發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋跳躍量測(cè)量與氣缸蓋墊片密封性能分析

劉宇恒，項(xiàng)婧孌

（1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部，上海201201；2.上汽通用汽車有限公司武漢分公司產(chǎn)品工程部，武漢430200）

0 引言

為了滿足日趨嚴(yán)格的汽車燃油耗及排放法規(guī)要求，小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸成為各大主機(jī)廠的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)機(jī)型。與此同時(shí)，雙噴射、缸體分離式冷卻、低摩擦等新技術(shù)的應(yīng)用使發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率得以大幅度的提升，隨之而來(lái)的是更大的爆發(fā)壓力和更高的溫度，這無(wú)疑給氣缸蓋墊片的密封能力提出了更高的要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋墊片位于缸體和缸蓋之間，與缸體、缸蓋、缸蓋螺栓等零件共同構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋墊片密封系統(tǒng)[1]。其功能是保證缸體與缸蓋結(jié)合面的良好密封，對(duì)其中的燃燒室、油道和冷卻水道均起著密封作用；同時(shí)防止缸體外的異物進(jìn)入缸體。氣缸蓋墊片的工作環(huán)境十分嚴(yán)苛，需要承受極高的、交變的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。若氣缸蓋墊片密封失效，會(huì)造成燃?xì)庑孤?、油水混合等?yán)重問(wèn)題，甚至導(dǎo)致整機(jī)失效。因此，氣缸蓋墊片的有效設(shè)計(jì)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)尤為重要。

氣缸蓋墊片的有效設(shè)計(jì)是指在開(kāi)發(fā)階段所有的試驗(yàn)驗(yàn)證都能滿足泄漏等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，量產(chǎn)后不引起客戶抱怨。全負(fù)荷耐久試驗(yàn)，冷起動(dòng)試驗(yàn)和熱沖擊試驗(yàn)是考核氣缸蓋墊片密封系統(tǒng)的3個(gè)主要驗(yàn)證項(xiàng)目[2]。全負(fù)荷耐久試驗(yàn)是在穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)下考核氣缸蓋墊片燃燒室密封筋的密封能力，防止燃燒室氣體泄漏；冷起動(dòng)試驗(yàn)是在低溫場(chǎng)下考核發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力和氣缸蓋墊片的密封性能；熱沖擊試驗(yàn)是在瞬態(tài)溫度場(chǎng)下考核氣缸蓋墊片機(jī)油和冷卻液密封筋的密封能力，以及其他與氣缸蓋墊片配合的零件（如缸體、缸蓋、缸蓋螺栓等）設(shè)計(jì)對(duì)氣缸蓋墊片密封性能的影響。根據(jù)熱脹冷縮原理，在交變溫度場(chǎng)下發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋及其他相關(guān)零件的形變量是不同的，而氣缸蓋墊片需要在各接口零件發(fā)生形變的情況下均起到密封作用。相較于全負(fù)荷耐久試驗(yàn)，冷起動(dòng)試驗(yàn)和熱沖擊試驗(yàn)對(duì)氣缸蓋墊片密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的跳躍量和氣缸蓋墊片密封筋的密封力是影響氣缸蓋墊片密封能力的關(guān)鍵因素，也是氣缸蓋墊片密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[3]。目前行業(yè)內(nèi)對(duì)兩者的研究大多使用有限元建模模擬分析，通過(guò)調(diào)整缸體法蘭結(jié)構(gòu)、氣缸蓋墊片支撐結(jié)構(gòu)高度、缸蓋螺栓數(shù)量和分布等相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)得到最優(yōu)氣缸蓋墊片設(shè)計(jì)[4-5]。本文提出一種實(shí)測(cè)上述3種試驗(yàn)工況下缸蓋跳躍量的方法，為氣缸蓋墊片的設(shè)計(jì)提供更加準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。

