发动机排气歧管冷热循环过程中的密封性能分析

本文基于ABAQUS的瞬态温度场计算、热固耦合计算和非线性接触分析功能，分析了某发动机排气歧管在冷热循环过程中的温度历程与密封性能。分析中考虑了螺栓预紧力和发动机热载荷的共同作用，模拟了发动机由静止到最大功率点，再到拖冷却过程中密封性能的变化趋势，探讨了影响排气歧管密封性能的主要因素和危险工况，对排气歧管密封垫片的性能曲线提出了明确要求，为设计开发提供了指导。

排气歧管是发动机工作条件最为恶劣的零件之一，工作过程中承受着从环境温度到近千摄氏度的温度变化，同时还要满足气密性与耐久性的要求。现代轿车发动机朝着小型化、高升功率的方向发展，排气压力也随之升高，这对排气歧管的密封性能提出了更高要求。如何分析排气歧管的密封性，如何考虑温度对密封性能的影响，这在以往的CAE计算中较少涉及。

本文以某轿车用发动机为例，分析了发动机冷热循环过程中，排气歧管在装配载荷和冷热交替载荷共同作用下的密封性能，探讨了影响密封性能的关键因素和危险工况，对排气歧管密封垫片的设计提出了明确要求，为设计开发提供了指导。

仿真模型与边界条件

1.有限元模型

根据排气歧管的装配关系，CAE仿真模型主要包括缸体、垫片、排气歧管和螺栓四个部件。其中，缸体、排气歧管与螺栓采用二阶实体单元，垫片采用ABAQUS特有的垫片单元进行模拟。为减小计算规模提高计算速度，缸体仅做出了靠近排气侧的半个模型，如图1所示。

2.边界条件

（1）换热边界条件：分析排气歧管在冷热循环过程中的变形与密封压力，首先需要根据试验循环条件来计算排气歧管的温度历程与分布。试验中，发动机要依次经历高转速全油门、倒拖和怠速等工况（如图2所示），以模拟现实中发动机运转升温、停机冷却的过程。通过CFD仿真计算，得到缸盖水套和排气道壁面在全油门、倒拖和怠速工况下的换热边界条件，导入ABAQUS瞬态传热分析模型计算排气歧管在冷热循环过程中的温度。温度场的计算为第三类边界条件，传热方程为（1）和（2）。

分析中需要注意一点，排气歧管工作过程中温度较高，辐射散热的作用不可忽视，计算模型中需要在排气歧管的外表面引入参数*SRADIATE考虑其影响。

（2）装配载荷：装配载荷是指螺栓预紧载荷。由于螺栓在冷热交替载荷作用下会松弛，密封计算中考虑最恶劣的情况，在初始预紧力的基础上按一定比例打折。根据排气歧管的装配关系，分析中需要考虑排气歧管与垫片、缸盖与垫片、螺栓与缸盖、螺栓与螺母、螺母与排气歧管之间的接触作用。为提高计算收敛速度，除排气歧管与垫片、缸盖与垫片之间采用接触来模拟外，其余的接触对均采用Tie来模拟。

3.计算工况

根据排气歧管的装配与载荷特点，计算密封性能时需要考虑螺栓预紧力和发动机热载荷的共同作用。结合发动机冷热循环试验工况，可以将排气歧管密封分析分解为如下步骤，计算流程如图3所示。

图3 CAE计算流程

（1）通过CFD计算，获得排气道与水套在全负荷、倒拖和怠速下的换热边界条件。
（2）将排气道与水套在不同工况下的计算结果按照试验顺序进行组合，施加到结构有限元模型中，通过瞬态传热计算，分析排气歧管在冷热循环过程中的温度历程与分布。
（3）计算排气歧管在螺栓预紧载荷作用下的变形与密封压力。
（4）在（3）的基础上，施加温度边界条件，计算排气歧管在装配与热载荷共同作用下的变形与密封压力。

