| 标题 | 发动机增压器涡壳开裂的原因分析及改进措施 |
| 范文 | 张霖 齐弟 张法 摘 要：随着车用涡轮增压技术的普及，增压器可靠性问题成为发动机行业焦点。目前车用增压器最高工作温度可达1 050 ℃左右，在高的热负荷和振动环境下工作，涡壳开裂问题尤为凸显。为了解决此问题，从材料选择、结构设计、生产工艺、工作环境等方面进行分析，找出涡壳开裂风险点，并制定优化措施，从而降低涡壳开裂风险，提高增压器可靠性。 关键词：汽车发动机；涡轮增压技术；可靠性；涡壳开裂 中图分类号：TK421 文献标志码：A 0 前言 为了满足国家日益严峻的法规要求，涡轮增压技术在车用发动机上得到了广泛的应用。在提升动力性、改善经济性、降低排放、降低排气噪声以及追求发动机小型化等方面的突出贡献，使涡轮增压技术成了当下车用发动机主流技术。随之而来，增压器的可靠性尤为重要，特别是随着汽油机也普遍采用涡轮增压技术，增压器越做越小，工作温度越来越高，涡壳开裂问题尤为突出，对增压器性能及可靠性影响巨大，所以对于涡壳开裂问题的分析及解决尤为重要。 1 关于增压器涡壳开裂的原因分析 1.1 从材料方面分析 首先分析发动机排温是否超过涡壳材料最高允许温度。目前一般车用汽油机排气温度最高可达1 050 ℃左右，柴油机相比汽油机排气温度要低，但最高可达830 ℃左右，这样高的排气温度，要求涡壳材料必须具有良好的高温抗氧化性、稳定的显微组织、热膨胀系数小、高的高温强度、良好的工艺性能等特性，所以涡壳材料选用十分讲究。根据不同的需求及耐热温度，选用不同的涡壳材料，如果材料选择不合理，很可能会出现涡壳开裂问题。材料耐温越高，成本也越高，很多主机厂为了控制成本，使用较低耐温材料来应用到较高工作温度中，结果频繁出现涡壳开裂问题。 1.2 从结构设计方面分析 涡壳长时间在高温或冷热交替环境下工作，热膨胀率大，热应力大，如果涡壳结构、尺寸等设计不合理，很容易出现涡壳开裂等问题。例如，涡壳各面结合处，特别是流道舌头部位，如果过渡圆角设计过小，就可能出现热应力集中；涡壳壁厚设计过薄，强度低；涡壳上安装凸台设计位置不合理，容易产生铸造缺陷，影响涡壳强度；结构设计不合理，模态低等，这些设计层面稍不注意就可能造成涡壳开裂等问题。 1.3 从生产工艺方面分析 目前渦壳基本是采取铸造方式成型，所以铸造工艺对涡壳强度影响较大，从工艺参数设定、微量元素配比、杂质含量、模具设计、设备、工艺方法、热处理及其他特殊处理（如球化处理、孕育处理等）等方面，任何一方面不合理都会造成涡壳成品缺陷，铸造过程中常见缺陷多是气孔、缩松、热结、金相组织异常等问题，这都会导致涡壳强度低、开裂等问题。 1.4 从工作环境方面分析 车用涡轮增压器的涡壳工作温度从常温到1 000 ℃以上，温度跨度大。涡壳在支撑增压器本体之外，还要连接、支撑三元催化器等排气系统零件，受力较大，特别是无增压器支架的涡壳。涡壳还要承受来自发动机及整车传递过来的振动。如此恶劣的工作环境，其中某一个或几个因素失控，可能就会导致涡壳开裂。象发动机排温超标整车或发动机NVH性能差等，都可能引起涡壳开裂问题。 2 关于增压器涡壳开裂的改进措施 2.1 材料选择 目前常见的涡壳材料有灰铸铁、铁素体球墨铸铁、中硅铁素体球墨铸铁、钒铸铁、高镍奥氏体球墨铸铁、耐热不锈钢等。