缸蓋集成排氣的設計開發及試驗驗證

周大權，胡景彥，鄭曉峰，郭如強

(1.浙江錢江摩托車股份有限公司,浙江溫嶺 317500；2.寧波市鄞州德來特技術有限公司，浙江寧波 315100;)

0 引言

國家四階段油耗法規、國六排放法規的實施，內燃機節能減排的壓力越來越大。各種先進技術的采用一方面增加了內燃機成本壓力，同時又不能獲得較佳的效果，很多先進技術的性價比不高。缸蓋集成排氣技術是缸蓋鑄造技術上的一次大突破，缸蓋+排氣歧管一體實現集成鑄造。目前該技術成為了國六排放標配技術，對發動機冷啟動排放降低效果極佳，冷啟動時間可以縮短6 s。同時可以讓發動機高速高負荷工況空燃比提升近15%，實現了節能減排綜合效果，最重要的是還可以進一步降低發動機成本(對于一款常規四缸汽油機，成本降低150元左右)。在不久的將來，該項技術一定會大范圍鋪開應用。

目前缸蓋集成排氣正向設計開發流程國內僅掌握在幾家優秀的設計開發服務公司手中。作者采用正向設計開發手段，結合成熟的CAE模擬分析進行氣道性能CFD分析、噴霧燃燒分析、冷卻分析、疲勞強度分析、模態分析等。缸蓋開模前，進行氣道芯盒樣件制作，采用氣道芯盒進行氣道試驗驗證，滿足目標要求再組織缸蓋開模試制；缸蓋合格樣件制造完成后，進行相關試驗測試，包括缸蓋零部件本體試驗，也包括缸蓋裝配于發動機進行臺架試驗，主要包括缸蓋氣道試驗、冷卻流量分配試驗、缸蓋溫度場試驗、排氣溫度試驗、發動機功率、扭矩、油耗、排放等性能試驗。

1 集成排氣缸蓋的設計開發介紹

1.1 集成排氣缸蓋設計開發流程

以缸蓋集成排氣正向設計為要求，進行正向設計開發流程說明，從指定開發目標，經過設計階段、CAE分析、實驗驗證等，如圖1所示。

圖1 缸蓋集成排氣開發流程

完善的正向開發流程、合理的分析計算、嚴格的標準規范，只有這樣才能保證產品的質量和性能。

1.2 集成排氣缸蓋設計開發思路

缸蓋集成排氣設計開發首先要完成合理設計，包括氣道、燃燒室，尤其是集成排氣道，同時要考慮鑄造加工工藝性，也要考慮冷卻、溫度、疲勞等可靠性。設計思路是要保證設計合理、噴霧燃燒性能優越、冷卻可靠、工藝制造可行等，如圖2所示。

1.3 集成排氣缸蓋總體效果

縝密的設計開發流程和合理的設計開發思路，造就了集成排氣缸蓋各方面較佳的效果。包括以下幾個主要方面：冷啟動縮短催化器起燃時間、提升高速高負荷空燃比范圍、提升排氣溫度幅值、降低整機制造成本等，達到進一步節能減排效果，如圖3、圖4所示。

圖2 缸蓋集成排氣開發思路

圖3 性能提升效果

圖4 成本降低效果

2 集成排氣缸蓋正向3D設計過程

3D正向設計需要遵循TOP-DOWN的設計造型原則，及至頂向下的設計方法。首先確定骨架線，其次造型要按照每個零部件結構進行分區、造型過程要按照零部件實際制作過程開展模具、加工、裝配等，實現零部件全參數化建模，實現零部件分塊建模、正向開發。下面重點介紹集成排氣缸蓋正向3D設計過程。

2.1 缸蓋骨架設計

缸蓋骨架的制作是缸蓋設計的基礎，也是關鍵，缸蓋骨架的制作要根據整機估計發布的布置關系，同時體現缸蓋標準坐標系、結構關鍵參數、位置、尺寸等。圖5為缸蓋骨架線制作示意圖。

對照組患者進行常規內瘺穿刺,持續時間為6個月。觀察組患者給予品管圈護理,持續時間也為6個月,分析觀察兩組患者內瘺穿刺點滲血發生率的變化情況。品管圈護理措施具體如下。

圖5 缸蓋骨架線

2.2 進氣道設計

圖6是進氣道設計示意圖。進氣道設計包括進氣道線型的設計、進氣道截面積設計、噴油器安裝設計、拔模設計、壁厚設計、流通性校核、滾流比校核等，保證氣道結構可行性、性能最優化。

2.3 排氣道設計

圖7是排氣道設計示意圖。排氣道設計與進氣道設計類似，同樣包括排氣道線型的設計、排氣道截面積設計、拔模設計、壁厚設計、流通性校核，排氣道無氣流組織性要求，但集成排氣缸蓋排氣冷卻設計非常關鍵，與缸蓋的冷卻效果和可靠性緊密相關，排氣道的設計關鍵是在保證流通性和制造性前提條件下，要做到較好的可靠性，滿足機械和熱雙重疲勞強度要求。

