適應(yīng)高爆發(fā)壓力的高性能柴油機(jī)氣缸蓋設(shè)計(jì)

吳世友 陳 群 李 偉 易仁濤 韓祖豪

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

CA4DD系列發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)生產(chǎn)的CA4DC系列發(fā)動(dòng)機(jī)換代產(chǎn)品，其不僅要滿足最新的排放法規(guī)要求，而且其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性也要超越前一代發(fā)動(dòng)機(jī)。本次設(shè)計(jì)屬于全新設(shè)計(jì)，不必局限于原有的結(jié)構(gòu)和方案，因此在設(shè)計(jì)方案的選擇上自由度較大，可以采用目前最先進(jìn)、最合理的方案。

1 CA4DD整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

CA4DD系列發(fā)動(dòng)機(jī)（表1）包括兩種排量，可以滿足不同輕型車和SUV的配車需求。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 根據(jù)整機(jī)輸入條件和對(duì)標(biāo)初步確定氣缸蓋的主要參數(shù)

氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸換氣過(guò)程的通道，在其上要布置配氣機(jī)構(gòu)、噴油器、預(yù)熱塞、油道、鏈條張緊器等結(jié)構(gòu)，同時(shí)氣缸蓋上還要設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。如何優(yōu)化各相關(guān)參數(shù)，使得氣缸蓋的布置合理是非常重要的。為了達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，在設(shè)計(jì)初期對(duì)目前相近排量的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，初步確定氣缸蓋的主要參數(shù)（表2）和結(jié)構(gòu)。

表2 CA4DD氣缸蓋的主要參數(shù)

3 氣缸蓋的概念設(shè)計(jì)

氣缸蓋的概念設(shè)計(jì)階段要對(duì)初步確定的主要參數(shù)逐項(xiàng)進(jìn)行分析確認(rèn)，對(duì)于不滿意的項(xiàng)目進(jìn)行更改，然后根據(jù)缸心距、缸徑、進(jìn)排氣道的方向、凸輪軸的位置等幾何條件確定氣缸蓋的大致外形。

3.1 氣缸蓋材料的選擇

CA4DD發(fā)動(dòng)機(jī)第1階段爆發(fā)壓力為16 MPa，而將來(lái)需要有對(duì)18 MPa爆發(fā)壓力的支持，所以目前設(shè)計(jì)的氣缸蓋要滿足在18 MPa爆發(fā)壓力的條件下正常工作。對(duì)于18 MPa爆發(fā)壓力，使用鑄鋁氣缸蓋無(wú)疑會(huì)增加開發(fā)階段的風(fēng)險(xiǎn)。另外，目前國(guó)內(nèi)只有乘用車的鑄鋁氣缸蓋供應(yīng)商，沒(méi)有商用車鑄鋁氣缸蓋供應(yīng)商，因此在設(shè)計(jì)上首先考慮使用鑄鐵氣缸蓋[1]。

綜合考慮鑄鋁氣缸蓋和鑄鐵氣缸蓋的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)項(xiàng)目的重要性加權(quán)進(jìn)行打分（表3）。

表3 鑄鋁氣缸蓋和鑄鐵氣缸蓋的加權(quán)評(píng)分

3.2 每缸缸蓋螺栓數(shù)量的確定

氣缸蓋螺栓的確定對(duì)氣缸蓋的布置，甚至整機(jī)的布置都有非常大的影響，是布置氣道和配氣機(jī)構(gòu)的先決條件。因此確定完氣缸蓋材料后，首先要確定缸蓋螺栓數(shù)量及布置。

3.2.1 數(shù)量的選擇

通常發(fā)動(dòng)機(jī)排量在2.0 L以下，采用4個(gè)氣缸蓋螺栓的布置方案（圖1a）。在此方案下缸蓋螺栓被布置在2缸之間，為氣道的布置預(yù)留出了足夠的空間，可方便氣道的設(shè)計(jì)，能夠充分保證氣道的流量。同時(shí)此方案沒(méi)有中間螺栓，有利于配氣機(jī)構(gòu)液壓挺柱的方案設(shè)計(jì)。

而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排量大于3.0L、氣缸直徑超過(guò)100 mm的情況下，缸蓋螺栓一般為6個(gè)（圖1b）。6個(gè)缸蓋螺栓在增加強(qiáng)度、保證缸筒密封性方面的優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的。但位于中間的缸蓋螺栓擋住了氣道的出口，使得進(jìn)、排氣道必須繞開缸蓋螺栓到達(dá)缸蓋側(cè)面。因此，此方案下設(shè)計(jì)的氣道會(huì)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，對(duì)氣道流量的提高不利。同時(shí)，螺栓在氣缸蓋頂部還要預(yù)留扳手空間，因此也限制了配氣機(jī)構(gòu)最合理的方案設(shè)計(jì)。

