不同發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：發動機的適當密封是發動機設計中1個非常重要的要素。發動機即使出現少量的氣體泄漏都會影響到發動機工作過程中的總體性能。準確的擰緊力矩和襯墊設計是提高襯墊密封效率的2個重要因素。根據有限元法，利用商用工具軟件，對諸如冷態裝配、熱態裝配、冷起動和熱點火等不同負載條件下的襯墊接觸壓力分布和氣缸蓋應力進行了模擬。結果表明，在不考慮由氣缸蓋溫度分布導致的熱負荷的情況下，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，當考慮熱負載時，襯墊的最大接觸壓力位置發生改變。

關鍵詞：襯墊接觸壓力螺栓預應力氣缸蓋發動機機體

0前言

發動機機體與氣缸蓋之間襯墊的設計與開發是1個復雜的過程。為了獲得發動機工況下的最佳發動機性能，采用了多種分析工具和試驗方法，以期找出襯墊設計的最優參數。但是研究結果表明，從發動機泄漏的氣體不僅影響到發動機的輸出效率，還會污染環境。因此，通過適當的分析程序和試驗，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，在襯墊設計開發過程中還應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，因此會出現接觸特性方面的問題。螺栓的預應力能夠保持氣缸蓋與氣缸體之間襯墊的密封效率。因此，預應力的應用方法對數值模擬計算非常重要。另一個影響密封效率的關鍵因素是襯墊材料特性，襯墊由多層隔熱材料構成[2]。

1接觸基礎理論

本研究主要關注襯墊密封效率的研究。根據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域出現漏氣的概率極高。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法。但是，懲罰函數法會隨懲罰值的增大而使結果精度下降。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法和拉格朗日乘子法綜合起來，取得了這兩種算法的優點。接觸區域(Γc)增廣拉格朗日法的變分弱解式方程表達如下：

(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。

根據變分計算，式(1)可以轉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。氣缸蓋襯墊是發動機的1個整體組件，需要在發動機運行過程中執行許多功能。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對空氣、冷卻液、燃燒和發動機機油的密封，一定要確保其采用的材料和應用的設計不會與發動機內的燃燒產物，以及各種化學物、冷卻液和機油發生熱反應和化學反應。進行裝配時，氣缸蓋襯墊是發動機總體結構的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力和熱作用力。發動機的應用類型是氣缸蓋襯墊設計的決定性因素。發動機按尺寸劃分，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，其襯墊材料和設計是影響發動機功能壽命周期最為重要的因素。

3襯墊設計

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

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的化學合成材料。

發動機設計在約90～100℃的“常規”溫度范圍內工作。相對穩定的工作溫度對于恰當的排放控制、良好的燃油經濟性和動力性能是絕對必要的。如果發動機過熱或超出其常規工作范圍，溫度升高會導致氣缸蓋出現極端應力，從而導致氣缸蓋襯墊撕裂。對于鋁質氣缸蓋尤為如此，因為，當鋁受熱時，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力會導致氣缸蓋翹曲。反過來，氣缸蓋翹曲還可能導致臨界區域的夾緊力損失，最終導致氣缸蓋襯墊泄漏。

4FE建模

在能生成完整線框的Pro-E軟件中對襯墊的幾

何結構進行了建模。然后將數據轉換成初始圖形交換規范(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　襯墊設計——FE模型

之后，必須使用供應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軟件預處理器的輸入量，采用螺栓預載荷(M14螺栓，17螺紋)作為裝配載荷(冷態條件)，如圖3所示。

圖2　壓紋特性曲線——Ansys軟件的輸入量

為進行CAE結構分析，其余的發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行FE建模，將螺栓作為具有Ansys BEAM 188單元類型的一維單元進行FE建模。

圖3　螺栓預加載具體內容

5結構分析

根據不同種類機理施加的載荷，這種線彈性分析程序可以根據疊加原理進一步劃分成2個加載步驟，用于模擬發動機的各種工作過程。結構分析的最終結果由加載步驟的輸出量組成。

(1) 裝配載荷

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

(2) 氣體壓力

因火花塞點火而產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持續期的不同而變化。對于穩態分析，將平均氣體壓力引入冷起動點火數值模擬的加載條件中。在本研究中，最高平均氣體壓力為17MPa，出現在發動機工作期間的較高轉速工況，預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行約束。然后，對氣缸體在下剖分面的垂直方向上進行約束，并在單一節點的水平方向上進行約束，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，氣缸套也是在單節點上沿切向耦合在氣缸體上。將燃燒密封、石墨環和基體材料在所有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。將有頭螺栓設計成沉入氣缸蓋和氣缸體的形式，這樣就無需進行進一步的耦合。最后，利用PRETS 179元創建每個氣缸蓋有頭螺栓的預緊截面。

7FE分析結果

7.1襯墊材料響應

襯墊材料選項應該用于襯墊接合特性的宏觀研究。重點應該放在接合特性上。如果需要襯墊的詳細結果，則需要創建更為復雜的材料模型。襯墊材料選項無法預測襯墊的響應，但是卻允許工程師輸入材料響應。所以，首先必須通過試驗對襯墊材料的非線性響應進行量化。在Ansys軟件中，采用通厚響應的方式輸入各種非線性襯墊材料的應力-變形量響應，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。襯墊的壓縮應力(通厚)等高線見圖5。與預測結果一致，襯墊在氣缸蓋有頭螺栓周圍出現了局部高載荷情況。但是在圖5中出現了5個用圓圈標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　襯墊接觸壓力結果

圖6　接觸壓力沿缸孔圓周的變化

8挑戰

(1) 氣缸蓋襯墊的精確建模需要1個結構復雜的發動機組件總成。必須特別關注接合界面的網格。

(2) 襯墊材料選項應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。

(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與試驗數據的關聯性

根據VECV公司內部測試團隊進行的試驗，可以找出襯墊中的低接觸壓力位置，即氣體泄漏區域，對CAE結構進行了驗證，如圖7和圖8所示。

圖7　CAE襯墊的接觸壓力結果

圖8　　　　富士膠片試驗結果(4缸4氣門　　　發動機多層鋼氣缸蓋襯墊)

10總結

本研究通過FEA數值模擬完成了發動機工況下的襯墊結構分析。首先，襯墊密封能力主要取決于螺栓的預緊力，因為螺栓是氣缸蓋最大外部載荷的主要來源。但是，由于在不同發動機運行工況下施加在螺栓上的預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，即在不超出發動機結構中每個組件材料強度的前提下增大裝配力的幅度。同時，在設計初期改善襯墊結構的最弱密封區域，這種CAE方法與試驗相互關聯。

11效益

(1) 節約產品開發過程中富士膠片試驗的時間和成本。

(2) 為設計、CAE模擬和驗證建立能夠提高生產率的新流程或新方法。

(3) 縮短襯墊設計中的試驗時間，進而縮短投放市場的時間。

(4) 降低試驗成本，提高生產效益。

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

參考文獻

[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)