船用大缸徑柴油機(jī)氣缸蓋的冷卻優(yōu)化設(shè)計(jì)

任雪美，黃皓，黃念劬

(中船動(dòng)力研究院有限公司，上海 201206)

0 前言

船用柴油機(jī)氣缸蓋的冷卻性能對(duì)氣缸蓋的使用壽命至關(guān)重要。在柴油機(jī)的工作過程中，氣缸蓋承受因高溫燃?xì)猱a(chǎn)生的很高的交變負(fù)荷，其火焰面位置的熱疲勞失效問題尤其突出[1-4]。因此，在設(shè)計(jì)氣缸蓋時(shí)，需要在火焰面上方布置冷卻水孔對(duì)火焰面進(jìn)行冷卻，盡可能地降低火焰面溫度，否則較高的溫度會(huì)引起熱應(yīng)力，超出材料許用極限的溫度甚至?xí)沟貌牧系牧W(xué)性能急劇下降，影響缸內(nèi)的燃燒過程和燃?xì)獾呐欧盘匦訹5-10]。

當(dāng)高壓空氣通過啟動(dòng)閥的高壓空氣通道進(jìn)入燃燒室時(shí)，啟動(dòng)閥與高溫、高壓的燃?xì)庵苯咏佑|，貫穿氣缸蓋的承壓面。為了保證氣缸蓋溫度的均勻分布并維持在材料許用范圍內(nèi)，氣缸蓋火焰面上方均勻布置的冷卻水孔需要橫穿過啟動(dòng)閥安裝孔。因此，在拆卸啟動(dòng)閥或者啟動(dòng)閥損壞時(shí)可能導(dǎo)致冷卻水的泄漏。以某船用四行程大缸徑中速柴油機(jī)為例，開展氣缸蓋冷卻的優(yōu)化研究，通過有限元方法對(duì)不同的冷卻方案進(jìn)行對(duì)比分析，以獲得合適的冷卻方法。

1 存在的問題

為了冷卻氣缸蓋火焰面，并得到相對(duì)均勻的溫度分布，氣缸蓋火焰面上方四周布置了冷卻水孔，分別對(duì)氣缸蓋鼻梁區(qū)、氣缸蓋閥座進(jìn)行冷卻，如圖1所示。

圖1 氣缸蓋冷卻水孔

冷卻水穿過了啟動(dòng)閥安裝孔，在啟動(dòng)閥正常工作的前提下，啟動(dòng)閥與氣缸蓋的錐面密封可以有效地保證冷卻水不會(huì)泄漏到燃燒室。當(dāng)啟動(dòng)閥出現(xiàn)損壞進(jìn)而破壞了密封面，冷卻水可能通過圖2所示的錐面流到燃燒室；同時(shí)，在拆卸啟動(dòng)閥時(shí)，需要先排干凈氣缸蓋中的冷卻水，否則也會(huì)出現(xiàn)冷卻水泄漏的情況。

圖2 冷卻水示意圖

2 氣缸蓋仿真模型

通過有限元方法分析不同的冷卻方案對(duì)氣缸蓋溫度的影響。建立氣缸蓋組件的有限元模型，包括氣缸蓋、氣缸套、啟動(dòng)閥組件、閥桿和閥座等，如圖3所示。針對(duì)氣缸蓋和啟動(dòng)閥的冷卻設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在不同的冷卻方案設(shè)計(jì)完成后，需要將氣缸蓋冷卻水孔和啟動(dòng)閥的局部有限元模型同步更新。需要注意的是，氣缸蓋模型在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)保證接觸位置的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，以便得到更加精確的求解結(jié)果。

圖3 氣缸蓋組件的有限元模型

3 冷卻方案

3.1 方案1

方案1在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，取消啟動(dòng)閥周圍的冷卻水孔，同時(shí)取消啟動(dòng)閥上用來密封冷卻水的2處密封圈，取消接觸面。另外，將啟動(dòng)閥與氣缸蓋之間錐面密封更改為平面密封，以降低加工難度。其余設(shè)計(jì)保持不變，如圖4所示。

圖4 氣缸蓋及啟動(dòng)閥的冷卻方案1

通過仿真計(jì)算得到的氣缸蓋火焰面溫度如圖5所示。由圖5可以看出：處于高溫燃?xì)饬鞒鑫恢玫?排氣道之間的鼻梁區(qū)最高溫度為355 ℃；而啟動(dòng)閥附近的鼻梁區(qū)最高溫度達(dá)到了410 ℃，明顯高于其余3處鼻梁區(qū)，接近材料溫度的許用極限(420 ℃)。此外，啟動(dòng)閥孔附近位置的溫度梯度過高，與其余位置的溫度梯度差異太大，火焰面的溫度分布不合理，氣缸蓋的可靠性大大降低。

圖5 方案1的氣缸蓋火焰面溫度

由以上分析可知，冷卻水孔直接冷卻火焰面，對(duì)氣缸蓋火焰面上方的承壓面溫度有著顯著的影響。該方案雖然從結(jié)構(gòu)上直接解決了冷卻水泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，但是會(huì)使得氣缸蓋的整體性能下降。

