孟凡棟，黃國(guó)龍，魏濤，袁怡剛

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，山東 濰坊 261061)

隨著柴油機(jī)功率、爆發(fā)壓力等指標(biāo)的不斷提高，在機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷的雙重作用下氣缸蓋容易出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂故障，這對(duì)氣缸蓋的設(shè)計(jì)提出了更高的要求[1-5]。

根據(jù)氣缸蓋實(shí)測(cè)的溫度數(shù)值，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程(computer aided engineering，CAE)仿真計(jì)算，對(duì)氣缸蓋進(jìn)行流固耦合(fluid-structure interaction，F(xiàn)SI)冷卻性能和熱機(jī)耦合應(yīng)力分析可以幫助工程師快速有效地分析和確定改進(jìn)方案[6-10]。本研究中以某歐VI高功率柴油機(jī)的氣缸蓋故障為例進(jìn)行氣缸蓋熱負(fù)荷分析及優(yōu)化，為氣缸蓋的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考和借鑒。

1 背景

某歐VI高功率柴油機(jī)的六缸一蓋整體式氣缸蓋，在1 000 h臺(tái)架耐久試驗(yàn)中第4、5缸氣缸蓋排氣門(mén)鼻梁區(qū)中間位置出現(xiàn)開(kāi)裂故障，如圖1所示，裂紋橫向擴(kuò)展。

a)4缸在上 b)5缸在上圖1 氣缸蓋鼻梁區(qū)裂紋

圖2 氣缸蓋溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

針對(duì)氣缸蓋鼻梁區(qū)進(jìn)行溫度測(cè)試試驗(yàn)。圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)測(cè)氣缸蓋溫度數(shù)據(jù)，采用K型熱電偶傳感器實(shí)時(shí)采集溫度值，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)標(biāo)定點(diǎn)工況排氣門(mén)鼻梁區(qū)中間位置溫度最高為430 ℃，超出灰鑄鐵耐溫極限380 ℃，不滿(mǎn)足可靠性要求，需進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

2 結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

從兩個(gè)方面對(duì)氣缸蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[11-13]，一是從火力底板的厚度以及整體缸蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為突破點(diǎn)；二是從水套內(nèi)液體的流動(dòng)狀況去改進(jìn)。

2.1 換熱模型分析

(1)

(2)

式中，θ為曲軸轉(zhuǎn)角。

2.2 計(jì)算模型

氣缸蓋幾何模型如圖3所示，氣缸蓋為整體式結(jié)構(gòu)，其冷卻水套的整體模型如圖4所示，冷卻液從氣缸套冷卻水套流入，從氣缸蓋冷卻水套流出，氣缸蓋水套采用了雙層水套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3 氣缸蓋幾何模型

圖4 水套幾何模型

缸蓋材料為HT280，隨溫度的變化特性在Abaqus中設(shè)置，常溫下HT280屬性參數(shù)如表1所示，一般認(rèn)為灰鑄鐵耐溫極限為380 ℃。

表1 材料參數(shù)

2.3 水套結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

2.3.1 缸蓋水套結(jié)構(gòu)分析

原缸蓋水套結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中1、2為主要上水孔，4為串氣孔，由于串氣孔4為機(jī)體水套最高點(diǎn)，容易存氣，為防止存氣提高換熱效率，一般打一個(gè)很小的孔將氣體放出到缸蓋水套中，叫做串氣孔，也是走水的。原缸蓋水套水流量示意如圖6所示(圖中標(biāo)尺為流速，單位m/s)。

圖5 原缸蓋水套結(jié)構(gòu) 圖6 原缸蓋水套水流量示意

由截面A可知，有較多的冷卻水從邊緣流走，可以收窄此處的流道以增大鼻梁區(qū)的流量；由截面B可知，收窄此處流道，可以減小此處流量，間接增加截面C流量；由截面C可知，此處螺栓布置結(jié)構(gòu)限制，截面無(wú)法加寬，但可以平滑截面C前的流道使水流更加順暢。

2.3.2 優(yōu)化方案

a)故障缸蓋 b)改進(jìn)缸蓋圖7 水套優(yōu)化結(jié)構(gòu)

對(duì)水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，針對(duì)存在的問(wèn)題對(duì)缸蓋下水套進(jìn)行優(yōu)化，如圖7所示，減小缸蓋下水套進(jìn)氣側(cè)通流面積、減小缸蓋下水套進(jìn)氣側(cè)入口處截面積、增加缸蓋下水套排氣側(cè)入口處截面積及導(dǎo)流。支撐孔直徑由10減小到8 mm，減少旁通；增加排氣鼻梁入口處導(dǎo)流；減小機(jī)油冷卻器側(cè)近-排鼻梁區(qū)通流截面積。

