其良好的密封效果。在發動機設計初期時，可通過使用Hypermesh，Abaqus等計算軟件對密封位置進行模擬分析，提高高溫區域零部件的設計開發效率。

對于高溫工作的密封區域，提高連接件本身的剛度可以有效改善零件熱變形量，調整螺栓的裝配策略可使得密封墊片受力更加均勻，密封更加有效，采用更具有回彈性的密封筋結構可緩解連接零部件的變形情況。

[1] 陳佳瑞.等.汽車構造（上）.機械工業出版社,2009.2.

[2] 周龍保.等.內燃機學.機械工業出版社,2005.

[3] 袁兆成.等.內燃機設計.機械工業出版社.2012.

[4] Abaqus6.11-1 Abaqus Analysis User's manual.

[5] 沈軼,陸曉峰.高溫法蘭連接系統的失效分析.潤滑與密封,2006.

[6] 許曉華,張衛東.墊片高溫密封失效原因分析.石油和化工設備. 2005.

A Solution To The Leakage Of The Turbocharger Sealing Gasket Of A 1.5 Liter Engine

Cao Yiqun, Shen Sibo, Sun Xiuyi, Shan Baoqin
( Brilliance Auto R＆D Center Power Train Design section, Liaoning Shenyang 110141 )

The article describes a problem of the leakage of a 1.5 liter turbo engine’s turbocharger sealing gasket in the process of development, introducing several factors that they affect the sealing effect of turbocharger gaskets and describe the causes and the solutions of the failure of the gasket.

Engine; High Temperature; Seal

U472.4

A

1671-7988 (2017)08-197-03

曹軼群，助理工程師，就職于華晨汽車工程研究院，主要從事發動機設計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.067