承受高爆发压力的气缸盖设计方案

国 外 内 燃 机 2009年第 6期 设 计 开 发 承受高爆发压力的气缸盖设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 【德】 Hamm T Ecker H J Rebbert M Graten M 摘要 ：将来，发动机缸 内最高爆发压力和零件的热负荷会进一步提 高，除机体 曲轴箱和 曲柄连杆 机构外 ，还涉及到气缸盖 。如何才能在结构设计上更好地满足对气缸盖提 出的更高要 求，FEV发动 机技术有限公司设立了一项内部研发任务 ，设计 了多种气缸盖方案，并彼此进行 比较。 关键词：气缸盖 高爆发压力 高热负荷 设计方案 0 前言 现代柴油机发展的特点是升功率和升扭矩越来 越高(图 1)。现在量产轿 车柴油机的升功率达到了 75 kW／L，而升扭矩已超过 200(N·m)／I ，并将开发 更高升功率和升扭矩 的轿车柴油机。同时 ，还将 改 善其他一 些发 动机 性能 ，降低燃 油耗 和二 氧化 碳 (COz)排放量被列为首位 ，这具有极其重要的意义 。 当然 ，发动机的所有其他性能 ，诸如低 的有害物 排 放 、成本 、可靠性 、噪声 和舒适性等对于现代 发动机 的成功与否举足轻重。 至 料 束 l l I -p ≤ 13．5 MPa p一 5～20MPa ·p ≤15MPa 根据一 非放法规的要求， 一 ^ n ＼ l C Jn 最终’ 辞{大’，MPa 一 m “ ， I △幺 △ △ 蠢 藏 嚣 l940 1960 1980 2000 2020 年份 图 1 轿车柴油机升功率和最高爆发压力(P⋯ )的发展 提高燃烧爆 发压力是一项开发举措 ，进 而提 高 了零部件 的热负荷。因此，必须针对 曲轴箱 和曲柄 连杆机构 ，以及气缸盖的热负荷进行研发。 现在的任务是优化结构设计 ，以满足对气 缸盖 提出的高要求 。为此，FEV发动机技术有 限公司展 开了一项 内部研发项 目，提供 了各种不 同的气缸盖 方案 ，并彼此进行比较 ，以寻找在更为严酷的边界条 件下能够更好满足上述要求的气缸盖结构 。方案 比 较过程中，采用了内容丰富的结构计算作为技术支 持 ，目的是要寻找一条途径 ，在设计过程 的最 初阶 段 ，计算机辅助设计模型尚未最终确定时 ，就能获得 足够的判断依据 ，以降低费用和成本 。 1 设计 方 案 最高爆发压力和摄热量的增大导致现代气缸盖 产生更高的负荷(图 2)。这些负荷包括 ：(1)由燃烧 火焰和最高爆发压力产生 的高运转力 ，气缸直径越 大 ，压力提高也就越大；(2)加大的气缸盖螺栓预紧 力 ，在更高的最高爆发压力下必须能足 以压紧气缸 盖密封垫；(3)由于摄热量增大，气缸盖燃烧 室一侧 的局部温度要 比冷却液一侧 高得多 ，致使气缸盖 中 的温度梯度更大 ，因此其热应力和变形增大。 【 堡垦 j 图 2 根据更高 的最高爆发压力和摄热量给气缸盖加载 为了在更严酷的边界条件下仍能获得一种功能 合适、品质好 、坚 固耐用 、易于制造和较为经济 的解 决方案 ，必须采取相应的结构设计措施 ，以补偿增大 的负荷 ：(1)通过附加加强筋或 在结构型式 、位置和 厚度等方面优化壁面 ，原则上能提高总体结构刚度 ； (2)原则上应提高材料强度；(3)采用具有较高弹性 模数的材料 ；(4)获得均匀的刚度分布，避免刚度突 变 ；(5)优化过渡半径；(6)要加 固受力的空腔结构 ， ∞ ∞ ∞ ∞ 加 0 2009年第 6期 国 外 内 燃 机 而不对冷却产生不 良影响 ；(7)采用能减小因气缸盖 承受燃气压力引起火力面底板弯曲的结构；(8)避免 膨胀受到阻碍，否则会产生过高的应力 ；(9)通过设 计合适 的冷却水套形状 ，确保足够的冷却液流量和 高的冷却液流速 ，特别是在较热 的部位 ，从而获得 良 好的冷却 ；(1O)采用导热率高的材料。 