柴油机增压器与排气歧管结合面漏气改进措施

（上海汽车集团股份有限公司/上海市汽车动力总成重点实验室，上海201804）

柴油机增压器与排气歧管结合面漏气改进措施

邢正双，张兆明，曾 斌，张 萌

（上海汽车集团股份有限公司/上海市汽车动力总成重点实验室，上海201804）

某研发阶段的四缸柴油机在台架试验过程中，增压器与排气歧管结合面经常发生漏气现象。经分析主要原因为增压器垫片设计存在缺陷以及增压器垫片、增压器螺柱与螺母材料选择不合适，无法满足增压器与排气歧管在高温恶劣环境下的密封条件，最终导致密封失效而发生漏气。因此，对增压器垫片设计及垫片、螺柱与螺母材料进行改进，最终解决了增压器与排气歧管法兰结合面漏气问题。

柴油机垫片结合面设计缺陷材料改进

1 引言

在热力系统中，管道、阀门等总是在高温、高压状态下运行，一般采用法兰连接。垫片是其中重要的密封元件，其密封性能直接关系到系统的严密性，一旦系统严密性被破坏就会导致气体或液体泄漏[1]。本文以某研发阶段四缸柴油机为研究对象，针对台架试验过程中增压器垫片漏气问题进行分析并提出解决措施，通过台架试验验证了解决措施的有效性。

2 垫片高温性能

法兰密封垫是两片法兰相连接时，放在两片法兰密封面的中间，然后用螺栓上紧法兰，使法兰不发生泄漏的一种产品。法兰密封垫种类包括：非金属软垫片、缠绕垫片、金属包垫片、金属垫片等多个品种。非金属软垫片是用弹性较好的板材按法兰密封面的直径及宽度剪成一个圆环。所用材料主要有橡胶板，石棉橡胶板、石棉板等，根据容器的工作压力、温度以及介质的腐蚀性来选用。一般低压、常温（≤100℃）和无腐蚀性的介质的容器多用橡胶板（经过硫化处理的硬橡胶工作温度可达200℃）；介质温度较高（对水蒸气＜450℃，对油类＜350℃）的中、低压容器通常用石棉橡胶板或耐油石棉橡胶板；一般的腐蚀性介质的低压容器常采用耐酸石棉板；压力较高时则用聚乙烯板或聚四氟乙烯板。缠绕垫片是用石棉带与薄金属带（低碳钢或合金钢带）相间缠绕制成。因为薄金属带有一定的弹性，而且是多道密封，所以密封性能较好。用于压力或温度波动较大，特别是直径较大的低压容器上最为适宜，因为这种垫片直径再大也可以没有接口。金属包垫片又称为包合式垫片，是用薄金属板（一般是用白铁皮，介质有腐蚀性时用薄不锈钢板或铝板）内包石棉材料等卷制而成的圈环。这种垫片耐高温、弹性好，防腐能力强，有较好的密封性能。但制造较为费事，一般只用于直径较大、压力较高的低压容器或中压容器上。

垫片在高温状态下的性能可由压缩回弹性能、蠕变性能、密封性能来表示，分别详述如下。

2.1 压缩回弹性能

法兰连接的密封主要是通过垫片变形、增加流体泄漏阻力实现的。在预紧过程中，垫片良好的压缩性能是保证其表面与法兰面形成初始密封的基本条件。在运行工况下，受介质压力、温度的影响，螺栓会伸长，法兰会变形，法兰密封面和垫片间产生相对分离的倾向，垫片上的压紧力减小，进而造成连接密封性能下降，甚至产生泄漏。所以，要求垫片具有较好的回弹能力，以补偿密封面间的分离。不同垫片材料的高温压缩回弹性能相差较大，理想的垫片材料应具有表面屈服性能好和整体回弹性能好的综合特性。采用复合材料、改进垫片结构，可达到上述要求，从而提高系统的密封性能。

研究发现，垫片加载和卸载弹性模量均与温度有关。一般情况下，随着温度的升高，垫片压缩量增大而回弹性能下降，蠕变加剧，垫片塑性变形量增加，回弹率就下降。这是导致高温连接泄漏的主要原因[2]。

