缸蓋集成排氣的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證

周大權(quán)，胡景彥，鄭曉峰，郭如強(qiáng)

(1.浙江錢(qián)江摩托車(chē)股份有限公司,浙江溫嶺 317500；2.寧波市鄞州德來(lái)特技術(shù)有限公司，浙江寧波 315100;)

0 引言

國(guó)家四階段油耗法規(guī)、國(guó)六排放法規(guī)的實(shí)施，內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排的壓力越來(lái)越大。各種先進(jìn)技術(shù)的采用一方面增加了內(nèi)燃機(jī)成本壓力，同時(shí)又不能獲得較佳的效果，很多先進(jìn)技術(shù)的性?xún)r(jià)比不高。缸蓋集成排氣技術(shù)是缸蓋鑄造技術(shù)上的一次大突破，缸蓋+排氣歧管一體實(shí)現(xiàn)集成鑄造。目前該技術(shù)成為了國(guó)六排放標(biāo)配技術(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)排放降低效果極佳，冷啟動(dòng)時(shí)間可以縮短6 s。同時(shí)可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)高速高負(fù)荷工況空燃比提升近15%，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排綜合效果，最重要的是還可以進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)成本(對(duì)于一款常規(guī)四缸汽油機(jī)，成本降低150元左右)。在不久的將來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)一定會(huì)大范圍鋪開(kāi)應(yīng)用。

目前缸蓋集成排氣正向設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程國(guó)內(nèi)僅掌握在幾家優(yōu)秀的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)服務(wù)公司手中。作者采用正向設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)手段，結(jié)合成熟的CAE模擬分析進(jìn)行氣道性能CFD分析、噴霧燃燒分析、冷卻分析、疲勞強(qiáng)度分析、模態(tài)分析等。缸蓋開(kāi)模前，進(jìn)行氣道芯盒樣件制作，采用氣道芯盒進(jìn)行氣道試驗(yàn)驗(yàn)證，滿(mǎn)足目標(biāo)要求再組織缸蓋開(kāi)模試制；缸蓋合格樣件制造完成后，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試，包括缸蓋零部件本體試驗(yàn)，也包括缸蓋裝配于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，主要包括缸蓋氣道試驗(yàn)、冷卻流量分配試驗(yàn)、缸蓋溫度場(chǎng)試驗(yàn)、排氣溫度試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩、油耗、排放等性能試驗(yàn)。

1 集成排氣缸蓋的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)介紹

1.1 集成排氣缸蓋設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程

以缸蓋集成排氣正向設(shè)計(jì)為要求，進(jìn)行正向設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程說(shuō)明，從指定開(kāi)發(fā)目標(biāo)，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)階段、CAE分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等，如圖1所示。

圖1 缸蓋集成排氣開(kāi)發(fā)流程

完善的正向開(kāi)發(fā)流程、合理的分析計(jì)算、嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，只有這樣才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

1.2 集成排氣缸蓋設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)思路

缸蓋集成排氣設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)首先要完成合理設(shè)計(jì)，包括氣道、燃燒室，尤其是集成排氣道，同時(shí)要考慮鑄造加工工藝性，也要考慮冷卻、溫度、疲勞等可靠性。設(shè)計(jì)思路是要保證設(shè)計(jì)合理、噴霧燃燒性能優(yōu)越、冷卻可靠、工藝制造可行等，如圖2所示。

1.3 集成排氣缸蓋總體效果

縝密的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程和合理的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)思路，造就了集成排氣缸蓋各方面較佳的效果。包括以下幾個(gè)主要方面：冷啟動(dòng)縮短催化器起燃時(shí)間、提升高速高負(fù)荷空燃比范圍、提升排氣溫度幅值、降低整機(jī)制造成本等，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能減排效果，如圖3、圖4所示。

