發動機缸體缸孔變形量優化及應用

豆剛，陸榮榮，潘月成，阮仁宇

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發動機缸體缸孔變形量優化及應用

豆剛，陸榮榮，潘月成，阮仁宇

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

隨著汽車工業的發展，經濟性和動力性是人們選購車輛時重點的考慮因素，也成為了汽車精品化過程中必須解決的關鍵問題。而缸孔變形量的大小影響了燃油消耗率也對排放有一定的影響。文章簡述了缸孔變形的原因、對部分參數進行優化并對優化的結果進行了測試和分析。

缸孔；缸體；變形量；柴油機；階次

前言

缸孔變形量過大會導致活塞環與缸孔壁面不能良好接觸、出現間隙，燃氣就會從間隙處泄漏，導致輸出功率降低，燃油消耗率增加。同時，機油也容易從間隙處竄入燃燒室在高溫下裂解甚至燃燒，產生大量有害顆粒，使排放不能達標。

現有某柴油機需要進行排放和性能升級，由國四排放升級至國五排放，需要對發動機缸體進行重新設計開發。與國四柴油機相比，性能升級后的國五柴油機需要更大的爆發壓力和平均有效壓力，也就需求更大的螺栓預緊力來壓緊氣缸墊和缸蓋，這些都將導致了發動機的缸孔變形更加嚴重。所以，在缸體的初期設計時，著重對缸體缸孔變形量的參數進行了優化，以解決變形量過大帶來的問題。

1 優化方案

優化缸孔變形量一般主要從五個方面進行優化：降低缸墊的剛性、加深螺栓擰緊位置、增加缸體的壁厚、增加缸體頂層的厚度以及提升缸體的強度。結合整個項目開發的實際情況以及對其他零部件及油耗排放的影響。本次缸孔變形量優化主要從以下幾個方面進行：

→增加螺栓擰緊深度；

→增加缸體缸孔部位強度，降低水套深度；

→增加缸體整體強度，裙部由原來的直線-半圓連接優化為圓弧連接。

2 結果分析

國四和國五的缸體除了上述結構上的變化外，還有一個重要的變化點是國五的缸蓋螺栓的最小螺栓擰緊力增大了7500N.m。為了驗證結構優化和加工優化對缸孔變形量提升的影響，共檢測了四組數據。

※A組：國四缸孔變形量數據

※B組：國四缸體增加螺栓擰緊力數據

※C組：國五+淺缸蓋螺栓孔量數據

※D組：國五+深缸蓋螺栓孔量數據

從檢測結果來看，國五缸體的缸孔變形量在螺栓力增大的情況下，依然有很大的提升且全部滿足設計要求。為了更加深入的了解不同參數變化對缸孔變形量的影響，對以上四組數據進行更加深入的分析。從四組數據對比中發現，五階和六階的數據均變化不大且都比標準值小很多，所以以下分析主要針對二三四階的變化。

2.1 螺栓軸力對缸孔變形量的影響

從A組和B組的數據對比中可以看出，增大軸力使得缸孔整體受力變大，將導致缸孔變形增大，從圖中看出其對二階和四階的影響最明顯。

圖1 AB組二階缸孔變形量對比

圖2 AB組三階缸孔變形量對比

圖3 AB組四階缸孔變形量對比

2.2 缸體結構優化對缸孔變形量的影響

從A組和C組的數據對比中可以看出，優化后的國五缸體在二階、三階、四階均與國四相近，且部分數據要比國四數據更大。分析出現這種現象的原因：首先，從針對國五優化的三個方面來看，由于缸孔變形量檢測的是靜止狀態下缸孔的變化，在缸體油底殼面及進排氣側沒有安裝其它附件。所以針對裙部強度的優化雖然理論上能夠提升缸孔變形量，但是在檢測過程中是無法體現的，即淺螺栓狀態的國五缸體唯一的變化點就是水套深度降低了。其次，我們知道二階、三階及四階最大的變形量一般都分布在靠近火力面的位置，基本都在火力面到缸蓋螺栓旋入最底的位置之間。綜上，國四和國五淺螺栓缸體從火力面至螺栓旋入最底位置之間的結構上沒有太大的變化，導致缸孔變形量數據差別很小。相反由于國五的水套深度比國四的還要淺，導致缸孔下半部分部變形減小，使得變形集中在缸孔上半部分，導致最大缸孔變形量數值不降反增。

圖4 AC組二階缸孔變形量對比

圖5 AC組三階缸孔變形量對比

圖6 AC組四階缸孔變形量對比

2.3 螺栓深度對缸孔變形量的影響

從C組和D組的數據對比來看，在增加了螺栓軸力的前提下，二階缸孔變形量依然有很大的改善且全部都在標準值以下，三階優化的結果基本上與軸力增加帶來的影響相抵消，四階受軸力影響最大，但依然在標準值以下。

國五最終狀態的螺栓擰入深度在水套最低點之下，導致螺栓力傳遞到了水套底面以下的實體部分，消減了很大一部分的缸孔變形量。而缸孔上半部分都處于螺栓光桿位置，變形量受到螺栓與螺栓孔之間力的影響變小，從而直接造成了二階和三階缸孔變形量減小。

圖7 CD組二階缸孔變形量對比

圖8 CD組三階缸孔變形量對比

圖9 CD組四階缸孔變形量對比

2.4 整體優化結果對比

圖10 AD組二階缸孔變形量對比

圖11 AD組三階缸孔變形量對比

圖12 AD組四階缸孔變形量對比

從A組和D組的數據對比來看，這次的優化已經達到了預期的設計目標：國五缸體各階次的缸孔變形量均在標準值以下，滿足設計要求。另外，從實測缸孔變形量的方法來看，對缸體裙部強度進行結構優化的設計成果未能在缸孔變形量的檢測中得到驗證。但是從理論分析的角度來看，改善了裙部的強度對缸孔變形量改善必然會有所幫助。

3 結論

綜上所述，通過對四組缸孔變形量數據的對比，可以得出以下結論：

（1）螺栓軸力的增大會導致缸孔變形量變大，其中對二階和四階表現最為明顯；

（2）針對水套深度的優化，在不配合螺栓深度的前提下對缸孔變形量貢獻很小；

（3）優化后的國五缸體在螺栓軸力增大的前提下，缸孔變形量依然比優化前好，能夠滿足設計要求。

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Optimization and Application of Cylinder Bore Deformation

Dou Gang, Lu Rongrong, Pan Yuecheng, Ruan Renyu

（Technical Center of Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

As the auto industry develops, economic and power performance are now customers’ focus consideration, and are key factors that must be done during vehicle upgrading. This paper briefly describes the reasons of cylinder bore deformation, and optimizes some parameters and then the optimization is tested and analyzed.

cylinder bore;cylinder block;deformation;diesel engine;order

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1671-7988(2018)24-53-03

U472.43

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豆剛，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.017