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1、内燃机进排气管铸铁件生产技术典型应用郭全领 2014.11.25 济南,1. 概述,排气歧管是内燃机发动机的重要零部件，其壁薄、复杂空间结构，安装所需的众多螺栓搭子、排气、检测多种形状法兰结构，从而形成了众多热节结构，这些给铸造生产带来不少技术难度，生产中容易产生缩松、夹渣、气孔、砂眼等缺陷，其中缩松问题成为排气歧管需要解决的主要问题； 其次，由于各种型号的内燃机发动机排气温度高低不同，因此应用排气歧管的耐高温铸铁材料牌号不同，其收缩特性不同，因此其解决缩松的技术工艺措施也不完全不同。,第3，排气歧管的作用不限于将缸筒内高温气体排出缸盖，随着涡轮增压技术逐渐应用，排气歧管还承担着将高温动能气体
2、输送到涡轮增压器中，因此低压损、顺畅、输出气压稳定，是排气歧管设计制造的重要技术指标，以满足涡轮增压发动机高功率、高扭矩、低排放的性能要求，因此高性能排气歧管设计开发，也日益受到重视； 第4，为了提高排气歧管的质量、降低生产成本，近年来开发了多钟排气歧管生产技术方法，生产工艺方法不同，出现的缺陷不尽相同，其解决技术措施不完全相同，本报告主要针对排气歧管主要常见的缩松缺陷，需要采用解决技术措施做一介绍。,1. 概述,2. 排气歧管常用生产技术,2. 排气歧管常用生产技术,2. 排气歧管常用生产技术,3. 排气歧管材料技术发展及应用,3. 排气歧管材料技术发展及应用,4. 各种牌号材质排气歧管铸件
3、材料特性 补缩技术特点 排气歧管的结构复杂，孤立热节众多，因此，补缩是生产高致密性排气歧管必须的设计技术，然而各种牌号的铸铁材质因其收缩特性不同，其补缩技术特点要求不同。,4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性 补缩技术特点,4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性 补缩技术特点,4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性 补缩技术特点,4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性 补缩技术特点,4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性 补缩技术特点,5. 高镍球墨铸铁排气歧管铸件 泄漏问题的分析及解决,在汽车行业内燃机汽车节能减排的推动下，在各种铸铁材质排气歧管中，高镍排气歧管因其材质为高镍奥氏体材质，具
4、有较高的高温强度、较高的耐高温疲劳性能，与耐热铸钢相比，具有较好的铸造工艺性和加工性能、因而具有较低的生产成本，日益受到发动机排气歧管、涡轮增压器设计者的广泛重视，应用日益广泛，节能减排发动机的新机型纷纷采用高镍铸铁材质，生产快速增长，年销量增长25%以上，因其是相对广泛应用的普通球铁、硅钼球铁来说，属于新铸造材料，铸造技术要求高，铸造工艺性差，废品率相对较高，其主要废品为漏气废品，漏气比例一度达到6090%，成为铸造生产工艺的主要问题。,5. 高镍球墨铸铁排气歧管铸件 泄漏问题的分析及解决,受传统蠕墨铸铁、普通球墨铸铁、硅钼球墨铸铁熔炼工艺、铸造工艺设计(包括浇注系统)经验、作业习惯的影响，
5、受到传统蠕墨铸铁、普通球墨铸铁、硅钼球墨铸铁较高工艺出品率的习惯思想影响，在高镍排气歧管铸造工艺设计中，习惯性的采用了前者的设计习惯和方法，使得高镍排气歧管铸件象蠕墨铸铁、普通球墨铸铁、硅钼球墨铸铁一样，或多或少的在热节部位存在尺寸很小的显微缩松（射线探伤检测），这些尺寸很小的显微缩松+较大的缩松缺陷，造成了高镍排气歧管铸件的漏气废品率居高不下3090%。,5. 高镍球墨铸铁排气歧管铸件 泄漏问题的分析及解决,根据前述高镍奥氏体球墨铸铁材料凝固收缩特性、排气歧管铸件补缩技术特点，我们知道，高镍奥氏体球墨铸铁材质凝固收缩特性与蠕墨铸铁、普通球墨铸铁、硅钼球墨铸铁有很大不同，主要是其碳当量比普通球
6、铁和硅钼球铁低14%，石墨析出量少39%，因此必须采用不同于普通球铁、硅钼球铁的补缩方式强化冒口补缩技术+冷铁辅助冷却工艺，采用这项技术后，通过相应的铸造铁液充型、温度场、缩松计算机数值模拟软件计算，排气歧管铸件缩松缺陷消失，批量生产后的高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管漏气废品率降低到1%（见图15），许多高镍高镍排气歧管铸件采用这项技术后，漏气废品率大幅降低，漏气率也降低到1%，多年的高镍球铁排气歧管生产废品率居高不下的难题得到有效解决。,5. 高镍球墨铸铁排气歧管铸件 泄漏问题的分析及解决,图15 排气气温度900的高镍球铁排气管,6. 涡轮增压发动机功率、扭矩不足 问题的分析及解决,在汽车行业