不采取折衷方案，在气缸盖结构设计 中是无法 实现上述措施 的，因为要在有限的结构空间中布置 各种功能元件，例如：喷油器、预热塞 、冷却水套 、气 门、气门传动机构、凸轮轴 、机油道和进 、排气道 ，以 及各种密封件．同时还必须满足有关减轻质量 、铸造 及机械加工工艺条件等方面的要求 。 图 3示出了 FEV发动机技术有限公司研究的 设计方案 ，在这些方案 中已吸纳 了上述设计措施 。 这些设 汁方案按照所采用的材料可分为铝合金 、铸 铁和铝一铸铁复合方案。由于研究 的重点是未来轿 车用高速直喷式柴油机 ，因此 ，审核 了一种每缸 4气 门的铝合金气缸盖方案 ，它与 当前最常用的量产方 案一样 ，采用整体式水套泥芯 ，并以此作为最终确定 的方案或基本方案(图 3a)。 提高零件强度最简单 的办法是更换材料，即采 用具有较高弹性模数的材料。按照批量生产可行性 的观点，目前 普 遍 应 用 的 铸 铁 类 材 料 片 墨 铸 铁 (GJL)较适合．在遇到要求非常高 的强度时 ，则应用 蠕墨铸铁 (GJV)。应用铸铁材料主要 的优点是 ，由 于具有较高的弹性模数 ，即使在零件机械负荷提高 的情况下 ，气缸盖许多部位都无须采用铝合金设计 方案所必需的壁厚(图 3g)。因为铸铁的强度优势仅 在气缸盖的少数区域才是必需 的，因此更适合采用 这种设计方案，即使在气缸盖的关键区域也只是局 部用铸铁材料替代铝合金材料。这样就形成 了一种 复合结构设计方案，即在气缸盖下部 区域采用 GJL 或 GJV(包括直接承受高压力和高摄热量的水套 区 域在内)，而气缸盖上部 区域仍采用铝合金(图 3j)， 以便将质量的增加控制在允许 的限值之内。 一 种应用铝合金和其他材料(例如 GJV)的替代 设计方案将增强结构强度 的镶件铸入铝合金中(图 3h、图 3i)，但只有当参与的相关材料具有相似 的热 膨胀系数时才有意义。否贝0，当铸件冷却时会产生 内应力 ，这种设计方案就无法实现。 对于轿车柴油机来说，最可望成功 的设计方案 是通过附加的铝合金结构来提高刚度 ，其例子包括 将水套水平分隔的中间隔板(图 3b，图 4)、局部加强 筋(图 3c)、沿发动机纵轴方向的纵向加强筋 (图 3e) 或加厚火力面底板(图 3d)。这些解决方案能在与基 铝设计方案 基本设计方案 (a) 十字加强筋 设计方案 二 (c) 纵向隔板 设计方案 11 机体一气缸盖 一 体化设计方案 蒜 (f) 铸铁设计方案 复合结构设计方案 钢／铸铁桥式 设计方案 固酊 (h) 复合结构设计方案 图 3 高爆发压力气缸 盖设计方案 本方案相比质量增加不多的情况下得 以实现 ，由此 消除了所有铸铁方案的最大缺陷。 图 4 中间隔板 当然 ，在所有情况下 都必需保证冷却 效果 ，因 此 ，水套范围内的加强筋应具有合适 的截面形状 ，而 明显加厚的火力 面底板通 过附加冷却液通道得 以 冷却。 与气缸盖的基本设计方案相 比，所有研究 的变 型设计方案对单个或 多个 生产步骤提 出了更高要 求。那些通过附加加强筋增强结构的设计措施可减 少变形或促进有针对性的冷却液导向，但是，通常也 18 一 国 外 内 燃 机 2009年第 6期 对水套泥芯结构和零件结构部分(中间隔板、纵向或 横向加强筋)，以及机加工 (火力面底板中的冷却液 钻孔)等方面提出了更高 的要求。那些应用具有较 高强度材料的镶入件设计方案(复合结构方案)显示 出附加的强化效果 。此时，整个零 件工艺在不 同基 本材料的结合方面必须协调，包括从铸模准备，经历 机加工 ，直至使用寿命周期终 了零件的处理 ，都必须 由工序来保证 2种材料 的再分离。