增压器后置发动机排气系统开发.pdf

APC专栏技术纵横2023(7-8)轻型汽车技术技术纵横增压器后置发动机排气系统开发李书伟金明余国强贾育恒谢德海周永明李利员肖汉平（东风汽车股份有限公司商品研发院）摘要：针对某轻型客车车型开发目标，需要对发动机的排气系统进行全新开发。对排气系统结构进行振动、热应力、装配顺序、台架布置等方面的分析，提出优化方案，并通过整机及整车试验验证。在开发过程中所采用的方法及结论为今后增压器后置发动机排气系统开发提供了重要借鉴经验。关键词：增压器后置排气系统1引言为了更有效地利用排气能量，同时考虑结构布置的紧凑性，一般将废气涡轮增压器布置在发动机排气歧管上。但对于前置前驱的发动机而言，由于整车布置的局限性，需要将发动机横置，增压器布置在发动机后端。增压器后置使发动机排气系统零部件增加，刚度降低，振动增加，排气系统装配复杂化，装配应力增加，对排气系统可靠性产生影响。发动机在台架试验过程中多次出现排气系统部件开裂、垫片漏气、螺栓松脱、支架断裂等失效现象，经分析，影响增压器后置发动机排气系统可靠性的主要因素为热负荷、机械负荷以及台架试验系统的布置方式。通过改进设计、调整装配顺序、优化台架试验布置解决了增压器后置发动机排气系统失效问题。2增压器后置发动机排气系统开发增压器总成排气歧管排气尾管DOC排气接管DOC支架排气接管支架图1排气系统结构2023(7-8轻型汽车技术技术纵横存在的问题由于某轻型客车空间布置要求，需要将发动机横向布置，同时增压器也要布置在发动机的后端。排气系统的结构如图1所示，排气歧管后连排气接管；增压器布置于发动的后端，由下面的排气接管支架支撑，EGR管位于排气接管内侧；DOC位于排气尾管后固定在DOC支架上。排气歧管连接法兰位于同一平面内，排气接管连接法兰与排气歧管轴向垂直，排气尾管没有辅助支架与缸盖相连。首轮样件在耐久试验中发生排气歧管发生断裂、排气接管断裂、排气接管支架断裂（如图2、图3所示）。在试验过程中发动机的振动非常大。对排气歧管和排气接管相关部位取样检测后得出如下结论：排气歧管和排气接管材料的化学成分及机械性能满足设计要求，金相检测合格，电镜检查发现断面有疲劳特征。为了保证发动机后续开发的周期及质量，快速找出失效原因是极为迫切的工作。图2排气歧管断裂图片3不良原因分析及优化方案不良原因分析：排气系统热应力过大，排气系统这种结构使得在前后方向的热变形无法释放。排气系统振动过大，增压器离缸体较远，悬臂过长，增压器重量为6.5 kg，支撑增压器的排气接管支架是钣金件。排气系统装配顺序不合理，导致存在较大的安装应力。台架布置为纵置，悬置系统与整车的布置有较大的差异。改进方案分别从减小热应力和减小振动方面进行改进。减小热应力方面调整排气歧管的出口法兰方向，将排气接管与排气歧管连接法兰面改为与排气歧管轴向垂直方向连接。EGR管布置在排气接管外侧。排气歧管与排气接管之间采用特殊涂层的垫片（如图4）,以吸收垫片切向方向的热膨胀。排气歧管与排气接管连接螺栓采用耐热螺栓，以保证该处连接可靠。减小振动方面，增压器向发动机侧平移2 0 mm。增压器重量由6.5 kg减小到5 kg。排气接管支架改为铸铁件，并将与排气接管连接的螺栓孔向安装面平移2 0 mm，以减小排气接管支架的悬臂长度。变更ECR管的接口位置，并改变排气接管的连接方向，以缩短排气歧管的长度。增加排气尾管支架。通过多种装配方案的对比试验，选用最优的装配顺序，降低装配应力，提高系统可靠性。在台架布置上，悬置系统由纵置改为横置，与台架连图3 排气接管断裂图片接的排气管由硬管改为软管。最终的排气系统结构如图5 所示，排气接管通过法兰面与排气歧管相连接，增压器位于排气接管上，排气接管的另一端固定在排气接管支架上，排气接管支架固定在发动机缸体后端，排气尾管位于增压器涡端，并通过辅助支架与发动机缸盖相连接。