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发动机排气歧管开裂失效分析及其设计改进
李凤琴1，2曾庆强1杨怀刚1郑光泽1，3李倩倩1
1重庆长安汽车股份有限公司动力研究院，2汽车噪声振动与安全控制国家重点实验室(重庆，401120）
3重庆理工大学汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室（重庆，400054）
摘要：针对某发动机排气歧管开裂失效问题，利用鱼骨图法确定了排气歧管选材不当、排气温度过高是
导致排气歧管开裂的主要原因，气道间连接部位的不合理结构设计是导致排气歧管开裂的可能原因。本文
基于Abaqus进行了排气歧管热应力分布仿真分析，排气歧管温度场、热应力、残余应力以及塑性变形的
分析结果表明：原设计方案在使用正确材料及在合理的排气温度条件也会由于关注位置的热应力及残余应
力超过应力目标值而导致排气歧管开裂。在不改变排气歧管流道形状的前提下对歧管关注位置进行改进设
计，仿真分析和可靠性试验均表明歧管改进设计结构合理，是避免排气歧管开裂失效的有效解决方案。
关键字：排气歧管开裂结构改进
1前言
排气歧管是汽车发动机的主要受热件之一，发动机在工作过程中,排气歧管承受着很高的热冲击负荷,
内外表面温差大，容易导致漏气、高温氧化、热疲劳开裂甚至断裂等失效。此外，高温气流的频繁热循环
冲击、行驶过程中路面带来的振动及恶劣的气候条件等不但要求排气歧管的材料必须具有良好的中高温机
械性能和使用性能，而且要求合理的结构设计，使其在工作条件中具备良好的高温强度、韧性和抗热疲劳
性、高温蠕变性、高温氧化性等性能。现代的高速发动机，随着对发动机性能和汽车尾气排放的要求越来
越高，其零部件的热负荷也随之不断增大，排气歧管开裂已经是较常见的失效模式。
本文针对多次在试验中出现开裂的某发动机排气歧管，对其失效原因进行分析，借助计算机仿真方法
对失效原因进行验证分析，根据分析结果提出了排气歧管改进方案，试验验证了排气歧管结构改进方案的
有效性。
2失效原因分析
某发动机在500h可靠性试验进行到137h时，排气歧管严重氧化脱层，气道间连接部位出现如图1所示
的开裂失效；另一台同型号发动机在400h冷热冲击试验中，运行了98h进行检查时发现有特别细微的裂纹，
145h时检查发现排气歧管出现裂纹。
图1排气歧管氧化脱层、开裂位置
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为找出该排气歧管开裂的原因，本文利用鱼骨图法进行了可能导致失效的原因分析。如图2所示，列
出了可能导致失效的六个因素，它包含人、机、料、法、测、环。根据排气歧管的工作测试环境及特点，
得到了16个可能的末端原因。目前的装配工艺、试验规范、试验方法、测量手法，都已成熟，试验样机
及其零部件外表均无碰伤痕迹，且试验人员技术娴熟，在试验过程中严格按照装配工艺及试验规程进行操
作，试验前也有专人对台架、测功机、传感器等进行检测和校验，可以排除试验方法、测试设备以及人为
疏忽导致失效的可能。
图2排气歧管开裂原因
对试验中的各种温度、压力进行了监控，缸内压力、油温、水温都在正常范围，然而发动机的排气温
度最高达到了970℃，超出设计目标最高排温860℃。因此，排气温度过高是造成失效的主要原因之一。
排气歧管的初始设计材料采用QT450-10，属于铁素体球墨铸铁，虽然其塑性和韧性较好，但强度较低，
高温抗氧化性也较差，一般允许的铁素体球墨铸铁使用温度限制在670℃以下，温度过高，易产生过度氧
化导致脱层的问题，而本排气歧管最高温度超过900度，因此，材料选择不当因此成为造成开裂失效的主
要原因之一。
图3气道壁厚均匀一致图4歧管4合1部位结构不合理
通过与毛坯供应商交流，对铸造、热处理工艺等检查，没有发现问题，并对排气歧管进行解剖（如图
3），检测发现排气歧管内外表面光洁顺滑无气孔缩孔等缺陷、气道壁厚也均匀一致，确认壁厚符合要求。
但排气歧管4合1部位是四个气缸排出的废气汇集的地方，是温度最高也是热应力最集中的地方，但此处两
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个气道之间的连接（“V”字形状）过渡过于突然，圆角过小（如图4），可能是造成失效的原因之一。
3整改方案
1）优化电喷匹配数据，降低排气温度
对ECU数据进行优化，增加防止排气温度过高的设置，将最高排气温度控制在850℃以下（略低于设
计目标）。电喷数据优化后的排气温度测试结果如图5，优化后最高排气温度为843℃。
图5电喷数据优化后的排气温度测试图6排气歧管热疲劳分析流程
2）更换排气歧管材料
要达到使得排气歧管能承受880℃的排气温度，最好的解决方案是采用高镍材料。但高镍材料成本较高，
远超过该排气歧管既定目标价格。而中硅钼耐热蠕墨铸铁，在急冷急热条件下，抗热疲劳和抗热变形性能
方面同样大大优于灰铸铁和球墨铸铁，因而是在高温热循环条件下工作的排气歧管的理想材料