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某发动机排气歧管-增压器法兰漏气分析

楚中华，石鹏，李辉，孙平，张静，黄华，吕品，韩力春

北京汽车动力总成有限公司，北京，101106

摘要：由于某型增压发动机在试验中出现排气歧管-增压器法兰漏气现象，通过Abaqus软件仿

真分析密封性能，查找漏气原因，改善优化排气系统结构并校核改善方案密封性能，最终方案通

过试验验证，故障问题得以解决，为排气系统的密封问题提供理论依据和经验积累。

关键词：排气系统；法兰；Abaqus；密封性能

1.概述

发动机排气系统作为发动机的一个重要系统，具有热负荷高、冷热冲击大、工作环境恶劣等

特点，运行过程中易出现排气歧管开裂，法兰面漏气，支架断裂等故障。排气系统具有良好的密

封性能是保证发动机安全、可靠运行的一个重要因素，因此对法兰连接处的垫片密封性能进行仿

真分析是非常必要的。

本文是在某增压发动机整车耐久试验中出现排气歧管-增压器法兰漏气现象的情况下，通过

有限元分析软件Abaqus建立排气系统有限元模型，首先采用流固耦合方法计算排气系统的温度

场，然后进行三个以上的常温-热工况交变循环分析，根据分析结果得到垫片的压力分布及接触

结构（法兰）对垫片密封性能的影响。通过优化结构和改善垫片，对比分析结果有显著改善，改

进歧管结构和垫片方案也在随后的耐久试验中未有漏气现象发生。

2.垫片几何结构

本分析中采用的是金属垫片，安装在排气歧管和增压器法兰之间，排气系统工作环境恶劣，

因此垫片的主要作用是防止高温高压废气的泄露。它的结构主要包括垫片本体和起密封作用的波

纹两部分组成，如图1所示。

密封波纹

垫片本体

图1.垫片截面示意图

3.建立模型

3.1有限元模型

排气系统有限元模型包括排气歧管，增压器，支架，垫片及螺栓。垫片及螺栓采用六面体单

元划分网格，其余模型采用二阶四面体单元如下图2和3所示。

图2.排气系统有限元模型图3.垫片有限元模型

3.2垫片的压缩特性

垫片主要通过功能层上的全波纹或半波纹的凸筋结构来实现密封功能，不同波纹的压缩特性

对垫片的密封性能起着至关重要的作用。测得排气歧管-增压器法兰垫片的加载和卸载曲线如下

图4所示。

图4.垫片波纹压缩特性曲线

3.3边界条件约束

对排气歧管法兰螺栓孔和支架螺栓孔节点约束X、Y、Z三个方向的自由度，如下图5所示。

图5.约束示意图

3.4分析工况

考虑到发动机在整个冷热冲击试验过程中的工况，因此进行了常温装配和热工况（由流体分

析映射得到温度场）进行分析计算。

3.5流固耦合传热分析

因为排气系统在运行过程中的热负荷环境，在进行法兰密封性分析之前，需要先进行排气系

统的流固耦合传热分析。准确的温度场环境才能更准确地模拟法兰的密封性能。

排气歧管和增压器气道内壁面换热边界由流体分析映射得到，外壁面取恒定的经验温度和换

热系数。

4.结果分析

4.1传热分析结果

利用Abaqus/Standard求解器进行传热分析，得到排气系统温度场结果，如下图6所示。

图6.排气系统传热分析结果

4.2法兰密封性分析结果

1）装配工况和全负荷热工况下，排气歧管法兰垫片密封压力及法兰间隙量结果，如下图7

和8所示。

图7.排气歧管垫片压力

图8.排气歧管法兰间的间隙量

由分析结果可知，全负荷下垫片最小线压力不满足设计要求，此位置法兰间的间隙量较大，

与试验漏气位置一致。

2）检测法兰面变形结果

耐久试验后拆机测试排气歧管法兰面的平面度，检测结果显示排气歧管法兰面变形较大如下

图9所示，在工作过程中加上弹性变形，整个法兰的变形量将会很大。且法兰变形最大位置与分

析结果一致。

由以上结果得出结论，在热负荷工作条件下，排气歧管法兰面局部区域较薄弱，导致在热应

力下此区域刚度不足有较大变形，导致漏气问题。

图9.试验后排气歧管法兰面平面度检测

5.改善方案

对排气歧管原方案法兰附近区域进行修改，红色为原方案，灰色为改善方案如下图所示。加

宽法兰并对法兰薄弱区域壁面加厚2mm，如图10所示。

并把两层垫片更改为三层垫片进行密封，如下图11所示。

改变法兰形状

加厚法兰2mm

图10.排气歧管改善方案示意图

两层垫片三层垫片

原方案改善方案

图11.垫片改善方案示意图

对改善方案进行密封性分析，得到全负荷下垫片比原方案线压力提高68%，如下图12所示，

满足设计要求。

图12.排气歧管改善方案的垫片压力

排气系统新方案经过随后的试验验证，均未再出现漏气问题。

6.结论

1）建立排气系统有限元模型和传热流固耦合分析模型，得到排气系统的温度场分析结果。

2）进行排气系统密封性仿真分析，得到垫片压力较小位置，找出漏气原因，并对排气歧