另外 ，还必须 考 虑到 ，一种独特的铸造工艺开发是必不可少的。 对于高爆发压力发动机来说，机体一气缸盖一体 化方案(图 3f)是一种非常好 的设计方案 ，特别是在 采用先进制造工艺方法时 ，这种设计方案仍可被考 虑。除取消了气缸盖密封垫和气缸盖螺栓，并具有 利于冷却水套设计等技术优点外，也存在零件结构 十分复杂的缺点。值得指 出的是 ，由于受到设计方 案的限制 ，气门座囤直径要稍小一点，或在现有量产 环境中还必须配备相应的制造和装配设备。 2 通过模拟计算评定设计方案 正如一些其他结构件一样 ，气缸 盖设计方 案的 评定是通过基于有限元法(FEM)和计算流体动力学 (CFD)的数值模拟计算来进行的。这些技术在新开 发项 目样机前期就能预估零件性能 ，以及必要时对 必需的方案修改作 出相应评价。下列内容基本上是 气缸盖完整 的分析 ：(1)换气 的 CFD分析 ；(2)冷却 的 CFD分析 ；(3)由于运转负荷 (高循环疲劳)和热 膨胀(低循环疲劳)所产生的零件应力 、可靠性 系数 的非线性有限元结构计算 ；(4)评定噪声特性 的固体 声高速电平线性有限元结构计算 。 为了评定 已经详细设计的气缸盖承受最高爆发 压力的能力，高循环疲劳可靠性是决定性 的量值 ，同 时还必须考虑到不同温度水平和分布及其对材料性 能的影响。高循环疲 劳可靠性可借助 于 FEM 计算 确定 。在对整个负荷状况采用有限元计算 以后 ，对 每种结构类型平均的零件三维应力状况和危险截 面 上的冲击应力进行分析，然后 ，根据所有可能 的影响 因素进行疲劳强度评价 ，其结果是可靠性系数在零 件结构上的相应分布状况。为了比较上一章所介绍 的气缸盖设计方案承受高爆发压力 的能力，先将标 准化 的零件刚度评价包括在 内，以保证对这些气缸 盖设计方案本身作出真实的评价 ，而局部细节 的影 响不必进行过多的评价 。高的强度是零件获得 良好 耐久性 的基础，当然 ，对于获得 良好 的密封性能和声 学性能也同样如此。 2．1 零件温度评价 静态状态下，气缸盖摄入的热量会 由冷却液带 走 ，也就是说 ，从零件传人冷却液的热流量等于从燃 烧室燃气传人零件的热流量。因此，在热交换条件 保持不变 的情况下，当从燃烧室传人零件材料 中的 热流量增加时 ，冷却液与零件之 间应具有较大 的温 差 。前者随着发动机升功率的提高而增大，因而在 冷却液温度近似不变的情况下 ，零件的温度直接与 发动机的升功率有关。以下的研究将相应针对 2种 不 同的热流量进行计算，以便设计方案也可针对发 动机升功率的提高进行评价 。图 5显示 升功率分别 为 6O和 80 kW／I 的发动机铝合金气缸盖基本设计 方案中底板火力面上的温度分布。这些定性 的温度 分布是近似 的，其 中，升功率为 8O kW／L的方 案正 如预料的那样 ，整体温度水平较高。 囵 高温 低温 圈 o～ w~-=4ov 图 5 计算得 出的气缸 盖底板火力 面温度分布 (不同 升功率 的铝合金气缸 盖基本设计方 案) 其他铝合金气缸盖设计方案的定性温度分布几 乎相同，当然还应进一步详细研究其最高温度。图6 为带 中间隔板的 GJV 气缸盖设计方案得 出的同样 分析结果 。 60kW ，L ■ 高温 低温 0～ w，L=90V ■ 图 6 计算得出的气缸盖底板火力面温度分布(不同 升功率带 中间隔板 的 GJV气缸盖设计 方案) GJV气缸盖方案 由于材料 的传 热系数相对 较 小 ，其整体温度水平明显较高 ，而这两种材料方案的 定性温度分布同样也呈现 出明显差异。