圖6 進氣道設計

圖7 排氣道設計

2.4 噴霧設計

目前為實現油耗排放及動力性最佳匹配，內燃機基本都采用高壓35 MPa噴射技術。缸內直噴技術的應用，需要對噴霧進行合理設計，噴霧設計也成為了缸蓋設計內容的核心，如圖8所示。

圖8 噴霧設計

2.5 燃燒室設計

氣道、噴霧最佳設計效果最終體現在燃燒上，燃燒室的設計需要體現最佳的面容比、氣流輔助引導、較高的擠氣強度。實現這些效果需要活塞頂、噴油器位置選配、火花塞位置選配等合理設計，同時還需考慮制造可行性。圖9為燃燒室設計示意圖。

圖9 燃燒室設計

2.6 集成排氣冷卻設計

集成排氣的冷卻設計是可靠性核心，也是缸蓋集成排氣的設計核心和難點。目前國內鑄造比較成熟的冷卻形式為縱流式，排氣集成冷卻設計需要關注的是熱負荷較高的部位冷卻加強，一般集成排氣與雙節溫器聯合使用才會達到最佳的冷卻和冷啟動排放效果。采用了集成排氣機構，水流最高點一般都在發動機排氣頂部，一般會預留排氣孔，保證冷卻水及時排除氣體，不影響冷卻效果和引起失效問題。圖10為集成排氣冷卻設計示意圖。

圖10 冷卻設計

2.7 潤滑設計

目前市場上采用缸蓋集成排氣技術的內燃機機型，都是先進技術的代表，基本開發時間都在近幾年，這樣的發動機技術一般采用的潤滑油路也具有最佳的油壓響應速度，所以基本采用中置VVT布置，缸蓋油路簡短，壓損小，響應快速。圖11為潤滑設計示意圖。

圖11 潤滑設計

2.8 模具設計

缸蓋模具設計根據缸蓋結構形式，進行模具分塊設計，分為氣道砂芯模具、水套砂芯模具、油芯砂芯模具、燃燒室鋼模、外模，之后再進行模具裝配。圖12為模具設計結構示意圖。

圖12 模具設計

2.9 缸蓋成品裝配

缸蓋模具設計完成后，進入到缸蓋加工設計過程。根據加工需要采用合適刀具進行機加設計，設計過程中盡量采用常規刀具，對于特殊需求需要定制成型刀具。加工完成后進行缸蓋模具、加工成品、封堵零部件等產品裝配。圖13為缸蓋成品裝配示意圖。

圖13 缸蓋成品裝配

3 缸蓋集成CAE分析

3.1 缸蓋氣道CFD計算分析

3.1.1 進氣道CFD計算分析

氣道的設計是缸蓋設計的重點，進氣道設計又是重中之重，所以氣道合理設計是保證缸蓋性能、提升發動機節能減排效果的重要項。

圖14為進氣道CFD計算分析示意圖，包括流速、流場、流量系數計算，也包括氣道氣流組織性計算，氣道滾流比、湍動能、渦流比等計算結果。

3.1.2 排氣道CFD計算分析

排氣道CFD計算分析僅開展流通性計算，排氣道性能最主要的是流通性。對于增壓發動機，同時也要考察排氣道出口流速，能夠滿足低速扭矩和增壓器響應性要求，如圖15所示。

圖14 進氣道CFD計算分析

圖15 排氣道CFD計算分析

3.2 缸內流動CFD計算分析

缸內流動計算主要體現了發動機氣道、燃燒室、活塞頂等的燃燒系統氣流組織性瞬態結果，瞬態滾流比、瞬態湍動能以及最佳發生曲軸轉角位置。圖16為缸內流動計算結果。

圖16 缸內流動計算結果

3.3 噴霧計算分析

噴霧計算主要針對于缸內噴射的機型，目前重點為缸內直噴機型，高壓噴射35 MPa。噴霧計算的重要性主要是因為目前高壓噴射在國內技術空白，噴油器噴霧特性數據欠缺，工程經驗不足，所以需要對高壓噴射噴油特性進行測試匯總，需要對噴霧特性進行匹配校核。氣流、噴霧、燃燒最佳配合才能達到最佳的混合燃燒效果，才能體現內燃機動力性、經濟性和排放性能。