2.4 鼻梁區(qū)火力面結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

2.4.1 結(jié)構(gòu)分析

由圖8所示為沿噴油器中心孔橫向剖開(kāi)的氣缸蓋截面，排氣門(mén)鼻梁區(qū)中間位置縱向厚度為14.6 mm，縱向溫度梯度13.4 ℃/mm，由于火力面縱向厚度過(guò)大，造成換熱效率差，可減小火力面厚度，增大換熱效率，減小溫度梯度。

2.4.2 優(yōu)化方案

對(duì)現(xiàn)有氣缸蓋火力面鼻梁區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，針對(duì)存在的問(wèn)題對(duì)火力面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖9所示。

排氣門(mén)鼻梁區(qū)開(kāi)槽減薄2 mm，遠(yuǎn)離噴油器方向偏置，減小縱向厚度，提高換熱效率。

圖8 火力面截面及溫度梯度計(jì)算 圖9 鼻梁區(qū)減薄

圖10 改進(jìn)前后鼻梁區(qū)流量對(duì)比

3 優(yōu)化效果對(duì)比

水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，對(duì)5缸氣缸蓋的水流量、水流速、缸蓋溫度等3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。

3.1 水套流量對(duì)比

5缸水套流量分布對(duì)比如圖10所示，從圖中可以看出排氣門(mén)鼻梁區(qū)流量比原結(jié)構(gòu)高很多，水流量提升了95%，散熱效果更好。

3.2 水套流速對(duì)比

a)故障缸蓋 b)改進(jìn)缸蓋圖11 改進(jìn)前后流速對(duì)比

5缸水套流速分布對(duì)比如圖11所示，從圖中可以看出排氣門(mén)附近流速比原水套更高，尤其在排氣門(mén)鼻梁區(qū)位置，進(jìn)氣門(mén)附近水套流速降低明顯，整體冷卻更加趨于合理，冷卻效果更好，散熱量提高了35%[16-17]。

3.3 氣缸蓋溫度分布對(duì)比

5缸氣缸蓋溫度場(chǎng)分布如圖12所示(圖中標(biāo)尺為溫度，單位 ℃)，文字說(shuō)明是鼻梁區(qū)中間位置最高溫度,從圖中可以看出，排氣門(mén)鼻梁區(qū)中間位置溫度由435 ℃降至350 ℃，低于灰鑄鐵耐溫極限380 ℃，滿(mǎn)足要求，溫度降低85 ℃，改進(jìn)效果顯著。

a)改進(jìn)前 b)改進(jìn)后圖12 改進(jìn)前后缸蓋溫度對(duì)比

圖13 改進(jìn)前后實(shí)測(cè)溫度對(duì)比

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)改進(jìn)的有效性和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)改進(jìn)氣缸蓋進(jìn)行臺(tái)架測(cè)溫試驗(yàn)，對(duì)比改進(jìn)前后氣缸蓋排氣門(mén)鼻梁區(qū)溫度值。溫度最高點(diǎn)為標(biāo)定點(diǎn)工況，如圖13所示，實(shí)測(cè)溫度改進(jìn)前430 ℃，改進(jìn)后降低至360 ℃，溫度降低70 ℃，改進(jìn)效果明顯，熱負(fù)荷降低顯著，后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)未出現(xiàn)鼻梁區(qū)裂紋故障。

仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示，氣缸蓋火力面溫度的仿真計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差在3% 以?xún)?nèi)，一致性很好，說(shuō)明該仿真計(jì)算的方法準(zhǔn)確可靠。

表2 仿真試驗(yàn)溫度結(jié)果對(duì)比

用流固耦合傳熱方法可以有效模擬柴油機(jī)冷卻液的流動(dòng)與傳熱，解決工程應(yīng)用問(wèn)題[18-19]。

5 結(jié)論

1)穩(wěn)態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下，流固耦合系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值中，仿真計(jì)算結(jié)果與溫度場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果誤差較小，小于2.8%，準(zhǔn)確性高。

2)從減薄火力岸板厚度、優(yōu)化水套結(jié)構(gòu)2個(gè)方面著手，可以有效的解決氣缸蓋熱負(fù)荷高的問(wèn)題。

3)改進(jìn)方案可為氣缸蓋設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的參考。