计算结果及分析

1.排气歧管温度分布与历程

排气歧管在冷热循环工况下的温度分布与历程如图4～图7所示。在高转速、全负荷工况下，排气歧管温度逐渐升高，临近该工况末端时，温度逐渐趋于稳定达到最大值。排气歧管最高温度出现在2、3排气道中部的加强筋处，但仍在材料允许的工作范围内；倒拖工况下，排气歧管快速冷却，但在该工况末端，温度分布并未达到稳定状态；在随后的怠速工况，排气歧管温度略微提升，但幅度和速度都很有限，整个排气管的温度分布趋于稳定。

取排气歧管中部温度最高处为研究对象，做出其在冷热循环作用下的温度历程，如图7所示。分析可知：在两次高转速、全负荷工况的末端，排气歧管最高温度一致，这说明排气歧管温度分布已经达到稳定状态，可以将冷热循环历程用于后续结构变形与密封性能计算。

2.垫片密封压力分布与历程

排气歧管密封垫片在装配工况、全负荷工况、怠速工况下的压力分布如图8～图10所示。通过比较、分析三工况下的压力分布可知：

（1）垫片压力主要集中在突筋和螺栓孔周围区域。在垫片本体区域，接触压力非常小，近似为零。由此可以认为，垫片的密封功能主要由突筋来实现，密封性能的好坏由突筋的压力特性保证。在接下来的密封分析中，主要关注突筋区域的接触状态。

（2）装配工况下，突筋接触压力分布均匀而且数值较大，密封性能较好；全负荷热态下，突筋压力分布不均匀，接触压力明显下降，是密封性能的危险工况；怠速工况下的接触压力与分布均匀性介于装配和全负荷之间，当前设计更接近安装状态。

（3）在最危险的高转速、全负荷工况，垫片中部区域密封压力下降明显，两端压力大大增加，密封压力载荷通过突筋传递的比重下降，对密封不利。

图11为在装配与热载荷作用下，垫片突筋上A、B两点密封压力的时程曲线。如图，A点在1号排气道附近靠近外侧，B点在2号排气歧管附近靠近中部。对比A、B两点的压力曲线发现：在热载荷作用下，两者密封压力的变化趋势基本相反。在发动机由怠速到高转速、全负荷过程中，排气歧管温度快速升高，靠近外侧的A点密封压力随之增大，而靠近中部的B点密封压力却逐渐减小；在发动机由高速全负荷到怠速的过程中，排气歧管温度下降，靠近外侧的A点密封压力逐渐减小，而靠近中部的B点密封压力增大。

A、B两点密封压力变化差异的主要原因是排气歧管法兰面的热变形。热变形后，排气歧管与缸盖之间的间距变化不均匀，导致突筋的压缩量发生变化。

3.排气歧管密封面变形

高速全负荷下，排气歧管密封面的变形如图12所示。热态下，由于热胀冷缩不均匀，歧管外侧的1、4气道膨胀量大，中部的2、3气道膨胀量小，导致密封面变形成弓形，歧管中部与缸盖有分离的趋势。这种分离趋势使得垫片突筋的压缩量大大减小，从而降低了密封压力。取密封面上靠近B点的区域来研究，观察其在冷热循环载荷作用下相对缸盖的法向位移，如图13所示。

由图可知：

（1）高转速、全负荷作用下，排气歧管密封面与缸盖之间的距离会大大增加。相对初始安装状态，两者间距会大大增加。结合排气歧管垫片的CLD曲线可知，密封压力对歧管与缸盖间距很敏感，当两者距离增大时，密封压力快速下降。

（2）怠速工况下，排气歧管与缸盖的间距也会增大，但与初始安装状态相比变化不大。

结语

本文介绍了利用ABAQUS分析排气歧管瞬态温度场分布、排气歧管变形与密封压力的过程，探讨了影响排气歧管密封性能的关键因素，通过分析可知：

（1）热载荷是影响排气歧管密封性能的关键载荷，通过CFD与结构传热分析相结合，可以预测排气歧管的瞬态温度分布，为密封计算提供边界条件。

（2）高转速、全负荷工况是考核排气歧管密封性能的危险工况，单独计算常温下的安装工况不足以发现潜在泄露的风险。

（3）密封垫片突筋的压力——变形特性是保证密封性能的关键因素。

（4）在热载荷作用下，排气歧管密封面相对缸盖有分离的趋势。通过CAE计算两者间隙，要求垫片突筋在该间隙下能够保存足够密封压力。