利用氣缸蓋與進氣歧管集成實現動力裝置小型化和輕量化的模擬研究

【印度】 S.K.KANDREEGULA J.TIKOLIYA H.NISHAD

0 前言

汽車毫無疑問是本世紀的技術產物。但是,其普及度卻掩蓋了其復雜度。設計一款動力強勁且安全舒適,并且具有較好經濟性的車型是一項極具挑戰性的工作。在過去的25年間,汽車制造商時刻面臨著將環保目標融入設計所帶來的日益增長的壓力,特別是消費者和政府把燃油經濟性的改善作為節約燃油和控制污染的一種方式。汽車的CO2排放約占CO2總排放的1/4,是溫室效應的一個主要影響因素[1]。

影響燃油經濟性的重要參數之一是整備質量。車輛越輕,車輛加速所需的功率越小,維持固定車速所需的能量越少。通常,汽車行業主要通過小型化來實現減重,小型化是過去20年成功實現車輛減重所采用的策略,目前這項策略已經達到極限。只有通過全新方法才可能實現大幅改進,如取代基礎碳鋼,采用輕量化材料制造車身,將多個零部件集成為一個整體,以減少摩擦損失,從而實現緊湊化設計。

而在商用車領域,小型化目前被認為是提高燃油經濟性和減少排放的主要策略之一,是當前商用車發動機設計的核心[2]。

近年來,為了提高工作效率,汽車工程師嘗試了大量技術。這些技術包括直噴(均質壓燃和分層稀薄燃燒)、可變配氣機構、可控自燃或均質進氣壓縮燃燒(HCCI),以及發動機小型化。

長期以來,發動機小型化被認為是提高發動機效率最為有效的技術之一。發動機小型化在一定程度上已經實現了性能與效率的理想組合。盡管如此,這種概念在發動機設計和生產方面具有一定挑戰性。為了獲得更高的效率,發動機必須尺寸更小、質量更輕,同時能夠輸出處于可接受水平的功率,并且在不影響燃油效率和排放水平的情況下改善性能。這通常意味著熱管理系統、排放管理系統、燃油管理系統,以及生產過程中的復雜度更高。

許多主要設備制造商(OEM)一直致力于開發能夠同時用于現有發動機結構和全新動力裝置的技術。大排量、多缸發動機已經出現向較小排量、較少氣缸數發展的趨勢,并且在保持一定的功率和平順性的同時,通過采用強制進氣、直噴,以及在某些情況下采用停缸系統,極大地提高了工作效率。

福特歐洲動力裝置研究部的一項研究表明,渦輪增壓發動機采用的氣缸蓋-排氣歧管集成結構具有很大的發展潛力。這是一項能夠改善相關特性及降低成本的雙贏技術。滿足排放限制是車輛制造商進行動力裝置組合設計的主要驅動力。實現目標的重要步驟是引入分層燃燒或可控自燃等新型汽油燃燒方法,以及引入發動機小型化。

VE商用車有限公司(VECV)動力裝置小組已經在輕型商用車上進行了鋁氣缸蓋與進氣歧管的集成化研究。結果表明,可使動力裝置質量減少約25 kg,百公里CO2排放減少約2 g。在當前的研究中,通過集成進氣歧管與氣缸蓋實現了發動機小型化。

內燃機的進氣歧管通常布置在進氣道和空氣濾清器之間,將該高壓容腔作為喘振箱,根據氣門正時向不同的氣缸供給空氣。

現有的進氣歧管和氣缸蓋罩是獨立制造的,并分別安裝在基礎發動機上,利用大量緊固件將搖臂、進排氣門和凸輪軸封裝在其中。需要將進氣歧管和氣缸蓋罩作為獨立的單元。這樣就可將柴油機轉換成燃用氣體燃料的狀態,并且可實現對多點燃氣噴射系統的改造。還必須確保獨立單元不會影響現有功能及附加零部件。附加零部件包括噴油系統、點火系統、機油分離器、襯墊等。還要求采用最少數量的緊固件加速發動機的裝配。因此,基礎發動機總成上需要安裝的是進氣歧管總成和氣門罩模塊,這兩個部件將作為獨立單元提供,可為多點順序燃氣噴射系統(MpSgi)、火花塞和機油分離器提供更多安裝空間。

新型集成化氣缸蓋-進氣歧管結構的高度為82.2 mm,小于現有設計(圖1)。

圖1 現有進氣系統的設計和集成化設計

BORRMAN等人的研究結果表明,輕量化和小型化的氣缸蓋-進氣歧管集成化結構具有眾多優勢。在集成化設計中,氣缸蓋與進氣歧管之間無漏氣現象,可以完全移除進氣歧管襯墊。通過移除諸如進氣歧管襯墊和8個螺栓等多余零部件可以實現較低的制造成本優勢。此外,無需采用鎳材料,使裝配過程所需的時間大幅減少。

與鑄鐵材料(熱容量為3 354 kJ/K,導熱率為60 W/(m K)相比,鋁材料的熱容量較低(2 430 kJ/K),導熱率較高(237 W/(m K)),熱擴散率較高。因此,集成化設計在冷起動條件下的預熱時間較短。

1 過程實施

發動機-氣缸蓋總成的靜態分析按照KANDREEGULA等人制定的過程實施。作用在該總成上的負荷根據下列條件制定(圖2)：

(1)裝配負荷包括由螺栓初始預緊,以及發動機襯墊、氣缸蓋和進氣歧管之間各粗糙表面的標準摩擦接觸導致的所有負荷;

