摘要：針對某直噴增壓發動機排氣管前端法蘭與增壓器法蘭結合面漏氣問題，通過數字化CAE仿真手段，復現法蘭結合面在發動機工作時的變形情況和金屬墊片密封情況，發現漏氣的真實原因，即高溫、法蘭結合面擠壓變形雙重作用導致墊片密封環凸筋結構被破壞。開展法蘭結合面密封性能優化研究，得到最經濟的結構改進方案，使法蘭結合面對墊片的擠壓變形降低46%，一次通過發動機冷熱沖擊試驗驗證，解決漏氣問題。

　　關鍵詞：密封CAE仿真法蘭結合面金屬墊片高溫擠壓變形

　　1前言

　　為了應對日趨嚴格的排放法規和油耗要求，發動機增壓技術方案被廣泛采用，來提升熱效率、凈化排氣。然而由此帶來的副作用是燃燒爆發壓力和燃燒排氣溫度不斷提高，發動機“三漏”失效、高溫失效、疲勞失效等風險更加突出，并且各種失效形式往往不是獨立存在的，而是相互影響的。

　　發動機的“三漏”失效，本質上是壓力容器在高溫高壓下的密封失效，涉及到燃氣、潤滑液和冷卻液的密封。本研究中排氣管前端法蘭就是發動機排氣系統的關鍵部分，直噴增壓發動機的高溫排氣使得增壓器和排氣管前端的法蘭結合面(以下簡稱“法蘭結合面”)密封變得十分困難，在法蘭結合面處的高溫氣體泄漏存在嚴重安全隱患，降低產品的可靠耐用性，影響產品品質，引起消費者的質量抱怨。

　　2螺栓法蘭墊片密封研究現狀

　　螺栓法蘭墊片連接研究是壓力容器和管道技術領域中一個受到高度重視的課題[1]。在螺栓法蘭連接中，墊片是影響連接密封性能的關鍵元件，因此，墊片的力學性能和密封性能研究一直是螺栓法蘭連接研究中的重點[1]。采用金屬密封墊片的螺栓法蘭連接是發動機排氣系統常用的連接形式。這種金屬墊片依靠沖壓成型工藝形成具有一定高度和一定寬度的凸筋結構。

　　沖壓過程中形成的墊片內應力，使得墊片的凸筋結構具有壓縮性和回彈性。靜態安裝時，墊片在螺栓擰緊作用下，產生壓縮變形，填充法蘭結合面的間隙，并依靠壓縮產生的法向壓力形成初始密封;動態運行時，在溫度、壓力、振動等外載荷作用下，法蘭結合面彼此分離，墊片發生回彈，如果墊片的回彈量能補償緊結合面的分離量，殘余法向壓力仍大于內壓力，形成阻止高溫高壓燃氣泄漏的動態密封。這就是墊片密封的基本工作原理[2]。

　　3法蘭結合面密封問題

　　某2.0TD發動機法蘭結合面采用的就是金屬密封墊片的螺栓法蘭連接形式，靜態裝配狀態下測試，沒有發生漏氣現象，證明金屬墊片產生的足夠的法向壓力能夠滿足密封性能;但在發動機冷熱沖擊臺架試驗后出現嚴重漏氣問題。按照試驗工況分析可知：此直噴增壓發動機全速全負荷運行時，增壓器渦前廢氣溫度達950℃，在高溫高流速氣體的沖刷下，法蘭結合面處的結構溫度可達800～900℃;當發動機停機后，溫度會降到室溫或者更低。

　　巨大的溫差使法蘭結合面結構熱脹冷縮現象異常明顯;同時，由于增壓器結構整體的復雜性，法蘭結合面在高溫氣體作用下溫度分布不均勻，極易使法蘭結合面出現塑性變形以及法向變形不協調現象。常規認為，在以上這些現象疊加作用下，發動機停機后，法蘭結合面冷縮變形不能回到初始的裝配狀態，當墊片的回彈性能無法補償法蘭結合面由于高溫產生的分離量或者塑性變形產生的殘余分離量，導致密封失效，發生嚴重漏氣問題。進一步利用CAE仿真分析技術，復現此發動機法蘭結合面漏氣現象，確定漏氣的真正原因。

　　4法蘭結合面密封CAE分析

　　法蘭結合面密封CAE分析主要包括兩部分：基于瞬態熱邊界的瞬態溫度場CAE分析，基于真實裝配及瞬態溫度場的熱機械耦合CAE分析。瞬態溫度場仿真和熱機械耦合有限元仿真的理論依據見文獻[3]。

　　4.1瞬態溫度場CAE分析

　　建立有限元模型，包括催化器、法蘭連接螺栓、墊片、增壓器蝸殼等。瞬態溫度場CAE分析需要的熱邊界包含五部分。a.發動機全速全負荷工作時的內流場氣體溫度分布和換熱系數分布;b.發動機冷機反拖時的內流場氣體溫度分布和換熱系數分布;c.發動機全速全負荷工作時的結構外流場氣體溫度分布和換熱系數分布;d.發動機冷機反拖時的結構外流場氣體溫度分布和換熱系數分布;e.熱輻射邊界。