圖2 缸蓋集成排氣開(kāi)發(fā)思路

圖3 性能提升效果

圖4 成本降低效果

2 集成排氣缸蓋正向3D設(shè)計(jì)過(guò)程

3D正向設(shè)計(jì)需要遵循TOP-DOWN的設(shè)計(jì)造型原則，及至頂向下的設(shè)計(jì)方法。首先確定骨架線(xiàn)，其次造型要按照每個(gè)零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)、造型過(guò)程要按照零部件實(shí)際制作過(guò)程開(kāi)展模具、加工、裝配等，實(shí)現(xiàn)零部件全參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)零部件分塊建模、正向開(kāi)發(fā)。下面重點(diǎn)介紹集成排氣缸蓋正向3D設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.1 缸蓋骨架設(shè)計(jì)

缸蓋骨架的制作是缸蓋設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵，缸蓋骨架的制作要根據(jù)整機(jī)估計(jì)發(fā)布的布置關(guān)系，同時(shí)體現(xiàn)缸蓋標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)、位置、尺寸等。圖5為缸蓋骨架線(xiàn)制作示意圖。

對(duì)照組患者進(jìn)行常規(guī)內(nèi)瘺穿刺,持續(xù)時(shí)間為6個(gè)月。觀(guān)察組患者給予品管圈護(hù)理,持續(xù)時(shí)間也為6個(gè)月,分析觀(guān)察兩組患者內(nèi)瘺穿刺點(diǎn)滲血發(fā)生率的變化情況。品管圈護(hù)理措施具體如下。

圖5 缸蓋骨架線(xiàn)

2.2 進(jìn)氣道設(shè)計(jì)

圖6是進(jìn)氣道設(shè)計(jì)示意圖。進(jìn)氣道設(shè)計(jì)包括進(jìn)氣道線(xiàn)型的設(shè)計(jì)、進(jìn)氣道截面積設(shè)計(jì)、噴油器安裝設(shè)計(jì)、拔模設(shè)計(jì)、壁厚設(shè)計(jì)、流通性校核、滾流比校核等，保證氣道結(jié)構(gòu)可行性、性能最優(yōu)化。

2.3 排氣道設(shè)計(jì)

圖7是排氣道設(shè)計(jì)示意圖。排氣道設(shè)計(jì)與進(jìn)氣道設(shè)計(jì)類(lèi)似，同樣包括排氣道線(xiàn)型的設(shè)計(jì)、排氣道截面積設(shè)計(jì)、拔模設(shè)計(jì)、壁厚設(shè)計(jì)、流通性校核，排氣道無(wú)氣流組織性要求，但集成排氣缸蓋排氣冷卻設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，與缸蓋的冷卻效果和可靠性緊密相關(guān)，排氣道的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是在保證流通性和制造性前提條件下，要做到較好的可靠性，滿(mǎn)足機(jī)械和熱雙重疲勞強(qiáng)度要求。

圖6 進(jìn)氣道設(shè)計(jì)

圖7 排氣道設(shè)計(jì)

2.4 噴霧設(shè)計(jì)

目前為實(shí)現(xiàn)油耗排放及動(dòng)力性最佳匹配，內(nèi)燃機(jī)基本都采用高壓35 MPa噴射技術(shù)。缸內(nèi)直噴技術(shù)的應(yīng)用，需要對(duì)噴霧進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，噴霧設(shè)計(jì)也成為了缸蓋設(shè)計(jì)內(nèi)容的核心，如圖8所示。

圖8 噴霧設(shè)計(jì)

2.5 燃燒室設(shè)計(jì)

氣道、噴霧最佳設(shè)計(jì)效果最終體現(xiàn)在燃燒上，燃燒室的設(shè)計(jì)需要體現(xiàn)最佳的面容比、氣流輔助引導(dǎo)、較高的擠氣強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)這些效果需要活塞頂、噴油器位置選配、火花塞位置選配等合理設(shè)計(jì)，同時(shí)還需考慮制造可行性。圖9為燃燒室設(shè)計(jì)示意圖。

圖9 燃燒室設(shè)計(jì)

