某大型柴油机气缸盖设计研究

某大型柴油机气缸盖设计研究

陈磊

湖南省力宇燃气动力有限公司，湖南，长沙，410205

摘要：简单介绍某大型柴油机气缸盖的设计。阐述了如何进行气缸盖设计以及为验证设计性能，进行了进气道流通能力计算、气缸盖冷却能力计算、气缸盖结构强度有限元分析，并对设计方案进行了评论。

关键字：柴油机；气缸盖；设计；冷却能力；结构强度

前言：气缸盖是柴油机燃烧室的重要组成部分，是上万个零部件中工作条件最为恶劣的零件之一，因此气缸盖的可靠性是十分重要的。本文主要介绍某大型柴油机气缸盖的结构设计和为验证其可靠性而进行的流场和强度分析

1气缸盖设计

1.1材料的选择

选择合适的材料是设计气缸盖的重要环节之一。从改善热应力考虑，要求材料的导热系数大，高温持久强度和蠕变强度高、弹性模量小和线膨胀系数小；从改善机械应力考虑，要求材料的疲劳强度高；从制造工艺考虑，应选择铸造流动性好、切削性能好的材料。根据上述特点和结合本公司的研发制造经验，气缸盖的材料选用综合性能较好的球墨铸铁QT500-7，既满足了强度的要求，加工质量容易保证，还减少了废品率，增加了成品率。

1.2结构设计

1.2.1结构布置

此气缸盖采用现今国际上流行的“薄壁强背”设计思想。中隔板为圆弧盆形，将气缸盖内腔分隔为上下两个冷却水腔，中央设有空心圆台，从顶部一直伸到内腔中下部，通过过盈配合与一个合金钢制的薄壁水封套管密闭成一个空间，用于喷油器的安装。气缸盖壁厚及主要尺寸，是结合经验设计，满足刚度、强度要求，又尽量减轻气缸盖重量的前提下确定的。

1.2.2冷却水布置

（1）鼻梁区钻孔强制冷却鼻梁区受热量大，金属分布不均，局部壁厚较大，是最容易产生裂纹的区域。鼻梁区内置4×φ14的水孔，冷却水流经此处，流速加快，冷却效果加强。排气阀座孔处钻有4×φ8的孔，用来加强排气阀座的冷却，改善气缸盖底部的热应力，降低排气阀的工作温度。

（2）出水口布置在气缸盖最高点，保证没有高温冷却水的滞留。

（3）下冷却水腔最高处钻孔，保证没有空气囊的滞留。

（4）减少鼻梁区的金属堆积量，在火力面去除材料，减薄局部底板厚度，降低温度梯度。

1.2.3气道设计

气缸盖的进、排气道对柴油机的充气效率、排气能量的利用有相当大的影响。气道设计应符合空气动力学要求：流道截面大、拐弯圆角顺，截面变化小。一般排气出口的面积应为喉口面积的110～120%，喉口直径约为气阀直径0.92～0.96；进气道喉口处的截面面积应为进气口的80～90%，喉口直径约为气阀直径0.92～0.96。进排气阀的喉口到阀座面应有一个引流段。

2气缸盖设计性能验证

气道流通能力计算能比较正确的反映气道流通能力的强弱；水套冷却性能分析能告之冷却水的流线、关键区域的流速和换热系数大小、冷却水套的压损、各缸流量的分布，为最终判断冷却水的流动分布是否合理提供依据。

2.1进气道CFD模拟计算

气道的流量系数和涡流比是公认的气道设计评价指标的参数。计算按气阀升程共划分了8个模型（1.667mm、2.2377mm、4.2675mm、9.5075mm、15.0147mm、19.0276mm、21.1456mm、21.3312mm），从计算结果中可以看出：

（1）流量系数随着进气阀升程的增加而逐渐变大，在最大升程情况下，流量系数达到0.653左右，气道的气流流通能力正常，但在保证了气道流通能力后，涡流作用相应的削弱了，但这在一定程度上对柴油机进气道是可以接受的。

（2）气道—缸内流速与湍动能基本正常，可以满足混合气形成要求。

2.2冷却水套CFD分析

本次计算软件冷却水套进行了三维数值模拟，网格数量为160万，90%以上为六面体单元。在流动影响较大的关键区域（包括进口、出口、上水孔、缸盖鼻梁区、缸盖排气门座圈水孔、缸体水套内水孔处等）进行了网格加密。冷却水套流场的性能评价如下：