2.2 蠕变性能

无论在常温或高温状态下，垫片在长时间应力作用下都会产生蠕变，垫片蠕变使其弹性变形部分消失，引起连接系统中各受力元件的应力松弛，从而导致连接系统密封失效。高温工况下这种情况更加严重，由于温度升高，压紧螺栓伸长以及法兰结合面发生变形，进而造成连接系统密封性能下降，发生泄漏。

温度、时间、应力是影响垫片蠕变性能的主要因素。研究发现，温度越高，蠕变量越大。垫片应力越大，蠕变量也越大。

2.3 密封性能

垫片密封性能是一项综合性指标，它受垫片材质、结构、使用温度、工作介质性质、加载卸载状态等多种因素影响。研究发现，泄漏率和介质压力基本成线性关系，具有黏性流体层流流动的一般特征：泄漏率和垫片残余压紧应力成负指数关系，残余压紧力越大，泄漏率越小；泄漏率随温度升高而增大，二者成指数关系。在恒定温度下，泄漏率随介质压力的增大而增大，随垫片应力的增大而减小。

3 案例分析与改进措施

增压器垫片是增压器与排气歧管之间的机械密封的元件。增压器与排气歧管之间受到压力、腐蚀、热胀冷缩等作用的影响，其结合面经常处于高温环境下，垫片材质的耐高温性对高温工况下的法兰密封非常重要。

3.1 问题描述

某四缸柴油机在开发阶段进行的台架耐久试验考核过程中，增压器与排气歧管法兰结合面处多次发生泄漏现象，在三角型法兰的两个紧固螺栓的中间位置有明显的废气泄漏痕迹。拆除增压器后检查，发现增压器法兰面有明显泄漏废气的冲刷痕迹，如图1所示。试验期间，通过重新更换新的增压器与排气歧管间垫片的措施未能彻底解决泄漏问题，发动机继续试验运行一段时间后，漏气现象重现。

图1 增压器法兰面漏气痕迹

3.2 原因分析

该柴油机采用电控燃油高压共轨、增压中冷、废气再循环等技术，升功率比常规柴油机有较大提升，对各零、部件的制造工艺和材料的要求更加苛刻。同时，在进行台架试验考核中，试验工况比实际柴油机在整车上的使用状态更加严格和恶劣，柴油机各零、部件的机械负荷、热负荷以及振动等强度都非常高，各类零、部件发生故障的概率较高。特别是设计中存在缺陷零部件更会较早地发生失效，这也正是台架试验考核的关键作用。该柴油机增压器与排气歧管通过三个螺栓固定在一起，二者中间通过法兰垫片进行密封，如图2所示。垫片原始设计结构为双层全凸筋结构，如图3所示。

图2 增压器与排气歧管连接方式

图3 原增压器垫片结构图

对此故障现象进行分析，造成增压器与排气歧管结合面漏气的主要原因可能有以下几个方面的因素。

（1）柴油机可靠性试验中，排气歧管需要长期在由低温（室温，停机保养）至高温（最高温度达到830℃，最大功率工况）再至低温的状态下工作，排气歧管容易发生变形，且在热应力的交变载荷作用下，排气歧管与增压器垫片之间存在相对运动。此相对运动引起增压器垫片凸筋扭动，而增压器垫片选用的SUS304不锈钢材料的耐高温性差，导致垫片凸筋被压溃，失去弹性，从而无法弥补结合面的变形。发动机排气歧管与增压器之间的排气压力最高可达到250 kPa，并随着发动机运行工况的不同而不断变化。在高温、高压气流的不断冲击下，最终导致增压器垫片密封失效，发生漏气。图4为发动机运行一段时间后，增压器垫片凸筋发生变化的情况。从图中可以看出，凸筋已被压平，已无法起到密封作用。

图4 增压器垫片凸筋密封失效图

（2）增压器与排气歧管紧固螺母和螺柱的材料耐高温性能差，且长期处于高温条件下，螺母及螺柱容易发生强度损失与夹紧力降低，即高温应力松弛，表现为螺栓扭矩减小，从而不能保证密封的压紧力。经过对多台次试验发动机增压器与排气歧管的螺栓螺母的紧固扭矩检查发现，紧固扭矩确实存在不同程度的衰减。表1为多台次发动机按试验工况累计运行不同时间后，增压器螺母的拆卸扭矩值。从该表可以发现，增压器螺母在运行较短时间后，紧固扭矩已衰减非常明显，与规定扭矩值（62 N·m）产生了较大偏差，甚至出现了个别螺母松脱的现象。

