可調(diào)式燃燒室模塊在缸蓋鑄件燃燒室高度控制上的運用

可調(diào)式燃燒室模塊在缸蓋鑄件燃燒室高度控制上的運用

堯標(biāo)1唐海云2羅穎洹2

(1.溫州瑞明工業(yè)股份有限公司，浙江 溫州 325000；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

摘要：綜述了燃燒室高度對發(fā)動機性能的影響及燃燒室高度主要影響因素，并運用可調(diào)式燃燒室模塊來實現(xiàn)對缸蓋鑄件燃燒室高度的控制。

關(guān)鍵詞：燃燒室高度；發(fā)動機缸蓋；影響；調(diào)整

收稿日期：2015-06-29

作者簡介：堯標(biāo)(1989—)，男，江西撫州人，從事汽車發(fā)動機鋁鑄件開發(fā)工作。

0引言

壓縮比是反映一臺發(fā)動機性能的重要參數(shù)，直接影響著發(fā)動機的功率、扭矩輸出。保持穩(wěn)定且適當(dāng)?shù)膲嚎s比才能使得發(fā)動機的運轉(zhuǎn)平順和穩(wěn)定。壓縮比是內(nèi)燃機汽缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值，是內(nèi)燃機重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而決定燃燒室容積的主要技術(shù)要求是燃燒室高度。如何控制燃燒室高度并保證其穩(wěn)定性，對燃燒室容積穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用，也直接影響著發(fā)動機的壓縮比，對提高發(fā)動機運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性有著重要的意義。一般而言，發(fā)動機缸蓋在設(shè)計過程中充分考慮到壓縮比，以保證汽車發(fā)動機穩(wěn)定性。在發(fā)動機缸蓋鑄造行業(yè)，燃燒室高度的穩(wěn)定性是一個重要的產(chǎn)品特性參數(shù)，它是保證發(fā)動機缸蓋燃燒室容積的特性，控制燃燒室高度的穩(wěn)定性是產(chǎn)品質(zhì)量及合格率的重要保證。目前發(fā)動機缸蓋一般采用鋁合金材料，鋁合金材料體收縮率大，且缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易在鑄造及熱處理過程中產(chǎn)生變形，使燃燒室高度超差。可調(diào)式燃燒室模塊能在缸蓋變形的基礎(chǔ)上進(jìn)行補償，提高燃燒室高度的穩(wěn)定性。

1燃燒室高度穩(wěn)定性對發(fā)動機的作用

壓縮比與發(fā)動機性能有很大關(guān)系，汽油發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時，吸進(jìn)來的通常是汽油與空氣混合而成的混合氣，在壓縮過程中活塞上行，除了擠壓混合氣使之體積縮小之外，同時也發(fā)生了渦流和紊流兩種現(xiàn)象。當(dāng)密閉容器中的氣體受到壓縮時，壓力是隨著溫度的升高而升高。若發(fā)動機壓縮比較高，壓縮時所產(chǎn)生的汽缸壓力與溫度相對提高，混合氣中的汽油分子能汽化得更完全，顆粒能更細(xì)密，再加上渦流和紊流效果和高壓縮比所得到的密封效果，就能使得在下一刻運動中當(dāng)火花塞跳出火花時混合氣瞬間完成燃燒的動作，釋放出最大的爆發(fā)能量，來成為發(fā)動機的動力輸出。燃燒室容積過大，發(fā)動機壓縮比過小；燃燒室容積過小，發(fā)動機壓縮比過高。當(dāng)同一缸蓋各缸燃燒室高度相差過大時，發(fā)動機單缸壓縮比過大或過小易造成發(fā)動機爆震，影響發(fā)動機性能。

