國五、國六階段發(fā)動機(jī)金屬氣缸墊的設(shè)計(jì)

(杭州內(nèi)燃機(jī)缸墊有限公司，浙江 杭州 310004)

圖1 由氣缸墊引起的影響節(jié)能與減排的因素

0 前言

氣缸墊是在高溫高壓和脈動負(fù)荷條件下工作的，其密封的流體(燃?xì)狻櫥秃屠鋮s液)的物理性能和化學(xué)性能差別極大，所處的環(huán)境極其苛刻。氣缸墊、發(fā)動機(jī)和密封流體三者之間的相互作用，相互制約的結(jié)果，會影響發(fā)動機(jī)的工作壽命。由于金屬氣缸墊結(jié)構(gòu)先進(jìn)、機(jī)械強(qiáng)度高，應(yīng)力松弛微小，回彈力突出，密封性強(qiáng)，其應(yīng)用變得越來越廣泛。目前新開發(fā)的發(fā)動機(jī)，已經(jīng)完全采用金屬氣缸墊。實(shí)踐證明，只有應(yīng)用金屬氣缸墊并通過嚴(yán)格的可靠性設(shè)計(jì)，才能保證發(fā)動機(jī)長期的可靠密封，達(dá)到國五、國六的排放要求。

1 由氣缸墊引起的影響節(jié)能與減排的因素分析

在氣缸墊設(shè)計(jì)過程中，工程師們通常以是否會經(jīng)常出現(xiàn)故障、影響排放等因素來考慮問題，具體細(xì)節(jié)見圖1。根據(jù)作者多年從事氣缸墊設(shè)計(jì)工作的體會，只要嚴(yán)格按金屬氣缸墊設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，復(fù)合型氣缸墊出現(xiàn)的問題完全可以徹底解決，并且達(dá)到排放的標(biāo)準(zhǔn)。

2 國五、國六階段發(fā)動機(jī)上的氣缸墊總體設(shè)計(jì)

氣缸墊總體設(shè)計(jì)的核心是保證發(fā)動機(jī)密封的可靠性。設(shè)計(jì)氣缸墊需要與發(fā)動機(jī)整體設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，便于根據(jù)發(fā)動機(jī)的特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確定金屬氣缸墊類型(圖2)和燃?xì)饷芊饨Y(jié)構(gòu)(表1)，即確定整體設(shè)計(jì)方案，采用單缸墊或多缸墊，還是單層墊或多層墊，并確定采用金屬積層型(MLS)，金屬橡膠型(ME)，金屬護(hù)圈型(MR)，金屬壓制花紋型(MCS)結(jié)構(gòu)。然后計(jì)算與平衡面壓，使發(fā)動機(jī)各相關(guān)部件機(jī)械變形減小，熱負(fù)荷均勻，穩(wěn)定可靠。同時也便于進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)。如將發(fā)動機(jī)的安裝方向從縱向改為橫向或擴(kuò)缸增大功率，氣缸墊則只需改變中間層板水孔和密封筋尺寸，設(shè)計(jì)制造可以系列化，降低開發(fā)成本。為防止燃燒室燃燒死區(qū)現(xiàn)象出現(xiàn)，燃燒室孔直徑公差應(yīng)控制在正值0.3～0.5 mm之間。

圖2 氣缸墊類型的確定

嚴(yán)格控制氣缸墊壓縮余隙。氣缸墊上使用不銹鋼帶的厚度公差，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在±0.02以內(nèi)，其壓緊厚度容易控制，從而壓縮余隙值可以保證。

另外還需要消除缸套凸出量不一致造成的影響。多缸發(fā)動機(jī)的缸套凸出量，即便是用選配的方法也難保證其一致性。為此，設(shè)計(jì)燃燒室密封部位時，尤其是缸套臺肩部位，要采用彈性密封筋，調(diào)整缸套凸出量的差異。

由于發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)時氣缸體結(jié)構(gòu)不均，運(yùn)轉(zhuǎn)時機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷加劇了應(yīng)力的不平衡，在螺栓壓緊力和氣缸墊的影響下，缸套和缸筒會產(chǎn)生變形現(xiàn)象。即便是加工后的靜態(tài)氣缸體，裝上氣缸墊并壓緊之后也會產(chǎn)生缸套變形。因此，應(yīng)注意調(diào)整螺栓受力狀態(tài)，例如將兩顆螺栓中間部位的密封筋變窄，缸套上螺栓的應(yīng)力作用在機(jī)體上，從而減少變形。

當(dāng)氣缸蓋被壓緊時，其中間部位即發(fā)生微微向上翹曲現(xiàn)象。燃?xì)獗l(fā)后將產(chǎn)生較大的翹曲，尤其是多缸發(fā)動機(jī)沿水平軸方向，在氣缸蓋的中間部位，翹曲更加明顯。發(fā)動機(jī)也常常因受力不均出現(xiàn)氣缸蓋偏斜情形。設(shè)計(jì)時應(yīng)對兩端和偏斜一側(cè)，增加防翹曲及防偏斜的密封筋、支撐塊或輔助密封筋。