4优化方案对比计算及试验分析2023(7-8技术纵横轻型汽车技术表面处理：MoS2涂层厚度：0.0 0 5-0.0 15图4排气歧管垫片示意图4.1增压器后置发动机排气系统热负荷分析本次计算以改进后的排气系统为基础，仅以此说明热负荷的影响。根据提供的发动机参数，计算得到发动机转速为3 6 0 0 r/min时排气歧管四个人口的流量、温度曲线。根据排气歧管和接管的三维几何模型，建立歧管和接管内腔体温度流场的计算模型。根据歧管和接管建立温度场计算模型，有限元计算网格如图6 所示。以第2 节计算得到的内腔外壁温度分布为边界条件进行温度场计算。材料的导热系图5最终的排气系统结构优化方案数查表获得。歧管和接管表面换热系数取为常数，根据常见资料取16 0 W/m?K，环境温度为企业提供的实验环境温度，即3 0。计算中还考虑到歧管接头与缸体接触传热的影响。歧管和接管温度场如图7 所示，约在2 10 6 9 0 左右变化，以5 5 0 为界过滤后的温度场如图8 所示，红色区域温度大于5 5 0，局部温度分布如图9 所示。为了便于与实验结果进行对比，将实验测量点和计算观测点的位置进行编号，如图10 所示。计算结果与实验结果对比分别如表1和图11所示。20.O.150图6结构网格图图7结构温度场2T1215.0图8结构温度场（过滤）图9结构局部温度场62023(7-8)轻型汽车技术技术纵横从图11知，计算值与实验值虽有一定的差异，但总体变化趋势是一致的，大部分测点的温差在3 0 内，只是在四个缸的进口处的测点误差大些，这主要是因为模型和边界条件的简化造成的，计算中这种误差目前还比较难以消除。利用前面计算出的温度场作为热负荷进行热表1测点计算值和实验值对比表（单位：）点号234567891011计算值446442445543559567572417554463实验值408427422553590575549.7411559445点号131415161718192021计算值442569575568443507502505568实验值434583556586386487486525578650600550500450400350300250200123456789101112213314151617718192021计算值实验值图11计算值实验值对比曲线201-9-1280781916T15583461.9137O.1000.200(0)O0500150图12应力云图AWSYS015015图13歧管接管连接处应力云图ANSTS22T0.00140444050150图14变形云图2023(7-8)技术纵横轻型汽车技术应力计算。离散得到7 3 7 0 0 个网格单元，13 13 0 0个节点，约5 2 5 2 0 0 个自由度，计算网格和温度场计算网格一致，如图6 所示。歧管四个入口端和接管固定处采用弹性支承，以模拟缸体和支座允许的弹性变形和由温度变化带来的伸缩变形的可能。另外，根据歧管和接管实际的定位情况，在定位孔处施加一定的约束，同时还消除刚体位移，保证结构不过约束也不欠约束。从应力应变云图看出（如图12、13、14），结构整体应力水平较低，大部分区域应力在3 5 Mpa以下。结构最大应力为3 3 6 Mpa,位于第一缸人口处；歧管与缸壁相连的部位应力大部分在7 0 15 0 Mpa左右。歧管和接管的连接处应力水平约在30130Mpa左右，且大部分区域应力在7 0 Mpa以内。最大变形位于排气歧管与排气接管连接处，最大变形量为2.5 mm。原设计中排气歧管与排气接管连接方向垂直排气歧管轴线，且远离第4缸约束法兰面，可见排气歧管断裂与该处的热变形量过大直接相关。4.2增压器后置发动机排气系统模态对比分析任何物体都有自身的固有振动频率，发动机上的机械结构也不例外。如果外界激励频率与其固有频率相同或相近，那么该结构的振动会越来越剧烈，长期受这种激励的作用，势必会使结构损坏。