3.2 方案2

由于直接取消冷卻水孔，取消啟動(dòng)閥冷卻的方法使得氣缸蓋局部溫度過高，因此方案2考慮擴(kuò)大火焰面上方的冷卻水腔來加強(qiáng)冷卻效果。

在方案1的基礎(chǔ)上，向著火焰面方向擴(kuò)大氣缸蓋水腔。由于可以擴(kuò)充的水腔與噴油器孔相鄰，并且位于進(jìn)、排氣閥座之間，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮水腔周圍的壁厚，保證擴(kuò)充水腔方案的設(shè)計(jì)能夠滿足氣缸蓋的最小壁厚(15 mm)要求，否則會(huì)嚴(yán)重影響氣缸蓋的性能。

最終得到的設(shè)計(jì)方案如圖6所示，模型面剖面如圖7所示。

圖6 氣缸蓋及啟動(dòng)閥的冷卻方案2

圖7 方案2的模型剖面

計(jì)算得到的氣缸蓋火焰面溫度如圖8所示。擴(kuò)充水腔后氣缸蓋最高溫度下降了10 K左右，最高溫度的位置未發(fā)生變化，火焰面溫度分布不均勻的問題依然存在。與原方案相比，方案2為了保證氣缸蓋的壁厚，擴(kuò)大后的冷卻水腔與火焰面之間的距離最小達(dá)到45 mm，依然大于原方案中冷卻水孔到火焰面的距離；同時(shí)，冷卻水在氣缸蓋水腔擴(kuò)充區(qū)域的流動(dòng)性比在冷卻水孔的流動(dòng)性差。

圖8 方案2的氣缸蓋火焰面溫度

由于冷卻水孔到火焰面的距離和冷卻水的流動(dòng)性都會(huì)影響冷卻效果，所以擴(kuò)大冷卻水腔的方法能夠幫助降低氣缸蓋火焰面溫度，但并沒有明顯的效果，不能很好地解決氣缸蓋溫度分布不均勻的問題。

3.3 方案3

由以上分析可知，擴(kuò)大冷卻水腔并不能有效地降低氣缸蓋溫度，反而會(huì)使得氣缸蓋承壓面的力學(xué)性能下降；同時(shí)，為了保證氣缸蓋的可靠性，啟動(dòng)閥周圍的冷卻水孔無法取消。

最終考慮在啟動(dòng)閥外圍增加襯套，為保證氣缸蓋的壁厚，需要擴(kuò)大啟動(dòng)閥安裝孔。優(yōu)化后的氣缸蓋和啟動(dòng)閥組件如圖9所示，冷卻水孔保持不變，啟動(dòng)閥襯套通過螺紋安裝在氣缸蓋，襯套上方采用密封圈密封，襯套底部采用螺紋密封，同時(shí)向上抬升啟動(dòng)閥以保證襯套螺紋區(qū)域的壁厚，確保襯套的可靠性。計(jì)算得到的氣缸蓋火焰面溫度如圖10所示。

圖9 氣缸蓋及啟動(dòng)閥的冷卻方案3

圖10 氣缸蓋溫度分布對(duì)比

由圖10可以看出：相比于原方案，方案3的氣缸蓋火焰面最高溫度為353 ℃，整體溫度分布比較均勻，并且與原方案的溫度結(jié)果基本一致。因此，增加襯套并擴(kuò)大啟動(dòng)閥安裝孔的方案基本具有可行性。

4 對(duì)比分析

4.1 溫度對(duì)比

為詳細(xì)分析氣缸蓋的溫度分布，抽取以上3種方案的溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出：取消氣缸蓋火焰面上方的冷卻水孔之后，方案1和方案2的P1、P2位置溫度急劇上升，而保持冷卻水孔不變時(shí)，氣缸蓋火焰面的溫度處在穩(wěn)定狀態(tài)；同時(shí)，修改啟動(dòng)閥孔周圍的結(jié)構(gòu)對(duì)氣缸蓋其他位置的溫度影響不大。

圖11 不同方案的溫度對(duì)比曲線

4.2 應(yīng)力對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證方案3的可靠性，將設(shè)計(jì)優(yōu)化前后氣缸蓋的主應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出：燃?xì)夤r下，優(yōu)化前后的主應(yīng)力分布情況基本一致，應(yīng)力集中的位置主要出現(xiàn)在噴油器孔和啟動(dòng)閥孔的底部。改進(jìn)后，啟動(dòng)閥孔附近的應(yīng)力狀態(tài)有明顯改善。

圖12 氣缸蓋應(yīng)力分布對(duì)比

5 結(jié)語

氣缸蓋火焰面上方的冷卻水孔布置是影響氣缸蓋整體溫度的關(guān)鍵因素，布置均勻的冷卻水孔能使氣缸蓋溫度分布均勻。

冷卻水腔的結(jié)構(gòu)也影響著氣缸蓋溫度，然而小范圍的結(jié)構(gòu)改動(dòng)對(duì)氣缸蓋溫度分布的影響較小。

以某船用四行程大缸徑中速柴油機(jī)為研究對(duì)象，在保持冷卻水孔布置的基礎(chǔ)上增加啟動(dòng)閥襯套，并且小范圍的縮小水腔結(jié)構(gòu)，可以解決啟動(dòng)閥損壞或者拆卸時(shí)可能出現(xiàn)的冷卻水泄漏問題，同時(shí)又保證了柴油機(jī)氣缸蓋的可靠性。該方案可為船用大缸徑柴油機(jī)氣缸蓋冷卻及啟動(dòng)閥改進(jìn)等設(shè)計(jì)提供一定參考。