2.6 集成排氣冷卻設(shè)計(jì)

集成排氣的冷卻設(shè)計(jì)是可靠性核心，也是缸蓋集成排氣的設(shè)計(jì)核心和難點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)鑄造比較成熟的冷卻形式為縱流式，排氣集成冷卻設(shè)計(jì)需要關(guān)注的是熱負(fù)荷較高的部位冷卻加強(qiáng)，一般集成排氣與雙節(jié)溫器聯(lián)合使用才會(huì)達(dá)到最佳的冷卻和冷啟動(dòng)排放效果。采用了集成排氣機(jī)構(gòu)，水流最高點(diǎn)一般都在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣頂部，一般會(huì)預(yù)留排氣孔，保證冷卻水及時(shí)排除氣體，不影響冷卻效果和引起失效問(wèn)題。圖10為集成排氣冷卻設(shè)計(jì)示意圖。

圖10 冷卻設(shè)計(jì)

2.7 潤(rùn)滑設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上采用缸蓋集成排氣技術(shù)的內(nèi)燃機(jī)機(jī)型，都是先進(jìn)技術(shù)的代表，基本開(kāi)發(fā)時(shí)間都在近幾年，這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)一般采用的潤(rùn)滑油路也具有最佳的油壓響應(yīng)速度，所以基本采用中置VVT布置，缸蓋油路簡(jiǎn)短，壓損小，響應(yīng)快速。圖11為潤(rùn)滑設(shè)計(jì)示意圖。

圖11 潤(rùn)滑設(shè)計(jì)

2.8 模具設(shè)計(jì)

缸蓋模具設(shè)計(jì)根據(jù)缸蓋結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行模具分塊設(shè)計(jì)，分為氣道砂芯模具、水套砂芯模具、油芯砂芯模具、燃燒室鋼模、外模，之后再進(jìn)行模具裝配。圖12為模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12 模具設(shè)計(jì)

2.9 缸蓋成品裝配

缸蓋模具設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入到缸蓋加工設(shè)計(jì)過(guò)程。根據(jù)加工需要采用合適刀具進(jìn)行機(jī)加設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量采用常規(guī)刀具，對(duì)于特殊需求需要定制成型刀具。加工完成后進(jìn)行缸蓋模具、加工成品、封堵零部件等產(chǎn)品裝配。圖13為缸蓋成品裝配示意圖。

圖13 缸蓋成品裝配

3 缸蓋集成CAE分析

3.1 缸蓋氣道CFD計(jì)算分析

3.1.1 進(jìn)氣道CFD計(jì)算分析

氣道的設(shè)計(jì)是缸蓋設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，進(jìn)氣道設(shè)計(jì)又是重中之重，所以氣道合理設(shè)計(jì)是保證缸蓋性能、提升發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排效果的重要項(xiàng)。

圖14為進(jìn)氣道CFD計(jì)算分析示意圖，包括流速、流場(chǎng)、流量系數(shù)計(jì)算，也包括氣道氣流組織性計(jì)算，氣道滾流比、湍動(dòng)能、渦流比等計(jì)算結(jié)果。

3.1.2 排氣道CFD計(jì)算分析

排氣道CFD計(jì)算分析僅開(kāi)展流通性計(jì)算，排氣道性能最主要的是流通性。對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)也要考察排氣道出口流速，能夠滿(mǎn)足低速扭矩和增壓器響應(yīng)性要求，如圖15所示。

圖14 進(jìn)氣道CFD計(jì)算分析

圖15 排氣道CFD計(jì)算分析

3.2 缸內(nèi)流動(dòng)CFD計(jì)算分析

缸內(nèi)流動(dòng)計(jì)算主要體現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)氣道、燃燒室、活塞頂?shù)鹊娜紵到y(tǒng)氣流組織性瞬態(tài)結(jié)果，瞬態(tài)滾流比、瞬態(tài)湍動(dòng)能以及最佳發(fā)生曲軸轉(zhuǎn)角位置。圖16為缸內(nèi)流動(dòng)計(jì)算結(jié)果。