通过模态分析，可以计算结构的固有频率，校核其自振频率是否在安全的区域。通过PRO/E完成排气歧管、排气接管、排气接管支架、增压器、排气尾管、DOC的三维实体模型，三维模型应尽量精确描述实物的实体特征。在此基础上，将三维模型导人到HYPERMESH中完成网格划分。划分网格时必须充分考虑分析对象的结构特点、受力特点及整体计算规模的大小，在对排气系统划分网格时局部细化关键部位的网格，如安装孔、圆角等，其他部位可以用稍微粗大一点的单元。根据排气系统的结构特点，采用二阶四面体单元对其进行有限元网格划分，螺栓连接采用刚性元和梁单元进行模拟。DOC结构则采用薄板单元进行网格划分。排气系统有限元模型，共划分单元15 49 8 2 个，节点2 7 8 9 8 0 个。根据整机的装配情况，约束点为排气歧管固定在缸体上的8 个螺栓孔、排气接管支架固定在缸体上的3 个螺栓孔，DOC支架固定在缸体的2个螺栓孔。各零部件的材料特性如表2。模态计算结果表3。表2材料特性零件名称材料密度弹性模量泊松比重量排气歧管FCD HiSi(Mo)7.8*106Kg/M3155GPa0.27排气接管FCD HiSi(Mo)7.8*106Kg/M4155GPa0.27排气接管支架SAPH4407.8*106Kg/M5200GPa0.3增压器ASSY6.5Kg排气弯管FCD4007.8*106Kg/M5155GPa0.27表3模态对比对比项目一阶振型二阶振型A08（原始方案）78Hz220HzA08（改进方案）168.6Hz295Hz82023(7-8)轻型汽车技术技术纵横计算结果分析及结论发动机频率f=n1/601/2i式中n发动机转速，单位r/mini发动机气缸数该发动机最高转速为43 5 0 r/min，气缸数为4.所以该发动机频率f=n1/601/2i=43501/60 1/2 4=145Hz。从分析结果来看原始方案排气系统的自有频生共振所以原排气系统结构不满足设计要求。改进后的排气系统第一阶模态振型为局部摆动变形,其一阶模态频率为16 8.6 Hz,满足一阶模态频率大于15 0 Hz的设计要求，模态分析模型及结果见图15。4.3增压器后置发动机排气系统强度对比分析原方案的模态没有通过，因此再计算强度意义不大。对于排气系统的优化方案，根据台架的实际模态分析模型模态分析结果+改进后的模态分析模型模态分析结果+图15模态分析模型及结果图率7 8 Hz低于发动机的频率145 Hz，排气系统自振频率在危险的区域，排气系统与发动机很可能发振动情况，选取增压器压器压气机端的测点数据并考虑安全系数进行计算分析（如表4)。取上述测点表4振动加速度设置方向x（左右）y（前后）Z(上下）加速度（g)12.571915.6892023(7-8轻型汽车技术技术纵横在前后、左右和上下方向上的加速度进行计算。应力分析结果如表5（图中应力单位为Kpa,形变单位为 mm)。4.4增压器后置发动机排气系统振动测量对比分析在台架上对排气系统改进前后进行了振动测表5各部最大应力方案各部位最大应力排气歧管排气接管支架排气接管排气尾管排气尾管支架优化方案4.369.2614.514.631.9从强度分析结果看（见图16），排气尾管支架的应力最大，为3 1.9 Mpa,相对于所采用的材料来说，强度有一定的储备。因此排气系统优化方案满足设计的要求。量。测量时台架悬置状态为横置，对满负荷及无负荷分别进行测量。改进前、后满负及无负荷振动如图17 所示。发动机标牌平台处代表发动机振动水平。