一般灰铸铁是用于较低负荷的柴油机，耐温较低，现在已经基本不采用；铁素体球墨铸铁性能高于灰铸铁，但也只适用于热负荷较低的柴油机，一般排温在650 ℃以下采用；中硅铁素体球墨铸铁中添加了较多的硅元素及少量钼等元素，排温在650 ℃～760 ℃考虑采用，常用于柴油机；钒铸铁耐温性高于中硅钼球墨铸铁，可耐排温700 ℃～830 ℃，常用于高排温柴油机；高镍奥氏体球墨铸铁（D2、D2B、D2C、D3、D3A、D4、D5、D5B、D5S等），有极好的抗热冲击性能和抗热蠕变性，极好的耐蚀性及高温抗氧化性，而且有低的热膨胀性和很好的低温冲击韧性，可耐高温800 ℃～950 ℃，是目前汽油机增压器涡壳常用材料；针对更高的排温，现在多采用耐热不锈钢材料（1.4837、1.4848等），耐热不锈钢可耐高温达1 000 ℃以上，目前高排温汽油机多采用。根据工作温度范围，选用适合的耐温材料，可以有效避免涡壳开裂。 2.2 结构设计 此方面主要依赖于企业经验积累，并依靠仿真计算软件进行仿真计算分析，找出薄弱点并优化，规避开裂风险。在涡壳设计过程中，设计者可根据经验，应用三维模型软件建立涡壳三维模型，并对其进行CAE、CFD仿真计算，计算分析出涡壳温度场、速度场、压力场、热应力和模态等分布情况，根据计算结果找出薄弱点并进行结构优化，直到满足涡壳设计要求。另外，前期制作样件进行各项试验是很有必要的，这样既可以检验设计、工艺的合理性，又可以检验仿真计算的准确性。随着仿真软件不断发展升级，计算准确性也逐渐提高，所以在涡壳设计阶段，仿真计算可以在很大程度上避免设计的不合理性，可以有效降低实物开裂风险。 2.3 生产工艺 通过不断优化铸造工艺，降低铸造缺陷。工艺参数设定、微量元素配比、杂质含量和热处理等都要进行最优化设定。成型前对模具模流及铸造工艺模拟等进行仿真分析，确保模具、工艺理论设计最优化。另外，砂芯、覆膜砂的选材及处理，浇冒口结构尺寸及位置，排气口的位置及数量等方面，都需要经过详细计算分析并经过试验验证得出，不可盲目确定。热处理及其他特殊处理（如球化处理、孕育处理等）等是产品的点睛之笔，参数设定及处理制剂都要最优化，且要进行一定量试验验证。前人总结的方法不能完全照搬照抄，材料、设备、场地和环境等因素都会有影响，所以需要企业根据自身条件，多进行试验验证，在试验中不断优化，总结出最优工艺方法以降低铸造缺陷，降低开裂风险。 2.4 工作环境 此方面在开发过程中进行关注并加强试验验证可以有效避免涡壳开裂问题。前期应用仿真计算软件，计算模拟整车、整机温度场、流场以及振动等情况，根据计算结果进行材料选择及优化结构，后期做样件搭载整车、整机进行NVH测试及耐久试验考核，根据试验结果，及时调整材料、标定数据，优化整车、整机布置或增压器单体。总之，早期仿真计算及优化，可以有效降低设计层面的问题，而后期制作样件搭载整车、整机进行多轮极限工况下可靠性验证，可以考核实物涡壳在各种极限环境下的工作情况， 一般极限环境工况下没问题，其他工况不易出现开裂问题。 3 结语 综上所述，从涡壳前期设计开发、生产过程、使用环境等各个方面进行分析、研究，找出各个环节存在的开裂隐患点并改进，有效地降低了设计阶段、生产阶段及使用阶段涡壳开裂的风险。经过实践证明，前期仿真计算分析和后期制作样件试验考核的组合方式对于涡壳开裂问题的分析、解决非常有效，使开裂问题基本可以在产品开发过程中暴露出来并解决掉，避免流入终端用户手中，引起抱怨。理论与实践相结合是分析、解决问题最有效、最快捷的方法，我们应该充分应用科学的分析方法，在实践中总结、成长。 参考文献 [1]周锦银.汽车涡轮增压器壳体材料的现状和发展[J].江苏冶金，2006（5）：1-3. [2]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].北京：机械工业出版社，1992：88. [3]金永锡，范仲嘉.高镍奥氏体球墨铸铁涡轮增压器壳体材质及工艺研究[J].铸造，2005（5）：494-500. |
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