7、内燃机汽车节能减排政策的推动下，发动机设计人员在发动机的缸体、缸盖、进气歧管、排气歧管、涡轮增压器的设计做了大量节能降耗技术工作，以提高发动机的升功率，提高扭矩、降低排放，由于发动机越来越多的采用涡轮增压技术节能技术，其中的关键部件涡轮增压器对发动机功率、扭矩、排放影响十分显著，因此前置于涡轮增压器的排气歧管气道结构尺寸精度就对涡轮增压器工作性能的作用十分显著，尤其是排气歧管气道的关键部位尺寸。,6. 涡轮增压发动机功率、扭矩不足 问题的分析及解决,例如，如下图16所示的高镍球铁材质排气歧管，因其气道尺寸的变化，导致2.0升、功率150kw、扭矩280NM的涡轮增压汽油发动机的功率扭矩不足，经
8、过流体技术分析认为，该排气歧管关键部位气道尺寸不足，导致了发动机的功率扭矩不足，增加排气歧管关键部位气道尺寸0.2mm，经过发动机台架试验证明，发动机功率增加5Kw功率、扭矩增加8NM，最终使发动机的技术指标达到设计指标，由此可见，对于涡轮增压发动机来说，排气歧管的气道尺寸精度是非常重的，必须在设计开发、制造中严格控制。,6. 涡轮增压发动机功率、扭矩不足 问题的分析及解决,图16 排气气温度950的高镍球铁排气管,7. 排气歧管铸件开裂漏气失效 问题的分析及解决,排气歧管是发动机的重要零件，客户要求正常使用条件下，排气歧管不允许失效，因此在西排公司设计开发生产的2000多各种排气歧管中，用户
9、反馈排气歧管失效的数量很少，一旦出现排气歧管失效，客户非常重视，在排气歧管失效的模式中，开裂漏气是其主要失效模式，这是因为排气歧管承受着高温气流能量的不断冲击、承受着冷热交替的冷热冲击，在高温下，排气歧管材质强度显著降低，排气歧管工作温度很高，相应的其热应力很大，能够达到200Mpa以上，同时还承受着发动机震动、涡轮增压器的载荷，根据解决众多排气歧管失效的成功案例，纵观排气歧管开裂漏气失效根本管理原因，主要是排气歧管产品开发设计不足所致（虽然也有铸造缺陷等原因造成排气歧管失效，更多的失效原因不是铸造缺陷所致），,7. 排气歧管铸件开裂漏气失效 问题的分析及解决,产生原因是排气歧管作为发动机的一
10、个零件，与发动机缸体、缸盖相比，它所承受的各种严酷热载荷没有受到重视，它的复杂性没有得到重视，规定的设计开发时间短，没有合理的设计资源，这就造成了在设计过程中，不能够进行详细的气道结构、强度结构设计计算，铸造工艺设计计算，材质改进设计计算（材质选择不尽合理），排气歧管的相关安装设计计算，种种不尽合理因素为排气歧管在高温载荷条件下工作的可靠性埋下了隐患排气歧管高温结构强度不能充分满足其严酷的工作条件，造成了开裂漏气失效，为了更好的解决排气歧管开裂失效问题，CFD(计算机流体设计软件)、ABQUES有限元分析是排气歧管结构设计很好设计方法，采用这些技术进行设计、并严格按照设计开发程序进行设计，设计
11、开发出的排气歧管能很好的提高排气歧管的可靠性，降低排气歧管开裂、变形、漏气失效的风险，提高排气管工作可靠性，主要设计过程如下：,7. 排气歧管铸件开裂漏气失效 问题的分析及解决,排气歧管CFD分析：输入排气管参数进口气体流量、气体温度，出口气体压力、气体温度。通过计算，输出排气管气流数据气道内热气流压力场分布图（图17），气道内热气流速度流线分布图（图18），气道内气体温度分布图（图19），气道内高温气体湍动能量分布图（图20）。 这些数据能够有效分析出排气歧管各个气道结构的合理性：各个管压差、压力损失，这些数据的合理性对发动机的排气效率、涡轮增压器工作效率，进而提升发动机的性能起到十分重要的
12、作用。,7. 排气歧管铸件开裂漏气失效 问题的分析及解决,ABQUES有限元分析：利用CFD计算分析的温度场、边界条件，输入排气歧管材质的物理参数（密度、弹性模量、热膨胀系数、热传导效、比热、泊松比），就可以计算出排气歧管的温度分布（图21）、热应力分布（图22）、疲劳强度、高温膨胀量数据。 依据这些计算模拟数据，就能很好的评价排气歧管的设计开发质量，然后进行有效的改进设计，提高排气歧管高温工作的可靠性，降低排气歧管开裂漏气的风险。,7. 排气歧管铸件开裂漏气失效 问题的分析及解决,在解决排气歧管开裂漏气失效的生产实践中，增加加强筋是提高排气歧管高温结构强度，解决排气歧管漏气的有效方法（见图23图24）。,图23 排气管外壁增加加强筋后，有效的解决了使用中开裂失效问题。,图24 排气管外壁增加加强筋后，有效解决了使用中开裂失效问题。,THE END 谢 谢！,