9.2GPa4.5MP8装31.90Pa图16各部应力云图102023(7-8)技术纵横轻型汽车技术L2atet+iJatetiLPateiteePlateUCLTiatette&0.20420000改进前后满负荷振动对比改进前后无负荷振动对比图17改进前后振动对比发动机后悬置发动机右悬置发动机左置发动机右县置发动机发动机发动机后悬置发动机左悬置发动机后悬置发动机悬置纵置状态发动机悬置横置状态图18发动机悬置状态发动机后悬置发动机右悬置发动机毒置发动机右发动机发动机发动机后总置发动机左景置发动机后悬置发动机悬置横置状态发动机悬置纵置状态图19悬置系统对振动的影响从图中可以看出，无论是发动机满负荷状态还是无负荷状态，除乙向改进前后振动水平相当外，X向及Y向改进前的振动远大于改进后的振动。由于第一轮发动机台架耐久试验中发动机悬置采用纵置状态，而发动机在车辆上的实际状态为横置，台架耐久中的失效现象在车辆试验中并没有发生，因此对比分析台架试验中发动机悬置纵、横置对振动的影响是很有必要的，图18 为发动悬置状态。对比分析的排气系统为改进后状态，对满负荷及无负荷分别进行测量，悬置系统对振动的影响分析如图19 所示。从图中可以看出，发动机满负荷时，悬置纵置状态X向、Y向振动大于悬置横置状态，而Z向在发动机转速2 3 0 0 rpm以下纵置状态大于横置状1182023(7轻型汽车技术技术纵横态。发动机无负荷时，悬置纵置状态X向、Y向振动大于悬置横置状态，而Z向在发动机转速1600rpm以下纵置状态大于横置状态。4.5排气系统安装应力分析增压器后置发动机排气系统由于增压器位于过定位问题。我们针对不同的安装顺序，分别进行安装应力的测试，通过测试结果判断安装应力是否满足要求，并确定合适的排气系统的安装顺序。应变片的布置如图2 0 所示。应力测试方案如表6。排气歧管point1排气接管point2排气接管point3排气接管支架排气接管支架point5point6排气接管支架point4DOC支架(part6)point8DoC(part5)后吊耳point9point7图2 0应变片的布置表6应力测试方案序号方案1紧固缸盖+按A装配顺序装配+DOC2紧固缸盖+按B装配顺序装配+DOC3按A装配顺序装配+紧固缸盖+DOC4按B装配顺序装配+紧固缸盖+DOC发动机后端，不是直接与排气歧管相连，为此增加了排气接管、排气接管支架以及为改善振动而增加的排气尾管支架等部品。整个排气系统的装配复杂化，其中，排气接管及排气尾管支架存在装配应力测试结果如图2 1。从图中2 1可以看出，方案一在各点的应力波动最小，根据实测结果选用方案一为最终的装配方案。2023(7-8)12轻型汽车技术技术纵横500方案1一一方案2方案3-50方案4-100-150图2 1应力测试对比图5增压器后置发动机排气系统优化方案实施效果针对热应力，我们选用GO-STOP耐久进行考核（如图2 2)。GO-STOP的试验将整车的最苛刻的热工况移植到台架上，通过该试验判断排气系统的可靠性。在完成规定目标冷热冲击循环次数后，未发现排气系统零部件龟裂、变形、漏气等不A0820-stOD一德环工况温度60072004#5506600一8 5#50060006#7#45054004004800一94200(a)35010#11#300360012#2.50300013#14#200240015#1501800一17#100120018#一0 19#5060020#0转速135791113151719212325时间（min）图2 2GO-STOP循环工况图良现象。针对振动，我们选用振动耐久试验进行考核，通过扫频找出各测点的共振点。振动耐久在各个共振点下进行规定的循环次数，试验完成后未发现排气系统零部件龟裂、变形、漏气等不良现象。之后进行各项实车评价结果也较好，通过以上试验验证排气系统的设计完全满足设计要求。6结论1）减小振动和热应力，采用合理的装配顺序及方法是排气系统设计中需要考虑的首要问题2试验台架的布置、试验工况的设置、设计计算的输人与整车实际情况相符，是保证试验结果或计算结果准确的前提3）该后置发动机排气系统设计方案可广泛应用在横置发动机上，设计及验证所涉及的方法对于发动机零部件的开发也具有一定的借鉴意义。