(2)燃燒室內空-燃混合物燃燒導致的燃氣壓力負荷;

(3)熱負荷主要取決于導熱和對流現象。發動機-氣缸蓋總成需要承受由于發動機工作導致的周期性變化的熱負荷。對于當前的分析,在初始階段已經考慮了等溫分布。

2 有限元模擬

采用預處理軟件HypermeshTM創建發動機氣缸體-氣缸蓋總成有限元模型,將ANSYS用作解算器的程序表。根據KANDREEGULA等人制定的方法進行有限元模擬。用于模擬各種總成零部件的有限元實體見圖3。

圖2 負荷條件流程圖

圖3 有限元模擬流程圖

3 模擬結果

施加所有結構負荷,包括設計中的裝配負荷(接觸和螺栓擰緊扭矩)、峰值發火壓力和溫度負荷。檢查這兩種設計的剛度,即現有鑄鐵設計和集成化鋁設計(圖4)。

三次迭代后,新型集成化鋁設計結構的剛度與現有經過驗證的鑄鐵剛度值基本相當(表1)。

4 疲勞分析

疲勞壽命法(S-N法)通常用于以下設計問題：負荷振幅可預測并且在零件的壽命周期內保持一致;負荷導致的應力恰好處于單個負荷循環的彈性極限內。

圖4 現有設計和集成化設計的有限元結果比較

表1 現有設計與集成化設計的有限元分析結果

影響疲勞壽命的因素包括應力數量級(平均值、振幅)及表面質量(劃痕、尖角過渡、銳緣),如表2所列。

圖5和圖6所示為現有設計與改造后集成化設計的疲勞結果對比。集成化設計根據FEMFAT軟件得到的疲勞安全系數(FOS)為1.6,現有經過驗證設計的疲勞FOS為1.8。該疲勞FOS高于VECV的目標疲勞FOS值(目標值為1.1)。

由于氣缸蓋和曲軸箱水套的設計很復雜,要確定水道的傳熱系數(HTC),強烈建議進行計算流體動力學(CFD)分析。但是,CFD分析不在該研究的范疇內,因為水套設計并未改變,因此該研究無需進行燃燒模擬,或在整個氣缸蓋上考慮等溫分布。采用一種新的有限元模擬方法取代傳統的方法,從而縮短產品研發周期。該新方法針對這兩種設計的剛度和疲勞安全系數進行了逐一比較。

表2 FEMFAT軟件對疲勞壽命影響因素以及采用的分析設置

圖5 現有設計的疲勞結果

圖6 集成化設計的疲勞結果

5 試驗與驗證

5.1 泄漏試驗

圖7所示為材料雜質的漏水試驗。在該類試驗中,關閉這種設計進口與出口之間的高壓氣道,如果在該部分存在任何材料雜質,可以輕易發現并將信息傳輸到相關部門,用以確保在試驗過程中不存在任何雜質,以滿足下一階段的設計要求。

圖7 集成化氣缸蓋的漏水試驗

5.2 耐久性試驗

將氣缸蓋-進氣歧管集成化結構安裝到標準VECV發動機試驗臺上,用于實施VECV標準耐久性試驗(圖8),該試驗臺上還配備了風扇、交流電機、壓氣機和動力轉向泵等輔助加載裝置。該試驗用于研究發動機性能、零部件性能,以及試驗過程中觀察到的問題。

圖8 耐久性試驗(發動機和試驗裝置照片)

該試驗的目的是通過長時間、中等強度的加速試驗監測發動機的可靠性,以及內置零部件的強度、壽命和磨損趨勢。中型用途發動機的典型試驗周期為900 h(820個循環),試驗循環見表3。

表3 VECV標準耐久性試驗循環

其中,監測是強制的。但是,在該概念設計實施過程中,步驟3在高怠速條件下進行,其他步驟不受影響。步驟3和步驟4基本相同。試驗循環周期為900 h(820個循環)。在超速條件下運行循環時,超速的主要目的是加速磨損,通過提高峰值氣缸壓力(PCP)和噴油量測試機械和熱結構強度。超速試驗的設計目的是考慮發動機在高溫環境中的性能(高熱負荷)。發動機必須根據試驗循環及諸如冷卻風扇、交流電機、壓氣機和動力轉向等輔助加載裝置運行。

新型氣缸蓋-進氣歧管集成化結構完成了900 h(820個循環)的VECV標準耐久性試驗,并且未出現任何結構和熱性能問題,在耐久性試驗過程中發動機性能良好。

5.3 燃油消耗率試驗

在VECV標準耐久性試驗條件下測量2種設計在不同轉速下的燃油消耗率。圖9所示為現有設計與改造設計的燃油消耗率的比較情況。與現有設計相比,改造設計的燃油消耗率略微高出0.5 kg/h。

6 結論

圖9 2種設計的燃油消耗率比較

采用鋁氣缸蓋-進氣歧管集成化設計,可節約成本達30%,質量減輕40%,并且獲得更佳的疲勞性能(25%～30%),見表4。該集成化設計可使輕型商用車的質量減少約25 kg,百公里CO2排放減少約2 g。由于無需采用昂貴的合金、進氣歧管襯墊和螺栓(16#),因此制造成本較低。由于采用了輕量化設計,因此燃油消耗率更低。該新型氣缸蓋設計改善了產品性能、可靠性和耐久性,并且節約了產品開發的時間和成本。

表4 兩種設計的質量和成本比較