1 氣缸蓋墊片密封原理和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 密封原理

工作過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)物質(zhì)熱脹冷縮的原理，缸體和缸蓋均會(huì)產(chǎn)生形變。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，燃燒室內(nèi)的爆發(fā)壓力會(huì)不斷作用于缸蓋上，使缸蓋向上移動(dòng)。因爆發(fā)壓力產(chǎn)生的移動(dòng)量和因熱脹冷縮產(chǎn)生的形變量使缸體與缸蓋之間產(chǎn)生一個(gè)離合間隙，這個(gè)離合間隙稱為缸蓋跳躍量。氣缸蓋墊片的設(shè)計(jì)過(guò)程中，線密封力的大小和密封筋壓縮后的回彈區(qū)間都需要根據(jù)缸蓋跳躍量來(lái)決定。

當(dāng)缸蓋螺栓擰緊后，螺栓軸向力使缸體和缸蓋法蘭壓縮氣缸蓋墊片密封筋而產(chǎn)生回彈力，回彈力的反作用力作用于缸體和缸蓋法蘭上，且在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中始終大于被密封的介質(zhì)壓力，從而達(dá)到密封的效果。

氣缸蓋墊片密封筋的失效模式主要為開(kāi)裂泄漏和間隙泄漏2種，如圖1所示。前者是密封筋發(fā)生過(guò)大的壓縮，回彈時(shí)產(chǎn)生的疲勞開(kāi)裂，線密封力隨之下降從而發(fā)生泄漏；后者是密封筋發(fā)生過(guò)大的塑性形變，密封筋回彈后的高度小于缸蓋跳躍量或回彈后的線密封力小于介質(zhì)壓力，從而導(dǎo)致泄漏。

1.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用1臺(tái)3缸小排量渦輪增壓汽油機(jī)作為研究對(duì)象，其氣缸蓋墊片主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：1）功能層，是墊片實(shí)現(xiàn)密封功能的主要結(jié)構(gòu)，由3層厚度均為0.2 mm的不銹鋼鋼板組成，上面分布著全波紋和半波紋的密封筋；2）停止片，缸口區(qū)域激光焊接高度為0.15 mm的停止片，用于調(diào)整墊片的面壓分布；3）支撐結(jié)構(gòu)，帶有一定高度的、基本不可壓縮的硬筋，用于調(diào)整密封筋的壓縮回彈量，提高密封筋的抗疲勞能力；4）全筋和半筋，全筋為密封缸內(nèi)高溫高壓燃?xì)獾闹饕Y(jié)構(gòu)，半筋為密封機(jī)油和冷卻液的主要結(jié)構(gòu)；5）氟橡膠 （FPM），涂敷于與缸體、缸蓋接觸的功能層上下蓋板，厚度為0.2 mm，用于彌補(bǔ)缸體、缸蓋表面的粗糙度，起到微密封的作用；6）丁睛橡膠 （NBR），涂敷于墊片層間，防止層間磨損，同時(shí)有一定的微密封能力。

