发动机工况对缸盖低周疲劳影响分析与研究_张福明.pdf

内燃机与配件 发动机工况对缸盖低周疲劳影响分析与研究张福明，路明，郝佳胜（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 ）摘要：现有的台架试验工况不能完全验证发动机在整车上的故障，如缸垫处渗水，渗油等。为了在台架上充分验证失效模式，因此需要对冷热冲击工况进行强化，使其变得更为严苛，以此来满足可靠性的要求。试验结果表明在发动机工况转换过程中，通过缩短冷、热水转换时间，控制冷却液的升温速率和降温速率，可以达到强化试验工况的目的。同时也要考虑试验工况变化后对缸盖低周疲劳的影响，本文通过有限元分析的方法对比两种试验工况对缸盖低周疲劳的影响，仿真结果表明强化后的试验工况对缸盖低周疲劳影响非常有限，缸盖鼻梁区和火花塞孔周围无开裂风险。关键词：密封；渗漏；低周疲劳；冷热冲击；燃烧室中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：张福明（），男，汉，黑龙江省安达市，硕士，工程师，主任工程师，研究方向：发动机台架试验及开发。引言发动机在实际使用过程中，要经历不计其数次起、停循环及负载的变化，导致发动机的热负荷产生剧烈变化，缸盖是最容易受到损伤的重要零部件之一，其结构最复杂、机械载荷和热负荷最高。火力面不断承受缸内燃烧过程所产生的热负荷及气缸爆发应力的作用，内侧收到冷却水套持续冷却，在装配过程中又收到缸盖螺栓预紧力和其它附件的过盈力作用，很有可能在复杂的热机载荷影响下产生疲劳破坏。在发动机运行过程中经常暴露出由于其结构和强度设计不合理而引起各类问题，如缸盖火花塞孔周围开裂，气缸垫周围冷却液和润滑油泄漏。在产品开发前，可通过仿真分析方法来预测气缸盖是否可以承受高低温冲击，并能预测缸盖的疲劳安全系数。同时，发动机气缸垫的主要作用是使高温高压燃气、冷却水和润滑油不泄漏，起密封的作用气缸垫在高温高压和受热不均的条件下工作，其强度、密封性能的好坏，直接影响到发动机工作的安全性和可靠性，是发动机的重要密封部件。模型建立 缸盖低周疲劳理论当载荷超过 时，工程材料和构件将产生永久性的变形，即在载荷消除后将产生不可逆变形。在接近甚至超过其屈服强度的循环应力的作用下，塑性应变循环所造成的疲劳（如 ）被称为低周疲劳。低周疲劳中，应力和应变的问题相应地变得复杂，而不是简单的线性弹性变化。基于损伤累积的 理论以其结构简单，使用方便等优点在工程中得到了广泛的应用。由于 公式的计算结果在某些情况下不尽人意，许多科技工作者曾作了大量的研究，提出几种累积损伤理论，但都因其局限性未能推广。但 线性累积损伤理论仍是目前应用最广泛的理论。局部应力应变方法是一种基于危险部件在加载过程中的局部应力、应变疲劳寿命的估算方法。它抓住了疲劳损伤的本质塑性变形，认为疲劳损伤过程就是塑性变形累积到一定量时导致裂纹产生。局部应力应变方法是一种基于危险部件在加载过程中的局部应力、应变疲劳寿命的估算方法。它抓住了疲劳损伤的本质塑性变形，认为疲劳损伤过程就是塑性变形累积一定量时导致裂纹产生。模型建立发动机运转过程中缸盖受到的载荷包括装配载荷，其中有缸盖螺栓预紧力、气门座圈和气门导管的过盈量。气体爆发压力以及温度载荷，同时考虑气缸垫的非线性材料属性。分析模型包括：缸体、缸盖、螺栓、垫片、缸垫、气门、气DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.04.003 年第期门座圈、气门导管及喷油器（简化）、火花塞（简化）组成，如图所示。仿真计算结果分析主要考虑最大热负荷工况以及怠速工况，先通过 分析得到燃烧室的温度及换热系数边界。再通过双向流固耦合计算得到两种工况下的缸盖燃烧室温度场分布。为了比较火力面在冷热冲击工况下的应力变化情况，选取了，六个典型位置点进行比较，如图所示。图缸盖 模型图火力面考察点 缸盖温度场分析一个试验循环为 ，其中冷工况总时间为 ，水温控制在，热工况时间为 ，水温控制在 ，基本的思路是缩短发动机冷却液的升温时间和降温时间，这样可以提高单位时间内的温度变化值。为了确保仿真结果的准确性，计算两个循环进行对比。以缸盖燃烧室内点和点为例，其中点离火花塞孔近，工况优化前，从发动机启动开始，到缸盖温度达到最高值 所用时间为 。从热工况到冷工况切换直到火力面最低温度达到 ，所用时间为 。工况优化后，从冷工况到热工况切换时间为 ，缸盖最高温度为 。从热工况到冷工况切换时间为 ，最低温度为。