10.16638/jki.1671-7988.2017.08.067
关于某1.5升发动机增压器密封垫漏气
汽车发动机盖
问题的解决办法
曹轶，沈思博，孙秀毅，单保琴
（华晨汽车工程研究院动力总成设计处，辽宁沈阳110141）
摘要：文章针对某机型发动机增压器密封垫开发过程中的漏气问题，介绍了影响增压器垫片的密封效果的多种因素，并描述了密封垫片失效的原因和解决方案。
关键词：发动机；高温；密封
中图分类号：U472.4 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)08-197-03
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 )
Abstract: 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.
Keywords: Engine; High Temperature; Seal
CLC NO.: U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-197-03
前言
随着汽车发动机技术的发展，人们在追求动力经济性和安全性的同时也更加关注环境污染问题。废气涡轮增压技术现如今已得到了普遍的应用，其不仅有效的改善了燃烧效果，提高了发动机功率，更是起到节省燃油，降低排放的效果。其中，良好的密封系统为废气涡轮增压器的运作提供了前提，而密封是否可靠又是由废气温度，被连接件刚度及其变形量，连接螺栓的拧紧效果等多种因素所决定。
本文将通过介绍某型1.5升排量废气涡轮增压发动机的排气歧管与增压器间密封失效问题的解决方案，进而对上述排气密封效果的影响因素进行描述和说明。
1、问题描述
某型1.5升发动机增压发动机开发阶段，排气歧管与增压器通过2枚M10x55mm的螺栓与1枚M10x45mm的螺栓相连接，拧紧力矩40Nm+135°。
试验过程中，排气歧管与增压器间多次出现密封垫圈密封失效问题，且烧蚀漏气位置多集中在以下位置。
图1 失效的排气歧管-增压器密封垫片
2、优化方案
针对密封垫圈的失效现象及其影响因素，通过使用Hypermesh 9.0，Abaqus 6.11-1等模拟分析软件以及模拟装配
作者简介：曹轶，助理工程师，就职于华晨汽车工程研究院，主要从事发动机设计工作。
曹轶等：关于某1.5升发动机增压器密封垫漏气问题的解决办法198 2017年第8期
试验的方法进行研究分析，此文将主要从以下三个方面进行描述：
1）排气管-增压器法兰面的变形情况；
2）增压器螺栓的装配策略；
3）密封垫的筋结构。
3、模拟计算
3.1 模型描述
分析所用的模型包括有：虚拟缸盖、排气歧管、密封垫（密封筋部分）、增压器法兰（截取增压器一部分）、增压器螺栓、排气管安装螺栓及螺母。
图2 结构布置图
3.2 计算方法
计算分如下三步完成
1）装配载荷计算，计算增压器螺栓预紧力的情况下排气管与增压器法兰的变形情况以及密封垫片结构筋的接触应力情况。增压器螺栓数量3枚（2枚M10x55，1枚M10x45），施加螺栓预紧力设定为40KN；
2）模型温度场计算，提取出排气管及与其相连的增压器的内表面，在所得到的内表面上设置排气温度960℃，设定材料的热胀系数及传热系数，计算排气管及增压器法兰面的温度场。
3）模型热载荷计算，将模型温度场计算中所得到的温度映射到装配载荷中，计算排气管、增加器法兰面在工作时的状态，并分析计算结果。
4、计算结果与对比分析
4.1 法兰面优化方案与故障机状态对比
通过CAE对故障零部件状态及优化方案的模拟分析，可以看出，故障机状态增压器法兰的热变形量较为明显。加厚排气管/增压器法兰面虽然对法兰面温度分布影响不大，但可有效改善热变形。
表1 排气管、增压器法兰面最高温度及热变形量
图3 故障机状态、优化方案排气管法兰面温度场
图4 故障机状态、优化方案排气管法兰面热变形量
图5 故障机状态、优化方案增压器法兰面温度场
图6 故障机状态、优化方案增压器法兰面热变形量
4.2 增压器螺栓装配策略优化方案
由于排气管、增压器结构设计及布置等限值原因，故障机的排气管与增压器通过2枚M10x55与1枚M10x45的螺栓以非均布方式进行连接固定。
图7 排气管-增压器连接法兰螺栓布置情况考虑到由于螺栓长度不同，对拧紧轴力产生不同影响的可能，故在模拟实际装配的条件下，对两款不同状态的螺栓进行夹紧力测试。从测定结果中可以得到，在相同的装配策略，40Nm+135°转角的情况下，增压器螺栓M10x45与M10x55得到的夹紧力比较接近。
图8 增压器螺栓模拟装夹试验
汽车实用技术
199 2017年第8期
通过对故障机状态及优化后的密封筋结构接触压力的CAE模拟分析，可以看到，如果将M10x55螺栓（螺栓1、螺栓2）夹紧力调整为35kN后，相当于40Nm+60°转角，可相对改善故障机薄弱位置B、C位置的密封垫片结构筋的接触压力。
图9 故障机状态、优化方案结构筋接触压力情况
4.3 密封垫的筋结构优化方案
通过CAE温度场模拟计算，排气管法兰面、增压器法兰面最高温度大于830℃，已很接近故障机密封
垫片不锈钢板的最大耐热温度。故调换耐热性能更好的310S不锈钢板，并优化密封筋，由故障密封垫的双层结构调整为三层结构，以增强密封筋的密封效果。
图10 优化后的筋结构剖视图
5、优化方案验证效果
根据上述优化方案，增加增压器法兰厚度，调整增压器螺栓的装配策略，变更密封垫片结构。装配试验发动机进行耐久验证，并对试验后的零件进行评估。试验结果显示，优化方案满足设计要求，CAE模拟计算结论符合试验结果。
图11 试验后的优化垫片面压效果
6、结论
排气管与/增压器连接区域处于高温的工作环境，需要考虑采用必要的措施以保证其良好的密封效果。在发动机设计初期时，可通过使用Hypermesh，Abaqus等计算软件对密封位置进行模拟分析，提高高温区域零部件的设计开发效率。
对于高温工作的密封区域，提高连接件本身的刚度可以有效改善零件热变形量，调整螺栓的装配策略可使得密封垫片受力更加均匀，密封更加有效，采用更具有回弹性的密封筋结构可缓解连接零部件的变形情况。
参考文献
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