圖1 氣缸蓋墊片密封筋失效模式

2 缸蓋跳躍量試驗(yàn)分析

2.1 測(cè)量點(diǎn)選取

在專用臺(tái)架設(shè)備上進(jìn)行缸蓋跳躍量試驗(yàn)，采用傳感器來(lái)測(cè)量缸蓋的跳躍量。

首先選取測(cè)量點(diǎn)，在測(cè)量點(diǎn)處打孔安裝位置傳感器。之后按照整機(jī)裝配規(guī)范手工裝配發(fā)動(dòng)機(jī)，保證與當(dāng)前生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)一致性。測(cè)量點(diǎn)的選取應(yīng)盡可能地反映氣缸蓋墊片密封筋附近的缸蓋跳躍量。具體原則如下：1）根據(jù)氣缸蓋墊片計(jì)算機(jī)輔助工程 （computer aided engineering，CAE） 有限元分析結(jié)果，選取缸蓋跳躍量較大的位置；2）根據(jù)前期工廠和售后表現(xiàn)，選取易出現(xiàn)密封問(wèn)題的位置；3）保證發(fā)動(dòng)機(jī)功能的完整性是試驗(yàn)的前提條件，所以測(cè)量點(diǎn)的位置不能離密封筋太近，避免打孔時(shí)造成密封筋貫穿，影響密封性能。結(jié)合以上3點(diǎn)，選取了8個(gè)點(diǎn)作為此次缸蓋跳躍量的測(cè)量位置，如圖2所示。以進(jìn)氣側(cè)定位銷孔為坐標(biāo)原點(diǎn)，8個(gè)測(cè)量點(diǎn)的具體坐標(biāo)如表1所示。其中5號(hào)測(cè)量點(diǎn)的傳感器測(cè)量缸蓋水平位移，其它7個(gè)測(cè)量點(diǎn)的傳感器均測(cè)量缸蓋垂直位移。設(shè)置1個(gè)水平位移測(cè)量點(diǎn)的原因是在爆發(fā)壓力作用下，缸蓋除了垂直方向跳動(dòng)外亦在水平方向發(fā)生位移，使缸蓋螺栓承受一定的剪切力；所以水平位移的監(jiān)測(cè)對(duì)氣缸蓋墊片密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是具有一定意義的。

圖2 缸蓋跳躍量測(cè)量點(diǎn)位置

表1 缸蓋跳躍量測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)

2.2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

2.2.1 全速全負(fù)荷耐久試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷，轉(zhuǎn)速?gòu)? 200 r/min逐漸提高至5 500 r/min，轉(zhuǎn)速增加速度為每90 s提高400 r/min。在轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，4 400 r/min和5 200 r/min時(shí)分別測(cè)量8個(gè)測(cè)量點(diǎn)的缸蓋跳躍量，如圖3所示。

觀察數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，各點(diǎn)的缸蓋跳躍量均隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大。同時(shí)，進(jìn)氣側(cè)的缸蓋跳躍量整體大于排氣側(cè)。由于排氣側(cè)溫度較高，導(dǎo)致缸體和缸蓋的變形量較大，缸蓋跳躍量理應(yīng)大于進(jìn)氣側(cè)；但出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是得益于支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。由于支撐結(jié)構(gòu)是帶有一定高度的、幾乎不可壓縮的硬筋，其支撐作用，導(dǎo)致密封筋的壓縮量變小，回彈量隨之變小，使得密封筋具有更加優(yōu)良的抗疲勞能力。在氣缸蓋墊片的設(shè)計(jì)初期，就根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和CAE分析結(jié)果在不同的密封筋處設(shè)計(jì)了不同高度的支撐結(jié)構(gòu)，排氣側(cè)高于進(jìn)氣側(cè)，這使得密封系統(tǒng)的平衡被打破，排氣側(cè)擁有了更大的線密封力和更小的缸蓋跳躍量。缸蓋跳躍量的最大值出現(xiàn)在5 200 r/min時(shí)的2號(hào)測(cè)量點(diǎn)處，最大跳躍量?jī)H為7.7 μm。因此，可以認(rèn)為在全速全負(fù)荷工況下氣缸蓋墊片的缸蓋跳躍量較低，安全符合設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 冷起動(dòng)試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)在-40℃環(huán)境冷起動(dòng)，全負(fù)荷工況運(yùn)行，轉(zhuǎn)速?gòu)? 200 r/min逐漸提高至5 500 r/min，轉(zhuǎn)速提高速度分為慢速和快速2種，慢速為每90 s提高400 r/min，快速為每1 s提高616 r/min。分別測(cè)量8個(gè)測(cè)量點(diǎn)在這2種轉(zhuǎn)速提高速率工況下的缸蓋跳躍量，每種工況各測(cè)2組，得到如圖4所示結(jié)果。