铝合金气缸 盖方案底板火力面中间宽广区域的温度处于几乎不 变的水平 ，GJV整体气缸盖方案在气门 口之 间却形 一 20 一 国 外 内 燃 机 2009年第 6期 疲劳可靠 性分析进行计 算。图 9为铝合金基 本方 案 、带中间隔板 的铝合金方案和带中间隔板 的 GJV 方案的安全系数(SFA)比较。 SFA ．5O ．75 ．OO ．25 ．50 ．75 ．00 基本铝合金方案基 带 的 图 9 各种详细设计 方案高循环疲劳 SFA的比较 2种铝合金设计方案 的最小安全系数 (SFA ) 都出现在相同的区域 ，而 GJV设计方案的 SFA⋯却 在不同部位。这是 由 2种材料设计方案的基本差异 所造成的。同时还表 明，这种用零件刚度进行估算 的方法只能作为 SFA数量级相对 比较 的一种评价 方法 ，特别是在研究不 同基本材料设计方案时应用 ， 但这也能证实 SFA绝对值的差异 。虽然 ，正如预计 的那样，所有设计方案的最低可靠性处于相 同的数 量级，但在所考察 的总负荷情 况下 ，带隔板 的 GJV 设计方案 的高循环疲劳 SFA⋯为 1．7，明显高于基 本铝合金设计方案的 1．3。带隔板 的铝合 金设计方 案的 SFA⋯为 1．4，是有所改善 的，与 2．2节 中用 刚 度估算该方案的 SFA预测值基本相符。 因此 ，这三种设计方案都属于耐久性好的方案 ， 带 中间隔板的 GJv设计方 案提高爆 发压 力的潜力 最大，只要升功率及摄热量保 持不变 。但 在出现摄 热量同时明显提高的情况下 ，就经受最高爆发压力 的能力而言，带隔板的铝合金设计方案更为有利。 3 评价 表 1为上述设计方案的综合评价。其中带 中间 隔板的铝合金设计方案充分体现了所有性能的理想 折衷 ，与基本设计方案相 比，刚度和高循环疲劳可靠 性都提高了。该设计方案提供 了实现较高爆发压力 和升功率的前提条件 ，至于铸造工艺较复杂的缺点 是能被克服的，而且其附加的成本相对较低。 GJV设计方案同样能获得较高的高循环疲劳可 靠性 ，但其缺点是质量较重及承受高升功率的能力 较差，故不建议将这种设计方案用于轿车发动机 。 带铸铁镶件的设计方案 刚度较好 ，但其成本 和 铸造工艺方面的问题难以解决 ，因此并不合适。 表 1 设计方案的综合评价 高循环 方案 疲 劳 刚度 质量 成本 设计与 评价 备注 制造 可靠性 铝合金 O O O 0 0 O 功能受制 于高爆 基本方案 发压力 功 能 得 到 改 善 ， 铝合金 + + O O O 有 些 问 题 尚 待 中间隔板 锯决 功能受制 于发动 GJV方案 O + 0 机高升功率 4 结语 讨论了柴油机最高爆发压力的提高和 由此对气 缸盖设计提 出的挑战，以及 因升功率提高而导致热 负荷上升的紧密关系。考虑到所有的影响 因素，带 中间隔板的铝合金气缸盖被视为一种结构加强措施 的推荐方案 。就提高发动机升功率而言 ，通常铝合 金材料比铸铁材料更具潜力 。目前 ，常规的铝合金 气缸盖设计方案在承受最高爆发压力方面的潜力为 20 MPa左右。若采用 中间隔板 和其他结构设计措 施的话 ，则最高爆发压力能够更高些 。 与铝合金设计方案相 比，GJV 材料承受 的最高 爆发压力较高 ，但 在提升发动机升功率方面稍显逊 色，而且由于质量的原因，铸铁气缸盖在轿车应用场 合不太合适。从理论上来讲 ，综合应用 这两种材料 强度的复合结构方案应是一种适用于未来的解决方 案。当然 ，这种设计方案的现实性仍存在问题 ，因为 还有许多制造技术问题尚待解决。 参 考 文 献 范明强 译 自 MTZ，2008，69(6) (收稿 日期 ：2008—06—18) ～一一一 ～一 一一～ _三 -蓍 ～ 一一～～～～一Ⅲ～～一 一～一一一一一一～一～ ～一一一一～一一～～～ 一一一一一一一一一一一一