增压器后置发动机排气系统开发.pdf
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1、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,
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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4084274225535
9、90575549.7411559445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20
10、23(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 1
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