3.2.2 缸蓋螺栓位置的確定

4根缸蓋螺栓相對(duì)氣缸中心位置對(duì)稱布置 （圖2），其中，B值為氣缸中心距，其由發(fā)動(dòng)機(jī)總布置確定；X值可根據(jù)布置情況在一定范圍內(nèi)根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，不必和B值相同。如果X值選取太大，會(huì)在“a”點(diǎn)形成密封薄弱點(diǎn)；如果X值選取太小，1、3號(hào)螺栓之間的密封線太長(zhǎng)，“b”點(diǎn)的密封就很難保證。

從表4可以看出，幾種發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓X/B的值在0.9～1.1之間。具體值的選取可視氣缸直徑和布置情況而定，如3、4號(hào)螺栓負(fù)擔(dān)兩邊的缸筒密封，a-a′之間需要分配更多的螺栓軸力，因此CA4DD氣缸蓋X值初步定為100 mm，即X/B的值選取的偏小一些。最后需要按有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)X/B值進(jìn)行調(diào)整和確認(rèn)。

表4 缸蓋螺栓X值對(duì)比

3.3 氣道布置形式的選擇

四氣門氣缸蓋氣道的布置形式（圖3）通常分為縱向布置、橫向布置和菱形布置3種。

縱向布置的氣道最短，排氣道向冷卻水傳熱最少，氣道的流通能力最好，氣門可縱向排列成一條直線，使配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。但是由于進(jìn)氣道相對(duì)氣缸中心沒(méi)有角度，渦流較難組織。

橫向布置的氣道其配氣機(jī)構(gòu)相對(duì)布置簡(jiǎn)單，進(jìn)氣道的走勢(shì)切向缸筒側(cè)壁，渦流較好組織。其缺點(diǎn)是進(jìn)、排氣道相對(duì)最長(zhǎng)，排氣道向冷卻水傳熱最多，進(jìn)、排氣道的設(shè)計(jì)受空間限制，流通能力最差。

菱形布置的氣道長(zhǎng)度和傳熱介于前兩者之間，并能較好組織渦流，氣道的流通能力較好，且排氣道受熱膨脹的力沿氣門布置角度向缸蓋兩側(cè)面釋放，使得缸蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最好。但由于氣門不能排列成一條直線，必須使用氣門橋，配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜。

綜合考慮3種氣道布置方式、配氣機(jī)構(gòu)要求和發(fā)動(dòng)機(jī)總布置情況，選擇縱向布置方式。

3.4 氣門位置的確定

氣門位置的確定對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒起到?jīng)Q定性的影響。另外，氣門位置對(duì)于氣缸蓋的高周、低周疲勞的影響也是至關(guān)重要的。圖4為該發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋氣門布置的具體情況。

3.4.1 氣門β值的確定

進(jìn)、排氣門的β值為座圈dv的面積除以缸筒的面積，其值越大表示氣體的流通能力越好。但如果β值選取太大，氣道會(huì)向內(nèi)占用水套的空間，造成水套的流通能力下降，影響冷卻性能。對(duì)比國(guó)內(nèi)外相近排量的樣機(jī)，綜合考慮缸蓋的性能和可靠性，選定進(jìn)氣道β值為0.190，排氣道B值為0.162。

3.4.2 氣門A值的確定

進(jìn)、排氣門的A值為氣門盤頭與缸筒之間的距離，A值也是確定氣門位置的重要參數(shù)。由于氣門及其相關(guān)零件都有加工誤差和裝配誤差，在受熱的情況下都有膨脹和變形，因此首先A值要保證任何情況下氣門和缸筒不能干涉。另外，如果A值過(guò)小，在氣門開啟初始階段，氣門和缸筒壁之間形成無(wú)效間隙，不能形成有效的氣體流動(dòng)，對(duì)氣體流動(dòng)不利。因此，進(jìn)氣A值最小應(yīng)為1mm，排氣A值最小應(yīng)為1.5mm。

為了達(dá)到較好的進(jìn)氣效果可適當(dāng)增加進(jìn)氣A值。CA4DD發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋分為CA4DD1（95.4 mm）和CA4DD3（93 mm）兩種缸徑，而加工上要求兩種氣缸蓋的氣門中心位置保持不變。因此，在概念設(shè)計(jì)階段對(duì)氣門位置的布置首先使CA4DD1的性能達(dá)到最優(yōu)，適當(dāng)加大進(jìn)、排氣A值，即進(jìn)氣A值取為1.25 mm，排氣A值取為1.9 mm。而設(shè)計(jì)CA4DD3氣缸蓋時(shí)為保持氣門位置不變，使A值接近下限值，進(jìn)氣A值取為1.05 mm，排氣A值取為1.7 mm。