2當(dāng)前發(fā)動機缸蓋設(shè)計對燃燒室高度的要求

直噴式發(fā)動機缸蓋設(shè)計要求每缸燃燒室容積差值控制在±0.5 mL以內(nèi)，以四缸發(fā)動機為例，四缸燃燒室容積最大值與最小值相差不得超過0.5 mL，據(jù)此數(shù)值要求，燃燒室高度差一般控制在±0.3 mm以內(nèi)，高度極差≤0.3 mm；渦輪增壓發(fā)動機燃燒室高度差要求控制在±0.2 mm以內(nèi)，高度極差≤0.25 mm。

3影響燃燒室高度的主要因素

3.1缸蓋材料和結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)開發(fā)的發(fā)動機缸蓋均為鋁合金材料，鋁合金材料收縮率高，變形量大。缸蓋設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚不均勻，在澆鑄和熱處理過程中極易變形，導(dǎo)致燃燒室高度變形量較大，尤其是目前使用在渦輪增壓發(fā)動機缸蓋上的AlSi7Mg0.3鋁合金材料，其Cu含量少，收縮變形量較大，一般缸蓋經(jīng)過熱處理之后，燃燒室高度與熱處理前差值平均可達(dá)0.13 mm。

3.2模具燃燒室高度

由于生產(chǎn)時每個缸燃燒室溫度場均存在差異，每缸的模具燃燒室理論值不一致，需通過調(diào)整模具燃燒室鑲塊，摸索每缸的模具燃燒室高度理論值。因此，模具燃燒室高度也是影響產(chǎn)品燃燒室高度的主要因素之一。

3.3涂料厚度

模具燃燒室不同位置涂料厚度不同不僅影響燃燒室高度，且涂料厚薄不同會直接影響模具燃燒室模塊溫度，溫度差異較大，鋁液收縮不一致，也會影響燃燒室高度。

3.4模具燃燒室溫度

模具燃燒室溫度由水冷系統(tǒng)控制，冷卻水流量的大小會對模具燃燒室溫度造成影響。冷卻水流量越大，模具燃燒室溫度越低，模具燃燒室收縮率越小，對鑄件燃燒室高度影響就越小。反之，模具燃燒室溫度越高，模具燃燒室收縮率越大，對鑄件燃燒室高度影響就越大。

3.5熱處理變形

熱處理對燃燒室高度的影響因素主要有：熱處理工藝、不同的熱處理爐、產(chǎn)品熱處理時的擺放。熱處理時產(chǎn)品的擺放一般為大端朝下，豎直放立。不同的熱處理爐對燃燒室高度是否有影響需要統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)后進(jìn)一步分析。

4采用可調(diào)式燃燒室模塊調(diào)整燃燒室高度的過程

某直列四缸渦輪增壓發(fā)動機燃燒室高度要求為(10±0.2)mm，4個燃燒室高度極差≤0.2 mm，此缸蓋材質(zhì)為AlSi7Mg0.3，Cu含量較低，收縮率較大，容易在凝固和熱處理過程中產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致燃燒室輪廓度和高度差變化較大。此缸蓋體型較大，重13.4 kg，長406.5 mm，寬297.8 mm，高146.5 mm，缸徑φ75 mm，缸心距82 mm，且油腔部位設(shè)計較簡單，結(jié)構(gòu)不利于抵抗熱變形。此缸蓋材料為滿足缸蓋性能要求特別指定，缸蓋設(shè)計已經(jīng)定型，結(jié)構(gòu)已無法大動作變更，故不作變更要求。燃燒室高度穩(wěn)定性能要求，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提升和生產(chǎn)成本的降低，對客戶的供貨計劃也會造成影響。為提升燃燒室高度合格率，通過可調(diào)式燃燒室模塊對燃燒室高度進(jìn)行調(diào)整，在控制涂料厚度、冷卻水流量不變的前提下，對缸蓋熱處理變形進(jìn)行補償。