圖16 缸內(nèi)流動(dòng)計(jì)算結(jié)果

3.3 噴霧計(jì)算分析

噴霧計(jì)算主要針對(duì)于缸內(nèi)噴射的機(jī)型，目前重點(diǎn)為缸內(nèi)直噴機(jī)型，高壓噴射35 MPa。噴霧計(jì)算的重要性主要是因?yàn)槟壳案邏簢娚湓趪?guó)內(nèi)技術(shù)空白，噴油器噴霧特性數(shù)據(jù)欠缺，工程經(jīng)驗(yàn)不足，所以需要對(duì)高壓噴射噴油特性進(jìn)行測(cè)試匯總，需要對(duì)噴霧特性進(jìn)行匹配校核。氣流、噴霧、燃燒最佳配合才能達(dá)到最佳的混合燃燒效果，才能體現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

圖17 噴霧計(jì)算結(jié)果

3.4 冷卻計(jì)算分析

缸蓋集成排氣冷卻設(shè)計(jì)決定了缸蓋可靠性、強(qiáng)度疲勞性能。冷卻系統(tǒng)的評(píng)估重點(diǎn)關(guān)注水流量分配、流場(chǎng)分布、缸蓋關(guān)鍵部位冷卻以及缸蓋傳熱效果等，如圖18所示。

圖18 冷卻計(jì)算結(jié)果

3.5 潤(rùn)滑計(jì)算分析

缸蓋潤(rùn)滑系統(tǒng)的分析主要體現(xiàn)在中置VVT的布置使用、VVT油路和零部件更換，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)油壓、流量進(jìn)行計(jì)算分析，確認(rèn)壓力和流量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，如圖19所示。

3.6 熱疲勞計(jì)算分析

缸蓋集成排氣冷卻設(shè)計(jì)決定了缸蓋可靠性、強(qiáng)度疲勞性能。冷卻系統(tǒng)的評(píng)估重點(diǎn)關(guān)注水流量分配、流場(chǎng)分布、缸蓋關(guān)鍵部位冷卻以及缸蓋傳熱效果等，如圖20所示。

圖20 熱疲勞計(jì)算結(jié)果

4 缸蓋集成排氣2D設(shè)計(jì)

4.1 DFMEA

設(shè)計(jì)失效模式是保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功的主要手段。DFMEA(Design Failure Mode and Effects Analysis)的使用保證了結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)預(yù)警，包括缸蓋材料使用、噴油器安裝要求、關(guān)鍵安裝要求、關(guān)鍵配合要求、關(guān)鍵加工要求。同時(shí)保證了性能風(fēng)險(xiǎn)大大降低，包括氣道性能、燃燒室性能、密封性能、潤(rùn)滑性能、冷卻性能、呼吸系統(tǒng)性能等等。圖21所示為DFMEA示意圖。

4.2 缸蓋材料選擇

不同于傳統(tǒng)缸蓋普通鋁合金材料，集成排氣缸蓋對(duì)材料的要求大大提升，材料的機(jī)械性能提升、熱處理等級(jí)提高、散熱要求提高。目前采用的比較可行的集成排氣缸蓋材料執(zhí)行德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，材料的成本主要體現(xiàn)是Al、Si、Cu、Mg，目前熱處理等級(jí)達(dá)到T6～T7。圖22所示為發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)結(jié)果。

圖21 DFMEA

圖22 缸蓋材料

4.3 主要設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是2D設(shè)計(jì)基礎(chǔ)內(nèi)容，缸蓋基準(zhǔn)包括粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)兩類(lèi)，粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)的定義決定了加工尺寸鏈公差，基準(zhǔn)的定義也影響其他尺寸的標(biāo)注，如圖23所示。