3.4.3 布置氣門位置時(shí)其它因素的確定

在布置氣門位置時(shí)還必須考慮冷卻水的組織。進(jìn)氣門與排氣門之間和排氣門之間是熱集中區(qū)域，也是氣缸蓋最容易開裂的位置，因此必須保證有充足的水流動(dòng)。而在進(jìn)氣門之間雖然不組織水流，但是在此位置需要安裝預(yù)熱塞，且進(jìn)氣門座圈與預(yù)熱塞之間要保證2 mm的壁厚。

3.5 氣道口的確定

氣道口大小和位置的確定不僅影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，而且對(duì)氣缸蓋的結(jié)構(gòu)和水流的確定均有影響。根據(jù)對(duì)比相近排量發(fā)動(dòng)機(jī)氣道口參數(shù)，并考慮預(yù)熱塞和水套的布置，確定了CA4DD發(fā)動(dòng)機(jī)氣道口的大小和位置（表5和圖5）。

表5 氣道口參數(shù)

3.6 噴油器套的形式

目前噴油器套主要有鑄造和鑲套兩種形式。采用鑄造形式，在氣缸中心形成一個(gè)柱子，不僅提高了整個(gè)氣缸蓋的剛度和強(qiáng)度，還提高了密封的可靠性。但鑄造形式使三角區(qū)部位的水套砂芯比較薄，容易產(chǎn)生鑄造缺陷和廢品，使氣缸蓋的質(zhì)量略有增加。另外，采用鑄造形式必須保證冷噴油器套和排氣道之間的冷卻液的流動(dòng)，排氣道局部需要向內(nèi)凸，影響氣道性能。而采用鑲套形式可以克服鑄造形式的缺點(diǎn)，但是對(duì)氣缸蓋的強(qiáng)度、剛度和可靠性不利。

在初步確定的方案中，氣缸蓋材料采用鑄鐵，水套為雙層，這有利于氣缸蓋剛度和強(qiáng)度的提高。綜合考慮鑄造和鑲套的優(yōu)缺點(diǎn)，方案確定為鑲套形式。

3.7 氣缸蓋水套的確定

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的提高，很多氣缸蓋都采用雙層水套結(jié)構(gòu)。采用4個(gè)缸蓋螺栓的布置方案需要加強(qiáng)缸蓋整體剛度，以保證密封。采用雙層水套的結(jié)構(gòu)可極大地提高氣缸蓋剛度，且可加強(qiáng)缸蓋底部的水流速度，保證各缸水流的均勻性。

下層水套的水流組織方式（圖6）以橫向流動(dòng)為主，即從排氣側(cè)向進(jìn)氣側(cè)流動(dòng)，主要對(duì)2個(gè)排氣道之間以及進(jìn)氣道和排氣道之間的區(qū)域進(jìn)行冷卻。在排氣道底部設(shè)置主上水口，缸體上來(lái)的水通過(guò)2個(gè)排氣門之間的出口流向氣缸中心，然后水流在氣缸中心分向兩端對(duì)進(jìn)氣門和排氣門之間進(jìn)行冷卻。此水流形成兩路“U”形，在排氣側(cè)進(jìn)入上層水套。

冷卻水進(jìn)入上層水套后形成縱向流動(dòng)，即從發(fā)動(dòng)機(jī)后端向前端流動(dòng)，主要對(duì)排氣道頂部進(jìn)行冷卻。

3.8 氣缸蓋底板的確定

氣缸蓋底板直接接觸高溫燃?xì)?，承受爆發(fā)壓力，其熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷都很高，其是否合理直接影響氣缸蓋的可靠性。對(duì)于大缸徑的氣缸蓋，其底板水側(cè)的理想形狀為中間低四周高的鍋底形，這樣的結(jié)構(gòu)可將爆發(fā)壓力傳遞到缸蓋螺栓，提高缸蓋強(qiáng)度。如果缸徑過(guò)小，在底板水側(cè)的鍋底形狀易被氣門座圈外壁和噴油器套外壁覆蓋，會(huì)形成反向的鍋底結(jié)構(gòu)，降低氣缸蓋強(qiáng)度。此時(shí)將缸蓋底板沿座圈外壁拉平，在缸蓋螺栓連線處加筋，倒R10圓角，形成鍋底結(jié)構(gòu)（圖7），以保證氣缸蓋強(qiáng)度[2]。

