不同發(fā)動機工況下氣缸蓋與機體間的襯墊密封特性研究及試驗驗證

【印度】　S.Kandreegula　U.Gupta　S.Vyas

不同發(fā)動機工況下氣缸蓋與機體間的襯墊密封特性研究及試驗驗證

【印度】S.KandreegulaU.GuptaS.Vyas

摘要：發(fā)動機的適當(dāng)密封是發(fā)動機設(shè)計中1個非常重要的要素。發(fā)動機即使出現(xiàn)少量的氣體泄漏都會影響到發(fā)動機工作過程中的總體性能。準(zhǔn)確的擰緊力矩和襯墊設(shè)計是提高襯墊密封效率的2個重要因素。根據(jù)有限元法，利用商用工具軟件，對諸如冷態(tài)裝配、熱態(tài)裝配、冷起動和熱點火等不同負(fù)載條件下的襯墊接觸壓力分布和氣缸蓋應(yīng)力進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，在不考慮由氣缸蓋溫度分布導(dǎo)致的熱負(fù)荷的情況下，氣缸蓋襯墊的密封效率取決于用于壓緊螺栓的擰緊力矩。研究還表明，當(dāng)考慮熱負(fù)載時，襯墊的最大接觸壓力位置發(fā)生改變。

關(guān)鍵詞：襯墊接觸壓力螺栓預(yù)應(yīng)力氣缸蓋發(fā)動機機體

0前言

發(fā)動機機體與氣缸蓋之間襯墊的設(shè)計與開發(fā)是1個復(fù)雜的過程。為了獲得發(fā)動機工況下的最佳發(fā)動機性能，采用了多種分析工具和試驗方法，以期找出襯墊設(shè)計的最優(yōu)參數(shù)。但是研究結(jié)果表明，從發(fā)動機泄漏的氣體不僅影響到發(fā)動機的輸出效率，還會污染環(huán)境。因此，通過適當(dāng)?shù)姆治龀绦蚝驮囼?，確保氣缸蓋、襯墊和螺栓之間的可靠有效裝配變得極其重要。此外，在襯墊設(shè)計開發(fā)過程中還應(yīng)考慮減少時間和降低成本[1]。

由于氣缸蓋和襯墊、氣缸蓋和螺栓之間存在接觸面，因此會出現(xiàn)接觸特性方面的問題。螺栓的預(yù)應(yīng)力能夠保持氣缸蓋與氣缸體之間襯墊的密封效率。因此，預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用方法對數(shù)值模擬計算非常重要。另一個影響密封效率的關(guān)鍵因素是襯墊材料特性，襯墊由多層隔熱材料構(gòu)成[2]。

1接觸基礎(chǔ)理論

本研究主要關(guān)注襯墊密封效率的研究。根據(jù)襯墊上接觸壓力的分布情況，可以確定最小接觸壓力的位置。在接觸壓力最弱的區(qū)域出現(xiàn)漏氣的概率極高。通常，在機械接觸有限元(FE)模擬中，廣泛采用拉格朗日乘子法、增廣拉格朗日和懲罰函數(shù)法。但是，懲罰函數(shù)法會隨懲罰值的增大而使結(jié)果精度下降。拉格朗日乘子法引入了額外的未知量，并且得到的方程組并不一定是正定的。增廣拉格朗日法將懲罰函數(shù)法和拉格朗日乘子法綜合起來，取得了這兩種算法的優(yōu)點。接觸區(qū)域(Γc)增廣拉格朗日法的變分弱解式方程表達(dá)如下：

(1)

式中：λ表示拉格朗日乘子；α表示懲罰值；γN表示2個接觸體的互相滲透率。

根據(jù)變分計算，式(1)可以轉(zhuǎn)化成如下的相對強解式：

Ma+fint-fext+GTλ+PCd=0

(2)

Gυ≤0

(3)式中：υ表示2個接觸體的速度場；λ表示拉格朗日乘子；GTλ表示接觸力；PC表示接觸剛度；PCd表示接觸力(懲罰力)；fint、fext和Ma分別表示內(nèi)力、外力和慣性力。

式(2)是接觸FE計算的控制方程，式(3)是描述2個接觸體接觸邊界的不等式約束[2]。

2襯墊功能

為了在汽油機或柴油機氣缸蓋與機體之間形成密封，需要采用氣缸蓋襯墊。氣缸蓋襯墊是發(fā)動機的1個整體組件，需要在發(fā)動機運行過程中執(zhí)行許多功能。氣缸蓋密封必須在峰值工作溫度和壓力下保持燃燒室周圍的密封。襯墊必須在各自的峰值工作溫度和壓力下實現(xiàn)對空氣、冷卻液、燃燒和發(fā)動機機油的密封，一定要確保其采用的材料和應(yīng)用的設(shè)計不會與發(fā)動機內(nèi)的燃燒產(chǎn)物，以及各種化學(xué)物、冷卻液和機油發(fā)生熱反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)。進(jìn)行裝配時，氣缸蓋襯墊是發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)的1個重要部分。它支撐著氣缸蓋及其配合組件，必須能夠承受由氣缸蓋和機體傳遞過來的動態(tài)力和熱作用力。發(fā)動機的應(yīng)用類型是氣缸蓋襯墊設(shè)計的決定性因素。發(fā)動機按尺寸劃分，從單缸點燃式汽油機到12缸渦輪增壓或機械增壓壓燃式柴油機，其襯墊材料和設(shè)計是影響發(fā)動機功能壽命周期最為重要的因素。