圖17 噴霧計算結果

3.4 冷卻計算分析

缸蓋集成排氣冷卻設計決定了缸蓋可靠性、強度疲勞性能。冷卻系統的評估重點關注水流量分配、流場分布、缸蓋關鍵部位冷卻以及缸蓋傳熱效果等，如圖18所示。

圖18 冷卻計算結果

3.5 潤滑計算分析

缸蓋潤滑系統的分析主要體現在中置VVT的布置使用、VVT油路和零部件更換，需要對整個系統油壓、流量進行計算分析，確認壓力和流量滿足設計要求，如圖19所示。

3.6 熱疲勞計算分析

缸蓋集成排氣冷卻設計決定了缸蓋可靠性、強度疲勞性能。冷卻系統的評估重點關注水流量分配、流場分布、缸蓋關鍵部位冷卻以及缸蓋傳熱效果等，如圖20所示。

圖20 熱疲勞計算結果

4 缸蓋集成排氣2D設計

4.1 DFMEA

設計失效模式是保證產品設計成功的主要手段。DFMEA(Design Failure Mode and Effects Analysis)的使用保證了結構風險及時預警，包括缸蓋材料使用、噴油器安裝要求、關鍵安裝要求、關鍵配合要求、關鍵加工要求。同時保證了性能風險大大降低，包括氣道性能、燃燒室性能、密封性能、潤滑性能、冷卻性能、呼吸系統性能等等。圖21所示為DFMEA示意圖。

4.2 缸蓋材料選擇

不同于傳統缸蓋普通鋁合金材料，集成排氣缸蓋對材料的要求大大提升，材料的機械性能提升、熱處理等級提高、散熱要求提高。目前采用的比較可行的集成排氣缸蓋材料執行德國標準，材料的成本主要體現是Al、Si、Cu、Mg，目前熱處理等級達到T6～T7。圖22所示為發動機外特性試驗結果。

圖21 DFMEA

圖22 缸蓋材料

4.3 主要設計基準

設計基準是2D設計基礎內容，缸蓋基準包括粗基準和精基準兩類，粗基準和精基準的定義決定了加工尺寸鏈公差，基準的定義也影響其他尺寸的標注，如圖23所示。

圖23 設計基準

4.4 關鍵尺寸

缸蓋加工的關鍵尺寸一般都采用專用刀具，保證加工精度和配合誤差，如圖24所示。

圖24 關鍵尺寸

主要的加工包括氣道吼口修型加工、噴油器安裝孔加工、火花塞孔加工、氣門座圈加工以及相關的合體加工等。

4.5 技術條件

集成排氣缸蓋技術條件(見圖25)主要包括材料定義、氣道性能要求，其他定義接近于傳統缸蓋技術要求。

5 試驗驗證

5.1 氣道性能試驗

氣道芯盒試驗驗證設計階段氣道性能是否滿足要求。氣道芯盒試驗驗證大大降低了缸蓋模具風險，缸蓋樣件氣道試驗確定缸蓋氣道量產后性能水平，保證發動機整機性能。圖26所示為氣道試驗示意圖。

圖25 集成排氣缸蓋技術條件

圖26 氣道試驗

5.2 冷卻流量試驗

冷卻流量分配試驗主要是考察水流流動狀態,觀察是否存在氣泡、渦旋死區等，同時測試流量分配，測量水泵供水能力，增加傳感器可以測量得到需要位置的流量數據，也具有壓力檢測能力，可以測量各個關鍵位置水壓力分布，可以得到流量及分配是否滿足基礎的冷卻需求，如圖27所示。

圖27 冷卻流量試驗

5.3 缸蓋溫度場試驗

缸蓋溫度場試驗主要考察缸蓋可靠性和熱疲勞狀態，在缸蓋關鍵部位安裝測量溫度傳感器，運行發動機測試關鍵工況，得到缸蓋關鍵部位溫度分布。通過測試結果能夠判斷出缸蓋溫度場分布，可以得到缸蓋溫度和分布是否滿足設計要求。圖28所示為缸蓋溫度場試驗示意圖。

圖28 缸蓋溫度場試驗

5.4 排氣溫度試驗

缸蓋排氣溫度試驗分為排氣氣體溫度試驗和缸蓋集成排氣關鍵點溫度采集。排氣溫度決定了空燃比的數據，排氣溫度低，排氣溫度余量大，空燃比就越接近標準空燃比，有利于油耗和排放。集成排氣道溫度反映了缸蓋排氣測熱疲勞性能。圖29所示為排氣溫度試驗示意圖。

圖29 排氣溫度試驗

5.5 發動機整機試驗

發動機整機試驗主要考察缸蓋集成排氣產品的整機性能體現，主要是高速高負荷空燃比變稀，有利于排放和油耗，尤其是國六WLTP工況排放考察高負荷段。中高負荷排溫降低，有利于可靠性和發動機經濟性，如圖30所示。

圖30 發動機整機試驗

6 結論與建議

通過上述缸蓋集成排氣整個設計過程的闡述，集成排氣的缸蓋設計具有較好的先進性和后續市場推廣前景，集成排氣缸蓋正向完善的設計開發也需要后續成熟應用，尤其是集成排氣缸蓋設計、CAE分析、相關試驗驗證緊密結合，形成集成排氣缸蓋完善的開發方法、規范和流程。