　　其中，氣體溫度分布和換熱系數分布利用CFD軟件計算獲得，是發動機全速全負荷工作時的內流場內腔熱邊界。熱輻射邊界依靠經驗值定義。加載時間根據發動機冷熱沖擊臺架試驗規范確定。通過CAE計算，可以得到排氣系統在發動機冷熱沖擊試驗全時間歷程下的瞬態溫度場仿真結果，顯示的是發動機全速全負荷穩態時刻排氣系統的溫度場仿真結果，法蘭結合面處的溫度普遍達到700～750℃。

　　4.2密封仿真CAE分析

　　墊片采用ABAQUS自帶的gasket單元，其中，墊片凸筋結構密封環的法向屬性[4]根據壓縮-回彈曲線測試結果定義，室溫下墊片壓縮-回彈測試曲線。發動機蝸殼、排氣管等結構需要定義溫度相關的材料參數，并且要考慮溫度對材料塑性的影響。密封仿真CAE工況，其中加載全速全負荷時的溫度場載荷的工況定義為升溫工況，加載冷機反拖時的溫度場載荷的工況定義為降溫工況。通過CAE計算，可以得到墊片密封環在三個升溫-降溫循環下的面壓分布。

　　墊片密封環面壓的取值起始點和取值方向示意。根據密封理論，當墊片密封環上的面壓大于管內氣體的壓力時，可以認為管內氣體不會泄露。但是當面壓的分布不均勻時，根據Sawa的理 論，螺栓連接的密封性取決于接觸區域的最低壓強值，即墊片密封環的最小面壓決定了法蘭結合面的密封能力。

　　在各個工況下，墊片密封環的最小面壓不會發生明顯變化，均為1.3MPa左右，遠大于內部氣體壓力，即理論上法蘭結合面不會發生漏氣問題，這和試驗出現的漏氣問題不符，面壓不足不是導致此發動機法蘭結合面漏氣的真因。結合墊片上高溫氣體泄漏的燒蝕痕跡，分析墊片密封環面壓分布，可以發現，動態運行時，密封環0°～120°的面壓升高，停機穩定后，面壓急劇下降，無法恢復到螺栓擰緊工況時的壓力狀態，這與墊片密封的基本工作原理是不同的。

　　5法蘭結合面密封性能優化研究

　　重點從減輕法蘭結合面擠壓作用入手，開展墊片密封性能優化研究。

　　5.1法蘭增厚優化方案

　　將法蘭厚度增加50%，法蘭結合面擠壓的最大壓縮變形量減小為47μm，降至原來的66%，改善效果明顯。但法蘭的增厚會加劇法蘭到排氣管的截面剛度突變，容易誘發熱機疲勞開裂。如采用此方案，需要同步開展熱機疲勞開裂風險的驗證和預防。

　　6結論

　　a.造成發動機排氣系統法蘭結合面的墊片密封失效、漏氣的原因很復雜，和排氣系統整體的安裝固定方式、各零件結構剛度、法蘭連接形式、高溫載荷作用、材料耐高溫性能等密切相關，需要具體問題具體分析，對癥下藥。b.金屬墊片密封依靠的是具有壓縮-回彈性能的墊片凸筋結構，室溫下，這種壓縮-回彈性能可以保持相對的穩定或者一定程度的衰減。但是墊片凸筋結構在特定的使用環境中，比如導致材料性能急劇衰減的高溫和大變形持續反復擠壓的共同作用下，墊片凸筋結構會發生改變，原有的壓縮-回彈性能會急劇衰減甚至消失。

　　c.發動機排氣系統法蘭結合面的密封設計開發，需要綜合考慮材料選定、法蘭連接布置、排氣系統固定方式。d.利用數字化CAE仿真分析技術手段，對排氣系統法蘭結合面密封性能開展準確分析與預測，可以有效指導發動機排氣系統結構的正向精益設計，降低開發成本，縮短開發周期。

　　參考文獻：

　　[1]董峰.發動機缸體缸蓋結合面密封性方法研究[D].上海：上海交通大學,2012.

　　[2]沈人杰.增壓發動機排氣系統密封結構優化研究[J].潤滑與密封,2015,40(4):121-124.

　　[3]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社,2009.

　　[4]王鷹宇.Abaqus分析用戶手冊——材料卷[M].北京：機械工業出版社,2018.

　　[5][美]陳惠發,A.F.薩里普.彈性與塑性力學[M].北京：中國建筑工業出版社,2004.

　　作者：武斌1,2蔡存朋1,2曹正林1,2李康1,2沈宇航1,2謝曉峰1,2