3襯墊設(shè)計

每種用途都需要1種獨特的氣缸蓋襯墊設(shè)計，以滿足發(fā)動機的特定性能需求。所采用的材料和設(shè)計是多次試驗的結(jié)果，將各種金屬、復(fù)合材料和化學(xué)物設(shè)計成能夠保持發(fā)動機壽命周期內(nèi)必要密封性的襯墊。

最為廣泛采用的材料如下： (1) 各種等級和形式的鋼和不銹鋼；(2) 纖維基復(fù)合材料；(3) 各種密度的石墨；(4) 含聚四氟乙烯、硅樹脂、腈、氯丁橡膠、聚合樹脂和其他物質(zhì)的化學(xué)合成材料。

發(fā)動機設(shè)計在約90～100℃的“常規(guī)”溫度范圍內(nèi)工作。相對穩(wěn)定的工作溫度對于恰當(dāng)?shù)呐欧趴刂?、良好的燃油?jīng)濟性和動力性能是絕對必要的。如果發(fā)動機過熱或超出其常規(guī)工作范圍，溫度升高會導(dǎo)致氣缸蓋出現(xiàn)極端應(yīng)力，從而導(dǎo)致氣缸蓋襯墊撕裂。對于鋁質(zhì)氣缸蓋尤為如此，因為，當(dāng)鋁受熱時，其體積膨脹大約是鑄鐵的2～3倍。鋁制氣缸蓋和鑄鐵機體之間熱膨脹率的差異及由過熱引起的附加應(yīng)力會導(dǎo)致氣缸蓋翹曲。反過來，氣缸蓋翹曲還可能導(dǎo)致臨界區(qū)域的夾緊力損失，最終導(dǎo)致氣缸蓋襯墊泄漏。

4FE建模

在能生成完整線框的Pro-E軟件中對襯墊的幾

何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模。然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成初始圖形交換規(guī)范(IGES/STP)格式，讀入HyperMeshTM。在HyperMeshTM中，采用INTER 195分析單元類型生成三維六面體網(wǎng)格，建立襯墊的FE模型。圖1所示為有3種不同層壓紋襯墊的典型計算機輔助工程(CAE)六面體網(wǎng)格模型。這3種不同壓紋層為全壓紋、半壓紋和加壓機油通道半壓紋[1]。

圖1　襯墊設(shè)計——FE模型

之后，必須使用供應(yīng)商提供的全壓紋和半壓紋襯墊加載和卸載壓力曲線作為如圖2所示的Ansys軟件預(yù)處理器的輸入量，采用螺栓預(yù)載荷(M14螺栓，17螺紋)作為裝配載荷(冷態(tài)條件)，如圖3所示。

圖2　壓紋特性曲線——Ansys軟件的輸入量

為進(jìn)行CAE結(jié)構(gòu)分析，其余的發(fā)動機機體和氣缸蓋作為具有Ansys SOLID 185單元類型的三維實體四面體元進(jìn)行FE建模，將螺栓作為具有Ansys BEAM 188單元類型的一維單元進(jìn)行FE建模。

圖3　螺栓預(yù)加載具體內(nèi)容

5結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)不同種類機理施加的載荷，這種線彈性分析程序可以根據(jù)疊加原理進(jìn)一步劃分成2個加載步驟，用于模擬發(fā)動機的各種工作過程。結(jié)構(gòu)分析的最終結(jié)果由加載步驟的輸出量組成。

(1) 裝配載荷

施加在發(fā)動機上的主要載荷是裝配載荷。裝配載荷主要指螺栓的預(yù)緊力，對防止發(fā)動機內(nèi)部零件的氣體泄漏起到重要作用。換言之，除了襯墊本身的設(shè)計，襯墊的密封效率主要取決于螺栓預(yù)應(yīng)力的準(zhǔn)確性。為避免襯墊密封不足，螺栓的預(yù)應(yīng)力不高于72kN(圖3)。此外，保持機體底端節(jié)點的位移不變，從而避免出現(xiàn)剛體運動[2]。

(2) 氣體壓力

因火花塞點火而產(chǎn)生的氣體壓力作用在燃燒室表面上。但是，氣體壓力的幅度隨循環(huán)持續(xù)期的不同而變化。對于穩(wěn)態(tài)分析，將平均氣體壓力引入冷起動點火數(shù)值模擬的加載條件中。在本研究中，最高平均氣體壓力為17MPa，出現(xiàn)在發(fā)動機工作期間的較高轉(zhuǎn)速工況，預(yù)計會極大降低襯墊的密封效率[2]。