在對整體型水孔密封筋走向及水油孔密封的設(shè)計(jì)過程中，必須將氣缸蓋底視圖和氣缸體頂視圖對正以后，沿氣缸蓋和氣缸體水套外壁厚度的中線走向，增加1條整體型傾斜形水孔密封筋。各水孔油孔和回油孔包圍在整體密封筋之內(nèi)，部分放置其外，單獨(dú)密封。油孔密封筋必須將氣缸蓋和氣缸體上不在同一條垂線上的油孔完全封起來，水孔也同樣如此。水油孔密封通常采用傾斜形、弧形密封筋，或用橡膠環(huán)密封。

排氣管墊、EGR和增壓器墊片等位置的密封墊片，應(yīng)充分考慮其耐熱耐壓程度，選擇高回彈能力的不銹鋼材質(zhì)及高彈力密封筋。

3 燃?xì)饷芊饨Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及面壓計(jì)算

3.1 燃?xì)饷芊饨Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燃?xì)饷芊饨Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是建立起密封高壓燃?xì)獾摹懊芊鈳А?，在密封帶上形成的密封面壓能充分地、持久地密封高壓燃?xì)?，使排放達(dá)標(biāo)。

MLS金屬積層氣缸墊是應(yīng)用最普遍的一種結(jié)構(gòu)[1-2]。圖3中上板和下板為功能層板，用0.2～0.3 mm厚度的高強(qiáng)度不銹鋼彈簧鋼板制成。在燃燒室孔周圍壓制有高回彈性的弧形密封筋，俗稱全筋。當(dāng)全筋被壓縮時儲藏勢能，使密封面上產(chǎn)生的動態(tài)間隙幅度減小，并且補(bǔ)償燃燒室周圍氣缸蓋剛性的差異。在水孔及相應(yīng)孔處壓有傾斜形密封筋。調(diào)整板由碳鋼制成，用來調(diào)整氣缸墊厚度。中板多為彈簧不銹鋼板，用其翻邊寬度形成密封限位片。

圖3 MLS金屬積層型氣缸墊結(jié)構(gòu)示意圖

密封限位片在氣缸墊密封結(jié)構(gòu)中有兩種作用，一是密封，用于密封高壓燃?xì)?；二是限位，限制了弧形密封筋的變形高度，保護(hù)其不被“壓死”，增強(qiáng)耐久性。如果與弧形密封筋重疊放置(形成圖3密封片)就沒有“限位”的作用了，應(yīng)稱其為缸孔環(huán)形密封片或密封片。受力情況如圖4所示，由于上下板的密封筋與密封片重疊，有較高的回彈率，當(dāng)氣缸蓋被爆發(fā)力向上頂起，產(chǎn)生較大間隙時，能快速予以補(bǔ)償，保證密封的可靠性?；⌒蚊芊饨顬榈诙l密封帶。密封筋受力狀態(tài)見圖4。

表1 金屬氣缸墊型號和基本結(jié)構(gòu)

MCS花紋型金屬氣缸墊是20世紀(jì)末期新出現(xiàn)的一種在MLS型基礎(chǔ)改進(jìn)的氣缸墊，其特點(diǎn)是在原密封限位片處的功能層板上壓制各種花紋型密封筋，圖5所示為目前最常用的一種，其省掉了中板和密封限位片或密封片，節(jié)約了材料，而且加工工藝也較曲紋型密封筋簡單。該密封筋剛度好，適應(yīng)較高的壓力，最高應(yīng)力可達(dá)20.58 MPa。具體密封筋形狀可視工況而定。

圖4 密封筋受力圖

弧形筋用于中高壓密封，適用于燃?xì)饷芊狻Ｐ毙谓钣糜谥械蛪好芊?，適用于水油孔密封。當(dāng)燃?xì)獗l(fā)壓力較高、密封面垂直運(yùn)動量增大、形成較大間隙時，密封筋層數(shù)應(yīng)增加。ME型金屬氣缸墊多為單層金屬氣缸墊。用燃?xì)饷芊饨蠲芊馊細(xì)猓脧椥泽w密封水油孔，彈性體硬度為(70±2)HS，變形量約為20%～30%[3]。

圖5 MCS波浪形金屬氣缸墊結(jié)構(gòu)示意圖

MR型金屬氣缸墊采用在缸口處用上板翻邊形成的護(hù)圈密封高壓燃?xì)?，多?shù)在中板的燃燒室孔處壓有弧形或鋸齒狀密封筋。水油孔用弧形或傾斜型密封筋、護(hù)圈及橡膠密封環(huán)密封。氣缸墊的周邊或在適當(dāng)均衡位置處采用弧形筋和設(shè)置支承塊，以確保氣缸墊受力的平衡。采用鉚釘、護(hù)圈或舌形壓條將各層固定。