4.1模具燃燒室高度控制

通過以往缸蓋熱處理后的燃燒室高度分布數(shù)據(jù)，設(shè)定模具燃燒室高度，并進(jìn)行補償。使用三坐標(biāo)檢測儀檢測100件缸蓋經(jīng)熱處理后的燃燒室高度，以3個Z方向基準(zhǔn)面采點建立一個平面，再分別對一至四缸燃燒室高度檢測點進(jìn)行檢測，記錄每缸燃燒室高度。對100組燃燒室高度及其差值(圖1)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)單缸高度數(shù)據(jù)偏移中心值過大時，需對該模具燃燒室高度進(jìn)行補償調(diào)整。

圖1　100件缸蓋數(shù)據(jù)分析

按照設(shè)定的模具燃燒室高度數(shù)據(jù)，通過可調(diào)式燃燒室模塊調(diào)節(jié)燃燒室高度，使用三坐標(biāo)檢測儀通過對燃燒室Z方向粗基準(zhǔn)面采點建面(圖2)，對模具燃燒室模塊燃燒室高度測量點位置進(jìn)行高度檢測(圖3)，調(diào)節(jié)可調(diào)式燃燒室模塊上的調(diào)節(jié)螺桿，將模具燃燒室高度調(diào)整至理論值范圍，模具燃燒室高度檢測公差控制在0.02 mm內(nèi)。

圖2　對燃燒室Z方向粗基準(zhǔn)面采點建面

圖3　高度檢測

4.2涂料控制

模具燃燒室高度調(diào)整合格后，對模具進(jìn)行生產(chǎn)驗證。每次噴涂涂料或補噴涂涂料后，必須使用超聲波覆層測厚儀(圖4)對澆鑄模具粗基準(zhǔn)面和燃燒室高度測量點位置進(jìn)行涂料厚度檢測(圖5)。燃燒室測量點及基準(zhǔn)面的涂料厚度要求為0.05～0.08 mm，在每班生產(chǎn)前對涂料厚度進(jìn)行檢測，并記錄數(shù)據(jù)。

圖4　超聲波覆層測厚儀

圖5　涂料厚度檢測

4.3冷卻水流量控制

通過澆鑄設(shè)備冷卻水系統(tǒng)，設(shè)定單缸冷卻水流量一致，根據(jù)每缸燃燒室溫度調(diào)整每缸冷卻水流量。使用稱重法稱取每缸冷卻水出水重量，以保證每個模具燃燒室模塊溫度保持在范圍內(nèi)。

4.4熱處理變形量控制

采用固定方式擺放缸蓋至熱處理爐中，缸蓋擺放方式、擺放間隙、燃燒室面向需驗證并按照技術(shù)要求控制。

5對燃燒室高度控制的展望

在開發(fā)設(shè)計缸蓋時，需充分考慮缸蓋結(jié)構(gòu)及材料產(chǎn)生變形量的影響，采用變形量較小的鋁合金材料，并采用穩(wěn)定、平衡的結(jié)構(gòu)。在充分保證模具燃燒室涂料厚度、冷卻水流量、熱處理工藝、擺放一致性的同時，通過采用可調(diào)式燃燒室模塊的缸蓋澆鑄模式，可以簡單快捷地調(diào)整模具燃燒室高度，從而得到較為穩(wěn)定的燃燒室高度合格率，降低因燃燒室高度不合格而產(chǎn)生的廢品率，提高經(jīng)濟效益。

當(dāng)前通過可調(diào)式燃燒室模塊調(diào)整燃燒室高度，可以得到98%以上的合格率，但熱處理變形量的問題仍然存在。且在長期生產(chǎn)過程中，燃燒室高度也是不斷變化的，需要長期對該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不斷調(diào)整模具燃燒室高度，來實現(xiàn)燃燒室高度的合理狀態(tài)。而熱處理過程中燃燒室高度變形量大的問題，也需要進(jìn)一步分析進(jìn)而解決。熱處理爐中溫度分布均勻性、缸蓋擺放穩(wěn)定性，熱處理框的平整性要求要更高，從而消除熱處理中溫度不均和擺放不平整對燃燒室高度的影響，這方面的工作還需進(jìn)一步展開。