國五、國六階段發動機金屬氣缸墊的設計

(杭州內燃機缸墊有限公司，浙江 杭州 310004)

圖1 由氣缸墊引起的影響節能與減排的因素

0 前言

氣缸墊是在高溫高壓和脈動負荷條件下工作的，其密封的流體(燃氣、潤滑油和冷卻液)的物理性能和化學性能差別極大，所處的環境極其苛刻。氣缸墊、發動機和密封流體三者之間的相互作用，相互制約的結果，會影響發動機的工作壽命。由于金屬氣缸墊結構先進、機械強度高，應力松弛微小，回彈力突出，密封性強，其應用變得越來越廣泛。目前新開發的發動機，已經完全采用金屬氣缸墊。實踐證明，只有應用金屬氣缸墊并通過嚴格的可靠性設計，才能保證發動機長期的可靠密封，達到國五、國六的排放要求。

1 由氣缸墊引起的影響節能與減排的因素分析

在氣缸墊設計過程中，工程師們通常以是否會經常出現故障、影響排放等因素來考慮問題，具體細節見圖1。根據作者多年從事氣缸墊設計工作的體會，只要嚴格按金屬氣缸墊設計規范進行可靠性設計，復合型氣缸墊出現的問題完全可以徹底解決，并且達到排放的標準。

2 國五、國六階段發動機上的氣缸墊總體設計

氣缸墊總體設計的核心是保證發動機密封的可靠性。設計氣缸墊需要與發動機整體設計同步進行，便于根據發動機的特性和結構強度確定金屬氣缸墊類型(圖2)和燃氣密封結構(表1)，即確定整體設計方案，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)，金屬護圈型(MR)，金屬壓制花紋型(MCS)結構。然后計算與平衡面壓，使發動機各相關部件機械變形減小，熱負荷均勻，穩定可靠。同時也便于進行系列化設計。如將發動機的安裝方向從縱向改為橫向或擴缸增大功率，氣缸墊則只需改變中間層板水孔和密封筋尺寸，設計制造可以系列化，降低開發成本。為防止燃燒室燃燒死區現象出現，燃燒室孔直徑公差應控制在正值0.3～0.5 mm之間。

圖2 氣缸墊類型的確定

嚴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，國家標準規定在±0.02以內，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。多缸發動機的缸套凸出量，即便是用選配的方法也難保證其一致性。為此，設計燃燒室密封部位時，尤其是缸套臺肩部位，要采用彈性密封筋，調整缸套凸出量的差異。

由于發動機設計時氣缸體結構不均，運轉時機械負荷和熱負荷加劇了應力的不平衡，在螺栓壓緊力和氣缸墊的影響下，缸套和缸筒會產生變形現象。即便是加工后的靜態氣缸體，裝上氣缸墊并壓緊之后也會產生缸套變形。因此，應注意調整螺栓受力狀態，例如將兩顆螺栓中間部位的密封筋變窄，缸套上螺栓的應力作用在機體上，從而減少變形。

當氣缸蓋被壓緊時，其中間部位即發生微微向上翹曲現象。燃氣爆發后將產生較大的翹曲，尤其是多缸發動機沿水平軸方向，在氣缸蓋的中間部位，翹曲更加明顯。發動機也常常因受力不均出現氣缸蓋偏斜情形。設計時應對兩端和偏斜一側，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計過程中，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，部分放置其外，單獨密封。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，或用橡膠環密封。

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

3 燃氣密封結構設計及面壓計算

3.1 燃氣密封結構設計

燃氣密封結構設計關鍵是建立起密封高壓燃氣的“密封帶”，在密封帶上形成的密封面壓能充分地、持久地密封高壓燃氣，使排放達標。

MLS金屬積層氣缸墊是應用最普遍的一種結構[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。當全筋被壓縮時儲藏勢能，使密封面上產生的動態間隙幅度減小，并且補償燃燒室周圍氣缸蓋剛性的差異。在水孔及相應孔處壓有傾斜形密封筋。調整板由碳鋼制成，用來調整氣缸墊厚度。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構示意圖