3.2 燃?xì)饷芊饷鎵旱挠?jì)算

在確定燃?xì)饷芊饨Y(jié)構(gòu)并確定燃?xì)饷芊獍踩禂?shù)之后，進(jìn)行燃?xì)饷芊饷鎵旱挠?jì)算與結(jié)構(gòu)的校核。作為總密封力的缸蓋螺栓預(yù)緊力作用在氣缸體與氣缸蓋的結(jié)合面上，實(shí)現(xiàn)了氣缸墊的總體密封?？偯芊饬Φ钠胶馊缡?1)所示。

FB=EC+FW+FO+FQ

(1)

式中，F(xiàn)W為水孔密封力；FO為油孔密封力；FQ為其他密封力。通常，燃?xì)饷芊饬s占螺栓總壓緊力的60%～70%，設(shè)計(jì)時要對密封面壓分布的均勻性進(jìn)行校對。對于面壓偏低需要強(qiáng)化的部位要變換密封面的寬度和厚度，予以增強(qiáng)和調(diào)整。當(dāng)設(shè)計(jì)計(jì)算時，氣缸墊總密封力應(yīng)與實(shí)際密封力相等或小于實(shí)際密封力才是安全的。

燃?xì)饷芊饷鎵?，即為密封高壓燃?xì)庠诎l(fā)動機(jī)燃?xì)饷芊鈳挝幻娣e上所施加的力，或是在單位燃?xì)饷芊饷娣e上應(yīng)具有的密封力。在長期的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，人們積累了各密封部位的密封面壓值，該值即近似為“許用”密封面壓值，只有符合該值，才能比較好的實(shí)現(xiàn)密封性能，否則就要調(diào)整密封面積Acz。燃?xì)饷芊饷鎵害襝(MPa)的計(jì)算公式如式(2)所示。

σc=(FBCC-σczLcz)/100Acz

(2)

式中，Cc為燃?xì)饷芊饬ο禂?shù)，約60%～70%；σcz為燃?xì)饷芊饩€壓，汽油機(jī)燃?xì)饷芊饩€壓大于等于700 N/cm；柴油機(jī)燃?xì)饷芊饩€壓大于等于1 000 N/cm；Lcz為燃?xì)饷芊饩€總線長；Acz為燃?xì)饷芊饪偯娣e。

根據(jù)實(shí)測的燃?xì)饷芊饷鎵簠⒖贾?，見?。有的學(xué)者用σc/Pm來確定面壓值，對于較高應(yīng)力、高應(yīng)力及普通應(yīng)力的汽油機(jī)與柴油機(jī)，該比值已分別增至20、25、30和25、30、35[5]。

表2 密封面壓參考值

為了解決同一發(fā)動機(jī)的密封，可以有多個設(shè)計(jì)方案，多個密封模型，要注意進(jìn)行方案的比較，并進(jìn)行技術(shù)分析，最終選擇最佳方案。

應(yīng)對氣缸套進(jìn)行機(jī)體變形試驗(yàn)，對氣缸墊樣品進(jìn)行壓緊厚度試驗(yàn)，應(yīng)用FPD-8010E軟件進(jìn)行面壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)等靜態(tài)試驗(yàn)，再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4 密封涂料

多層金屬氣缸墊兩層金屬板之間需有一側(cè)涂以密封涂料，通常用丁腈橡膠、硅橡膠和氟橡膠，以密封金屬鋼帶的微觀不平度，防止流體微觀泄漏。而氣缸墊的外表面由于與比較粗糙的氣缸體、氣缸蓋表面接觸，更應(yīng)涂以密封涂料，在燃燒室孔密封筋及水油孔密封筋處通常用印刷氟橡膠密封。

5 結(jié)語

根據(jù)作者實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對國五、國六排放階段發(fā)動機(jī)上金屬氣缸墊的設(shè)計(jì)做出了簡要介紹，基本原則同樣適用于綠色環(huán)保、節(jié)能、零污染、零排放的空氣動力發(fā)動機(jī)的氣缸墊設(shè)計(jì)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Cylinder-Head Gaskets for Commercial Vehicles[EB/OL].http://www.reinz.com/pictures/39-00330-01CHG-Commercial-Vehicles-e-lowA4.pdf 2009 DANA. 2010-03-06.

[2]Elringklinger.Metalflexmetallayercylinder-headgask[EB/OL].http://www.wilmink.nl/wilmink/product/Elring_zkd_metaloflox_gb.2009-01-09.

[3]Steven K, Colin C, Steve N, et al. Edge molded metal plate(EMMP) cylineder head gaskets[C]. SAE paper 950327.

[4]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第三版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[5]Daniel E，Czern K.高性能氣缸蓋墊片的探討[J]. 國外內(nèi)燃機(jī)，1986(5)：46-49.