（1）压力场分布：各处进水都比较均匀，气缸盖水套主要压力损失点位于鼻梁区，单缸冷却水套的总压损失为：0.278bar；压力损失处于合理范围内，气缸盖冷却水套设计很好。

（2）压力场分布：冷却水套中各冷却通孔内速度分布均匀，最小值为1.5m/s，能满足冷却要求；底部流速较大，鼻梁区流速最小值为2.8m/s，排气阀座圈处流速为1.1m/s，综上，满足发动机气缸盖的冷却要求，设计合理。

（3）冷却水速度流线：流线整体比较平顺，流型较好，但仍存在一些漩涡及回流区，可能会导致局部积热。

2.3气缸盖结构强度有限元分析

此气缸盖有限元分析包括温度场、机械、机械－热耦合场的计算，首先根据热边界进行温度场的计算，然后根据机械边界和温度场进行机械、热－机械耦合场的计算。

2.3.1温度场分析

研究项目中热边界划分为7个区域：自由表面、进气道表面、排气道表面、火力面、冷却水套表面、缸盖底面、喷油孔。气缸盖温度场结果分析：火力面和排气道都有较高温度，火力面平均温度超过200℃，排气道温度平均温度为150℃。火力面的高温区集中在火力面喷油孔周围以及进排气道鼻梁区。气缸盖最高温度出现在喷油孔附近偏排气道鼻梁区一侧，最高温度值为293.6℃，但小于材料的蠕变温度300℃。

2.3.2应力场分析

a预紧工况中气缸盖受力区域主要是螺栓孔，所以在火力面区域最大拉应力值和压应力值较小，分别为119MPa和25.89MPa，拉应力与压应力的分布没有明显的界限。

b预紧-热载荷工况在温度场的膨胀作用下，火力面区域整体处于受拉状态，而且拉应力值有了明显的提升。在排气门水腔进出水口处出现明显的应力集中，最大拉应力值达到284.8MPa，但远远低于材料的抗拉强度极限500MPa。因此，从静强度分析缸盖是很安全的。

c预紧-热-机械载荷工况中，火力面受到缸内爆压的作用，拉应力与压应力的分布有了明显的区别。火力面表面表现为受压，但最大压应力也仅仅50MPa，所以只需关注拉应力的情况。最大拉应力仍然出现在排气门水腔进出水口处，此时最大拉应力值只有239.4MPa，比预紧-热载荷工况最大拉应力值284.8MPa降低了40MPa。

2.3.3疲劳及寿命预估

气缸盖在稳定工况下承受着稳态载荷（包括装配载荷和热载荷）和交变载荷（燃气压力）的相互作用，缸盖零部件的高周疲劳破坏属于非对称交变应力下的疲劳破坏。气缸盖材料的抗拉强度为σb=500MPa，其承受对称交变应力作用下的疲劳极限为σ-1=210MPa。根据Goodman修正公式，可以获得气缸盖在承受任意非对称交变应力下的疲劳极限曲线。利用最大拉应力理论（第一强度理论）和Mises强度理论评价缸盖疲劳强度如表1。

表1气缸盖疲劳校核结果

根据校核结果，疲劳安全系数均在1.2以上，所以缸盖结构基本满足强度设计的要求。较危险的地方为节点220357附近区域，即缸盖进气道之间的鼻梁区。

结论：

通过气缸盖性能验证分析得知，此款气缸盖的性能良好，工作可靠，安全裕度较大，能满足柴油机总体性能的要求，是个较成功的设计，但仍存在一些优化设计的空间，如：优化进气道流通系数和涡流比、改善冷却水套局部可能存在的积热、降低火力面温度梯度、进一步提高安全裕度等。此型柴油机气缸盖设计的思路和验证设计性能的方法为研发新产品和优化产品提供宝贵的经验。

参考文献：

[1]袁兆成.内燃机设计.北京.机械工业出版社，2008.9.

[2]仲怀清.R16V280ZJ型柴油机气缸盖设计研究.柴油机.2005.9.

[3]穆振仟，张震.210重油机气缸盖改进设计.见：第十六界全国大功率柴油机学术年会.南宁.2009.272～273.