密封限位片在氣缸墊密封結構中有兩種作用，一是密封，用于密封高壓燃氣；二是限位，限制了弧形密封筋的變形高度，保護其不被“壓死”，增強耐久性。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，應稱其為缸孔環形密封片或密封片。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，當氣缸蓋被爆發力向上頂起，產生較大間隙時，能快速予以補償，保證密封的可靠性。弧形密封筋為第二條密封帶。密封筋受力狀態見圖4。

表1 金屬氣缸墊型號和基本結構

MCS花紋型金屬氣缸墊是20世紀末期新出現的一種在MLS型基礎改進的氣缸墊，其特點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，適應較高的壓力，最高應力可達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，適用于燃氣密封。斜形筋用于中低壓密封，適用于水油孔密封。當燃氣爆發壓力較高、密封面垂直運動量增大、形成較大間隙時，密封筋層數應增加。ME型金屬氣缸墊多為單層金屬氣缸墊。用燃氣密封筋密封燃氣，用彈性體密封水油孔，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構示意圖

MR型金屬氣缸墊采用在缸口處用上板翻邊形成的護圈密封高壓燃氣，多數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、護圈及橡膠密封環密封。氣缸墊的周邊或在適當均衡位置處采用弧形筋和設置支承塊，以確保氣缸墊受力的平衡。采用鉚釘、護圈或舌形壓條將各層固定。

3.2 燃氣密封面壓的計算

在確定燃氣密封結構并確定燃氣密封安全系數之后，進行燃氣密封面壓的計算與結構的校核。作為總密封力的缸蓋螺栓預緊力作用在氣缸體與氣缸蓋的結合面上，實現了氣缸墊的總體密封。總密封力的平衡如式(1)所示。

FB=EC+FW+FO+FQ

(1)

式中，FW為水孔密封力；FO為油孔密封力；FQ為其他密封力。通常，燃氣密封力約占螺栓總壓緊力的60%～70%，設計時要對密封面壓分布的均勻性進行校對。對于面壓偏低需要強化的部位要變換密封面的寬度和厚度，予以增強和調整。當設計計算時，氣缸墊總密封力應與實際密封力相等或小于實際密封力才是安全的。

燃氣密封面壓，即為密封高壓燃氣在發動機燃氣密封帶單位面積上所施加的力，或是在單位燃氣密封面積上應具有的密封力。在長期的設計實踐中，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，才能比較好的實現密封性能，否則就要調整密封面積Acz。燃氣密封面壓σc(MPa)的計算公式如式(2)所示。

σc=(FBCC-σczLcz)/100Acz

(2)

式中，Cc為燃氣密封力系數，約60%～70%；σcz為燃氣密封線壓，汽油機燃氣密封線壓大于等于700 N/cm；柴油機燃氣密封線壓大于等于1 000 N/cm；Lcz為燃氣密封線總線長；Acz為燃氣密封總面積。

根據實測的燃氣密封面壓參考值，見表2。有的學者用σc/Pm來確定面壓值，對于較高應力、高應力及普通應力的汽油機與柴油機，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

為了解決同一發動機的密封，可以有多個設計方案，多個密封模型，要注意進行方案的比較，并進行技術分析，最終選擇最佳方案。

應對氣缸套進行機體變形試驗，對氣缸墊樣品進行壓緊厚度試驗，應用FPD-8010E軟件進行面壓試驗，水壓試驗等靜態試驗，再根據試驗結果進行改進設計。

4 密封涂料

多層金屬氣缸墊兩層金屬板之間需有一側涂以密封涂料，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 結語

根據作者實際設計經驗對國五、國六排放階段發動機上金屬氣缸墊的設計做出了簡要介紹，基本原則同樣適用于綠色環保、節能、零污染、零排放的空氣動力發動機的氣缸墊設計。

參 考 文 獻

[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]機械設計手冊編委會. 機械設計手冊(第三版)[M].北京：機械工業出版社，2004.

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