4 氣缸蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣缸蓋設(shè)計(jì)流程如圖8所示。首先通過(guò)概念設(shè)計(jì)階段確認(rèn)的參數(shù)建立氣缸蓋的骨架模型，此模型由缸蓋專業(yè)、配氣專業(yè)和總布置3方共同確認(rèn)和維護(hù)；然后在骨架模型的基礎(chǔ)上對(duì)氣缸蓋進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，帶有尺寸的特征盡量建立在骨架模型上，構(gòu)建其它模型時(shí)在骨架上直接取用特征。完成氣缸蓋的三維模型后，進(jìn)行CFD分析和有限元應(yīng)力分析。

5 氣缸蓋水套的流動(dòng)分析

在水套流動(dòng)分析應(yīng)用于氣缸蓋設(shè)計(jì)之前，水套的確定完全依靠設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。而在實(shí)際工作中，氣缸蓋水套是否能夠完全按照預(yù)想的方式流動(dòng)是無(wú)法保證的，因此依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的水套流動(dòng)分析是在氣缸蓋試制完成后通過(guò)水流試驗(yàn)進(jìn)行觀察，這樣不僅周期長(zhǎng)，而且試驗(yàn)分析結(jié)論仍然無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。現(xiàn)代的發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度越來(lái)越高，氣缸蓋的冷卻不能存在大面積的死區(qū)，其中最主要的就是排氣門之間和進(jìn)氣門與排氣門之間水的流速不能低于2 m/s。通過(guò)CFD軟件可以早期發(fā)現(xiàn)并解決水套設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。如圖9所示，水流分析結(jié)果表明流動(dòng)基本達(dá)到了第3.7節(jié)所設(shè)想的流場(chǎng)分布，即下層水套到上層水套的流動(dòng)全部集中在排氣側(cè)。在第4缸的上層水套形成了大面積的非流動(dòng)區(qū)域，因此氣缸蓋末端增加了單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)水孔，使上層水套形成縱流。

6 氣缸蓋的有限元分析

有限元計(jì)算不僅需要提供氣缸蓋的三維模型，還要提供螺栓預(yù)緊力、爆發(fā)壓力、燃燒的熱邊界條件、水流的熱邊界條件以及座圈和導(dǎo)管的過(guò)盈量等條件。為了滿足最苛刻的工作條件以及針對(duì)未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的需要，計(jì)算時(shí)爆發(fā)壓力選擇18 MPa。

從圖10可知，缸蓋水套溫度最高為143℃，缸蓋底面最高溫度為345℃，在設(shè)計(jì)許可內(nèi)。

從圖11可知，最小密封壓力為65 MPa，滿足3倍于爆發(fā)壓力的要求。

7 最終評(píng)估

在氣缸蓋設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)中，對(duì)5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了最終評(píng)估。

a.使用性能針對(duì)性的滿足

氣缸蓋設(shè)計(jì)所涉及的氣道、噴油器及配氣機(jī)構(gòu)的布置，經(jīng)論證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠具有設(shè)計(jì)目標(biāo)所要求的功率、扭矩等性能，并能夠滿足國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)排放要求。

b.冷卻性能針對(duì)性的滿足

冷卻水套各部分水流分布達(dá)到設(shè)計(jì)所需的水量及流速，其中，排氣門鼻梁區(qū)2.0 m/s，進(jìn)氣門鼻梁區(qū)1.2 m/s。同時(shí)，水流壓降也符合要求。

c.結(jié)構(gòu)可靠性的滿足

在結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)上，同時(shí)考慮低周疲勞和高周疲勞，采用多種折中方案進(jìn)行調(diào)節(jié)，在結(jié)構(gòu)上滿足有限元分析的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

d.鑄造性能的滿足

根據(jù)與鑄造廠家共同討論，在設(shè)計(jì)初期考慮鑄造可行性，在性能要求高的地方合理處理性能與鑄造雙方面的關(guān)系，使在滿足性能要求的同時(shí)更好地提高零件鑄造的性能。

e.輕量化設(shè)計(jì)

一直考慮到輕量化設(shè)計(jì)，最終氣缸蓋質(zhì)量?jī)H為30 kg，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 Dipl.-lng.Hamm T，et al.適用于高噴射壓力的氣缸蓋設(shè)計(jì)方案.2007年第16屆亞琛汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)年會(huì)論文集.

2 李駿，王鵬程，等.低排放中重型柴油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)機(jī)技術(shù).汽車工程，2006（7）.

3 胡群，童軍.基于CAT1A的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩逆向設(shè)計(jì).汽車技術(shù)，2006（9）.