点离火花塞孔较远，其情况类似。最高温度均没有超过缸盖材料铝合金所允许的限值 ，一是得益于合理的水套设计，二是发动机的升功率较小的原因。升温阶段，两种水温变化时间对于缸内燃烧室表面温度变化速率影响不大，主要原因为发动机机体从冷到热的过程，缸内燃烧温度起主要因素，冷却液温度影响占比较小。而在降温阶段，冷却液温度的变化起着决定性作用，因而燃烧室表面温度降低更快，但是最终的最高温度和最低值差别不大，如图和图所示。图燃烧室壁面点温度对比图燃烧室壁面点温度对比 缸盖应力场分析额定工况缸盖火力面在高温作用下向四周膨胀，而四周温度低且膨胀小，这就限制了火力面的自由膨胀，加上缸盖螺栓预紧力的作用，使得火力面膨胀受阻，产生较大热应力。缸盖鼻梁区及火花塞安装孔周围应力较大，试验工况加强前后最大应力分别为 和 。怠速工况相对于额定工况，缸盖鼻梁区的温度降幅更大，因而该部位的应力变化也更大，发生低周疲劳的可能性也大，试验工况加强前后最小应力分别为 和 。低周疲劳分析发动机在冷热冲击试验时，随着热负荷不断的高低变化，缸盖火力面会产生较高的热应力。模拟计算结果表明，缸盖损伤主要由机械损伤引起，危险点机械损伤几乎占总损伤的 ，氧化损伤和蠕变引起的损伤数量级很小，可以忽略不计，详细数据见表。表工况优化前损伤结果汇总优化前优化后优化前优化后优化前优化后总损伤 机械损伤 氧化损伤 蠕变损伤 有限元分析中，近似认为损伤值的倒数即为疲劳寿命，图和图中的 表明，缸盖低周疲劳寿命最小值在三缸火花塞孔边缘，工况优化前后的寿命分别为 和 循环，工况加强后寿命降低约。总体寿命值偏大的主要原因为该研究对象为小型增程发动机，其额定转速和功率为 ，较传统动力升功率和热负荷低。图缸盖寿命工况优化前内燃机与配件 图缸盖寿命工况优化后试验工况优化与试验验证 试验工况优化一个试验循环包括冷工况和热工况两部分，其中冷工况和热工况各 ，合计 。优化前的情况是发动机从热工况到冷工况切换过程中，外部的水泵先不参与循环，仅靠发动机自身水泵工作直到发动机在额定工况达到稳定运行后，外部水泵再参与系统循环，这样的结果是系统内的冷却液降温时间长，降温速率也不会太快，整个过程的最大降温速率为 。优化后的试验工况是发动机在从热工况向冷工况转换的过程中，除了发动机自身水泵工作外，外部设备的水泵也会同步参与工作，将低温罐内的冷却液（通常会低于 ）共同输送到发动机机体内，这样整个循环系统里的低温冷却液流量就会增大，因而降温速率也更快，最大降温速率达到了 。升温过程也采取类似的方法，为了快速升温，外部设备的水泵会同步参与循环将高温罐内的冷却液（通常会高于 ）共同打进机体内，最大升温速率从 提高到 ，如图和图所示，发动机的升温速率和降温速率均改善明显。图水温变化图水温变化速率 试验验证结果试验工况加强前，发动机可以完整通过耐久试验验证，各密封处均无渗漏情况发生，如图所示。试验工况加强后，试验过程中缸垫密封处出现了明显的渗漏情况，如图 所示。证明提高了升温速率和降温速率，达到了增强试验工况考核强度的目的。试验工况加强后，相当于创建了新的试验标准，在台架上提前验 证 出 了 发 动 机 的 失 效 模 式，通 过 设 计 优化可以避免在 整 车 上 出 现 类 似 的 故 障，提 高 了 产 品 的可靠性。图缸垫处无渗漏图 缸垫处渗漏结论、因发动机额定功率较小，数值模拟结果显示缸盖低周疲劳寿命较高，同时工况加强后对缸盖寿命的影响非常有限，二者均远高于验证标准，鼻梁区无开裂风险；、低周疲劳的数值模拟结果表明，缸盖损伤主要由机械损伤引起，几乎占总损伤的 ，氧化损伤和蠕变损伤几乎可以忽略不计；、从仿真结果来看，冷却液的降温速率与升温速率相比，其对于气缸盖的燃烧室的温度变化和损伤影响更大，实际操作应更精准控制这一试验过程；、通过提高试验工况水温的升温速率和降温速率，缸垫处从润滑油无渗漏到发生渗漏，试验结果表明强化试验工况达到了目的，考核强度得到了加强。参考文献：徐玉梁，刘伟，祖炳锋等小型增压强化汽油机缸盖热机疲劳分析研究机械设计 ，（），（）刘凯敏，杨靖，张思远，等增压直喷汽油机排气歧管低周疲劳的研究汽车工程，（）：王先瑞发动机缸盖低周疲劳分析方法研究汽车实用技术，（）：苏圣，胡景彦，吴丰凯，陈超，江帆，吕希斌 缸盖冷热冲击低周疲劳的研究 拖拉机与农用运输车，（）：路明，王振缸盖低周疲劳分析方法研究机械制造与自动化，：张应兵，路明 不同工况下的缸盖低周疲劳对比分析 汽车实用技术，：宋晋宇 型柴油机气缸盖、气缸垫接触强度分析及其算法的探讨 大连：大连理工大学，