圖23 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

4.4 關(guān)鍵尺寸

缸蓋加工的關(guān)鍵尺寸一般都采用專(zhuān)用刀具，保證加工精度和配合誤差，如圖24所示。

圖24 關(guān)鍵尺寸

主要的加工包括氣道吼口修型加工、噴油器安裝孔加工、火花塞孔加工、氣門(mén)座圈加工以及相關(guān)的合體加工等。

4.5 技術(shù)條件

集成排氣缸蓋技術(shù)條件(見(jiàn)圖25)主要包括材料定義、氣道性能要求，其他定義接近于傳統(tǒng)缸蓋技術(shù)要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 氣道性能試驗(yàn)

氣道芯盒試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)階段氣道性能是否滿(mǎn)足要求。氣道芯盒試驗(yàn)驗(yàn)證大大降低了缸蓋模具風(fēng)險(xiǎn)，缸蓋樣件氣道試驗(yàn)確定缸蓋氣道量產(chǎn)后性能水平，保證發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能。圖26所示為氣道試驗(yàn)示意圖。

圖25 集成排氣缸蓋技術(shù)條件

圖26 氣道試驗(yàn)

5.2 冷卻流量試驗(yàn)

冷卻流量分配試驗(yàn)主要是考察水流流動(dòng)狀態(tài),觀(guān)察是否存在氣泡、渦旋死區(qū)等，同時(shí)測(cè)試流量分配，測(cè)量水泵供水能力，增加傳感器可以測(cè)量得到需要位置的流量數(shù)據(jù)，也具有壓力檢測(cè)能力，可以測(cè)量各個(gè)關(guān)鍵位置水壓力分布，可以得到流量及分配是否滿(mǎn)足基礎(chǔ)的冷卻需求，如圖27所示。

圖27 冷卻流量試驗(yàn)

5.3 缸蓋溫度場(chǎng)試驗(yàn)

缸蓋溫度場(chǎng)試驗(yàn)主要考察缸蓋可靠性和熱疲勞狀態(tài)，在缸蓋關(guān)鍵部位安裝測(cè)量溫度傳感器，運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試關(guān)鍵工況，得到缸蓋關(guān)鍵部位溫度分布。通過(guò)測(cè)試結(jié)果能夠判斷出缸蓋溫度場(chǎng)分布，可以得到缸蓋溫度和分布是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。圖28所示為缸蓋溫度場(chǎng)試驗(yàn)示意圖。

圖28 缸蓋溫度場(chǎng)試驗(yàn)

5.4 排氣溫度試驗(yàn)

缸蓋排氣溫度試驗(yàn)分為排氣氣體溫度試驗(yàn)和缸蓋集成排氣關(guān)鍵點(diǎn)溫度采集。排氣溫度決定了空燃比的數(shù)據(jù)，排氣溫度低，排氣溫度余量大，空燃比就越接近標(biāo)準(zhǔn)空燃比，有利于油耗和排放。集成排氣道溫度反映了缸蓋排氣測(cè)熱疲勞性能。圖29所示為排氣溫度試驗(yàn)示意圖。

圖29 排氣溫度試驗(yàn)

5.5 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)主要考察缸蓋集成排氣產(chǎn)品的整機(jī)性能體現(xiàn)，主要是高速高負(fù)荷空燃比變稀，有利于排放和油耗，尤其是國(guó)六WLTP工況排放考察高負(fù)荷段。中高負(fù)荷排溫降低，有利于可靠性和發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性，如圖30所示。

圖30 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)

6 結(jié)論與建議

通過(guò)上述缸蓋集成排氣整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的闡述，集成排氣的缸蓋設(shè)計(jì)具有較好的先進(jìn)性和后續(xù)市場(chǎng)推廣前景，集成排氣缸蓋正向完善的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)也需要后續(xù)成熟應(yīng)用，尤其是集成排氣缸蓋設(shè)計(jì)、CAE分析、相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證緊密結(jié)合，形成集成排氣缸蓋完善的開(kāi)發(fā)方法、規(guī)范和流程。