轉(zhuǎn)速提高快慢與缸蓋跳躍量的大小無(wú)直接關(guān)聯(lián)，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于全負(fù)荷狀態(tài)，節(jié)氣門全開(kāi)，燃燒室爆發(fā)壓力基本一致。缸蓋跳躍量的最大值依然出現(xiàn)在2號(hào)測(cè)量點(diǎn)，最大值為21.6 μm。此外，轉(zhuǎn)速提高速率對(duì)進(jìn)氣側(cè)缸蓋跳躍量的影響明顯大于排氣側(cè)，這仍然得益于支撐結(jié)構(gòu)的作用。對(duì)比冷起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和全速全負(fù)荷耐久試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，相同的轉(zhuǎn)速提高速率，冷起動(dòng)的缸蓋跳躍量明顯大于常溫起動(dòng)，溫度變化對(duì)缸蓋跳躍量有較大影響。

圖3 全速全負(fù)荷耐久試驗(yàn)缸蓋最大跳躍量

圖4 冷起動(dòng)試驗(yàn)缸蓋最大跳躍量

2.2.3 熱沖擊試驗(yàn)

熱沖擊試驗(yàn)采用較復(fù)雜的循環(huán)工況，具體如下：1）發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)且達(dá)到全負(fù)荷后運(yùn)行90 s，期間轉(zhuǎn)速?gòu)? 200 r/min逐漸提高至5 500 r/min，然后進(jìn)入升溫過(guò)程，8 min后冷卻液降溫至初始溫度，停機(jī)；2）發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)且達(dá)到全負(fù)荷后運(yùn)行300 s，期間轉(zhuǎn)速?gòu)? 200 r/min逐漸提高至5 500 r/min，然后進(jìn)入升溫過(guò)程，8 min后冷卻液降溫至初始溫度，停機(jī)；3）發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)且達(dá)到全負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速以616（r/min）/s的速度從1 200 r/min逐漸提升至5 500 r/min，然后讓冷卻液逐漸升溫至90℃，在此溫度下繼續(xù)運(yùn)行8 min，隨后冷卻液降至室溫，停機(jī)；4）發(fā)動(dòng)機(jī)常溫起動(dòng)且達(dá)到全負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速以616（r/min）/s的速度從1 200 r/min逐漸提升至5 500 r/min，然后在90℃冷卻液環(huán)境中運(yùn)行8 min，隨后轉(zhuǎn)速逐漸降低至1 200 r/min；5）發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)下，運(yùn)行90 s，期間轉(zhuǎn)速?gòu)? 200 r/min逐漸提高至5 500 r/min，隨后冷卻液降溫至冷起動(dòng)狀態(tài)，停機(jī)。

測(cè)量3組熱沖擊工況的缸蓋跳躍量數(shù)據(jù)，如圖5所示。

在熱沖擊工況下，3組缸蓋跳躍量的測(cè)量值基本一致，最大的缸蓋跳躍量為2號(hào)測(cè)量點(diǎn)的20.7 μm。進(jìn)氣側(cè)的平均缸蓋跳躍量仍然大于排氣側(cè)，與前文2個(gè)試驗(yàn)結(jié)果保持一致。

綜合上述3個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大缸蓋跳躍量為2號(hào)測(cè)量點(diǎn)的21.6 μm，其它區(qū)域的缸蓋跳躍量均不超過(guò)15 μm，符合氣缸蓋墊片的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

（1）基于氣缸蓋墊片密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，采用缸蓋跳躍量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)可有效評(píng)定氣缸蓋墊片的密封性能，為降低氣缸蓋墊片泄漏提供了理論指導(dǎo)。

（2）缸蓋跳躍量試驗(yàn)可用于實(shí)測(cè)不同工況下的缸蓋最大跳躍量，可反映氣缸蓋墊片密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)氣缸蓋墊片密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

圖5 熱沖擊試驗(yàn)缸蓋最大跳躍量