表1 增压器螺母拆卸扭矩统计表

（3）排气歧管与增压器结构设计及材料的缺陷也有可能造成法兰连接面较大的变形，若变形量超过一定数值（经验值0.2 mm左右），密封用的垫片无法起到有效的密封效果。因此，对发生漏气现象的多台发动机排气歧管法兰和增压器法兰的平面度进行了检测，检测结果见表2。从统计结果中可以看出，排气歧管及增压器法兰面的平面度变形量基本在可接受范围内，可以判定排气歧管和增压器在结构设计和材料的选择上能满足设计要求，不是造成本次发动机增压器与排气歧管法兰面排气泄漏故障的主要因素。

3.3 改进方案

经过分析和借鉴其它先进发动机排气系统的密封技术，对发动机增压器垫片结构及垫片、螺母与螺柱材料进行改进及验证：

（1）对增压器垫片结构及材料进行改进。首先，将增压器垫片材料由SUS304改为高镍钢B038。材料改进后，增压器垫片的机械性能参数和耐高温性都有了一定程度的提高。其次，将增压器垫片凸筋结构更改为半凸型，提高了凸筋的压缩回弹能力，且增加了凸筋保护设计，使凸筋不会被压平。图5为新设计垫片与原状态垫片的对比，图6为凸筋结构更改前后密封示意图。

（2）由于原设计中增压器螺柱及螺母材料存在耐热能力不足问题，这将引起螺柱在高温环境下伸长过度，从而引起垫片应力的损失，最终可能导致密封失效。因此，将螺柱及螺母材料由4Cr10Si2Mo更改为A286，其强度和耐热能力都得到了很大的提高。

3.4 改进效果

对增压器垫片进行重新设计，以及垫片、螺母与螺柱材料进行改进后，安装到发动机试验样机中。该发动机在各种台架试验过程中，增压器与排气歧管结合面再未发生漏气现象。图7为发动机进行450 h耐久试验后增压器与排气歧管原发生泄漏的结合面、增压器法兰面和增压器垫片，从图中可看出，结合面和法兰面未发生漏气现象，对排气垫片密封圈处的测量显示仍然具有一定的弹性，也没有被压平。在试验结束的拆检过程中，复测了排气歧管与增压器紧固螺栓的紧固扭矩，三个螺母的紧固扭矩均在52 N·m以上，符合设计要求。发动机增压器和排气歧管结合面漏气问题得到解决。

图5 增压器垫片设计改进前后结构对比

图6 增压器垫片设计改进前后对比示意图

图7 增压器与排气歧管结合面无漏气痕迹

4 结论

因此，设计增压器垫片时要充分考虑到垫片的工作环境及垫片在此环境下的压缩回弹性、蠕变性等因素，然后进行选材以及垫片结构的设计，并且通过试验验证设计的可行性。

[1]许晓华，张卫东.垫片高温密封失效原因分析[J].材料应用，2005（2）.

[2]黄健主编.管法兰垫片、紧固件选用手册[M].北京：机械工业出版社，2006.

Analysis and Solution to Gas Leakage between Exhaust Manifold and Turbocharger

Xing Zhengshuang,Zhang Zhaoming,Zeng Bin,Zhang Meng
（SAIC Motor Corporation Limited/Shanghai Key Laboratory of Automobile Power-train,Shanghai 201804,China）

Gas is often found to leak out at the i nterface between the exhaust manifold and the turbocharger of a 4-cylinder diesel engine under development while being put through bench tests.A close analysis suggests that,besides design defects of the gasket,wrong materials for the gaskets,studs and nuts are also among main causes for the leakage,failing to meet the sealing requirements for the turbocharger and the exhaust manifold operating under harsh,high temperature working conditions.A proved solution to the trouble is to improve on structural designs and materials of the gaskets,studs and nuts.

diesel engine,gasket,interface,design defects,material improvement

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.01.006

来稿日期：2016-06-21

邢正双（1982-），男，工程师，硕士，主要研究方向为发动机试制工艺。