6模型約束與連接

首先，對所有組件在法線方向上進(jìn)行約束。然后，對氣缸體在下剖分面的垂直方向上進(jìn)行約束，并在單一節(jié)點的水平方向上進(jìn)行約束，以防止剛體運動。氣缸套豎直耦合在缸體中部止口位置。在氣缸套頂端氣缸套與氣缸體的接觸面上創(chuàng)建含有過盈配合要素的徑向約束方程。為消除氣缸體相對運動，氣缸套也是在單節(jié)點上沿切向耦合在氣缸體上。將燃燒密封、石墨環(huán)和基體材料在所有3個方向上耦合在氣缸蓋、氣缸體和氣缸套上。對氣缸蓋上的單一節(jié)點在水平方向上加以約束，以防止氣缸體運動。將有頭螺栓設(shè)計成沉入氣缸蓋和氣缸體的形式，這樣就無需進(jìn)行進(jìn)一步的耦合。最后，利用PRETS 179元創(chuàng)建每個氣缸蓋有頭螺栓的預(yù)緊截面。

7FE分析結(jié)果

7.1襯墊材料響應(yīng)

襯墊材料選項應(yīng)該用于襯墊接合特性的宏觀研究。重點應(yīng)該放在接合特性上。如果需要襯墊的詳細(xì)結(jié)果，則需要創(chuàng)建更為復(fù)雜的材料模型。襯墊材料選項無法預(yù)測襯墊的響應(yīng)，但是卻允許工程師輸入材料響應(yīng)。所以，首先必須通過試驗對襯墊材料的非線性響應(yīng)進(jìn)行量化。在Ansys軟件中，采用通厚響應(yīng)的方式輸入各種非線性襯墊材料的應(yīng)力-變形量響應(yīng)，并且校核如圖4所示的加載和卸載曲線。

圖4　襯墊材料和元驗證

7.2接觸壓力結(jié)果

在本研究中，利用襯墊上接觸壓力最弱的位置來研究襯墊的密封效率。襯墊的壓縮應(yīng)力(通厚)等高線見圖5。與預(yù)測結(jié)果一致，襯墊在氣缸蓋有頭螺栓周圍出現(xiàn)了局部高載荷情況。但是在圖5中出現(xiàn)了5個用圓圈標(biāo)記的低接觸壓力位置，接觸壓力低于所需的50MPa。

接觸密封壓力沿缸孔圓周的變化情況如圖6所示。

圖5　襯墊接觸壓力結(jié)果

圖6　接觸壓力沿缸孔圓周的變化

8挑戰(zhàn)

(1) 氣缸蓋襯墊的精確建模需要1個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)動機組件總成。必須特別關(guān)注接合界面的網(wǎng)格。

(2) 襯墊材料選項應(yīng)用于襯墊特性的宏觀研究，以及作為Ansys軟件輸入量的多線性加載和卸載響應(yīng)。

(3) 通過ANSYS中的加載和卸載曲線，校核襯墊的元驗證。

(4) 校核襯墊密封壓力曲線。

9與試驗數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性

根據(jù)VECV公司內(nèi)部測試團(tuán)隊進(jìn)行的試驗，可以找出襯墊中的低接觸壓力位置，即氣體泄漏區(qū)域，對CAE結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗證，如圖7和圖8所示。

圖7　CAE襯墊的接觸壓力結(jié)果

圖8　　　　富士膠片試驗結(jié)果(4缸4氣門　　　發(fā)動機多層鋼氣缸蓋襯墊)

10總結(jié)

本研究通過FEA數(shù)值模擬完成了發(fā)動機工況下的襯墊結(jié)構(gòu)分析。首先，襯墊密封能力主要取決于螺栓的預(yù)緊力，因為螺栓是氣缸蓋最大外部載荷的主要來源。但是，由于在不同發(fā)動機運行工況下施加在螺栓上的預(yù)緊力方向與氣體力的作用方向相反，氣體壓力會增大漏氣的可能性。因此，提出了1種提高襯墊密封能力的有效方法，即在不超出發(fā)動機結(jié)構(gòu)中每個組件材料強度的前提下增大裝配力的幅度。同時，在設(shè)計初期改善襯墊結(jié)構(gòu)的最弱密封區(qū)域，這種CAE方法與試驗相互關(guān)聯(lián)。

11效益

(1) 節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)過程中富士膠片試驗的時間和成本。

(2) 為設(shè)計、CAE模擬和驗證建立能夠提高生產(chǎn)率的新流程或新方法。

(3) 縮短襯墊設(shè)計中的試驗時間，進(jìn)而縮短投放市場的時間。

(4) 降低試驗成本，提高生產(chǎn)效益。

(5) 由于動力裝置組件之間的適當(dāng)密封，不會出現(xiàn)機油泄漏，提高了發(fā)動機工作效率，產(chǎn)品性能得到改善。

參考文獻(xiàn)

[1] Raub J. Modeling diesel engine cylinder head gaskets using the gasket material option[C]. International Ansys Confer-ence， 2002.

[2] Chang-Chun L， Kuo-Ning C， Wen-King C， et al. Gasket sealing of cylinder head under engine operating conditions[J]. Design & analysis， 41，2005： 1160-1174.

孫丹紅譯自sae paper2015-26-0029

張然治校

虞展編輯

(收稿時間：2015-07-16)