利用氣缸蓋與進氣歧管集成實現(xiàn)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(shù)產(chǎn)物。但是,其普及度卻掩蓋了其復(fù)雜度。設(shè)計一款動力強勁且安全舒適,并且具有較好經(jīng)濟性的車型是一項極具挑戰(zhàn)性的工作。在過去的25年間,汽車制造商時刻面臨著將環(huán)保目標融入設(shè)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(jīng)濟性的改善作為節(jié)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(yīng)的一個主要影響因素[1]。

影響燃油經(jīng)濟性的重要參數(shù)之一是整備質(zhì)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(yè)主要通過小型化來實現(xiàn)減重,小型化是過去20年成功實現(xiàn)車輛減重所采用的策略,目前這項策略已經(jīng)達到極限。只有通過全新方法才可能實現(xiàn)大幅改進,如取代基礎(chǔ)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(xiàn)緊湊化設(shè)計。

而在商用車領(lǐng)域,小型化目前被認為是提高燃油經(jīng)濟性和減少排放的主要策略之一,是當前商用車發(fā)動機設(shè)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(shù)。這些技術(shù)包括直噴(均質(zhì)壓燃和分層稀薄燃燒)、可變配氣機構(gòu)、可控自燃或均質(zhì)進氣壓縮燃燒(HCCI),以及發(fā)動機小型化。

長期以來,發(fā)動機小型化被認為是提高發(fā)動機效率最為有效的技術(shù)之一。發(fā)動機小型化在一定程度上已經(jīng)實現(xiàn)了性能與效率的理想組合。盡管如此,這種概念在發(fā)動機設(shè)計和生產(chǎn)方面具有一定挑戰(zhàn)性。為了獲得更高的效率,發(fā)動機必須尺寸更小、質(zhì)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(tǒng)、排放管理系統(tǒng)、燃油管理系統(tǒng),以及生產(chǎn)過程中的復(fù)雜度更高。

許多主要設(shè)備制造商(OEM)一直致力于開發(fā)能夠同時用于現(xiàn)有發(fā)動機結(jié)構(gòu)和全新動力裝置的技術(shù)。大排量、多缸發(fā)動機已經(jīng)出現(xiàn)向較小排量、較少氣缸數(shù)發(fā)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(tǒng),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(fā)動機采用的氣缸蓋-排氣歧管集成結(jié)構(gòu)具有很大的發(fā)展?jié)摿Α＿@是一項能夠改善相關(guān)特性及降低成本的雙贏技術(shù)。滿足排放限制是車輛制造商進行動力裝置組合設(shè)計的主要驅(qū)動力。實現(xiàn)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(fā)動機小型化。

VE商用車有限公司(VECV)動力裝置小組已經(jīng)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(jié)果表明,可使動力裝置質(zhì)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(xiàn)了發(fā)動機小型化。

內(nèi)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(jù)氣門正時向不同的氣缸供給空氣。

現(xiàn)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(chǔ)發(fā)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(zhuǎn)換成燃用氣體燃料的狀態(tài),并且可實現(xiàn)對多點燃氣噴射系統(tǒng)的改造。還必須確保獨立單元不會影響現(xiàn)有功能及附加零部件。附加零部件包括噴油系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、機油分離器、襯墊等。還要求采用最少數(shù)量的緊固件加速發(fā)動機的裝配。因此,基礎(chǔ)發(fā)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(tǒng)(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(jié)構(gòu)的高度為82.2 mm,小于現(xiàn)有設(shè)計(圖1)。

圖1 現(xiàn)有進氣系統(tǒng)的設(shè)計和集成化設(shè)計

BORRMAN等人的研究結(jié)果表明,輕量化和小型化的氣缸蓋-進氣歧管集成化結(jié)構(gòu)具有眾多優(yōu)勢。在集成化設(shè)計中,氣缸蓋與進氣歧管之間無漏氣現(xiàn)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(xiàn)較低的制造成本優(yōu)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(dǎo)熱率為60 W/(m K)相比,鋁材料的熱容量較低(2 430 kJ/K),導(dǎo)熱率較高(237 W/(m K)),熱擴散率較高。因此,集成化設(shè)計在冷起動條件下的預(yù)熱時間較短。

1 過程實施

發(fā)動機-氣缸蓋總成的靜態(tài)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(jù)下列條件制定(圖2)：

(1)裝配負荷包括由螺栓初始預(yù)緊,以及發(fā)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(dǎo)致的所有負荷;

(2)燃燒室內(nèi)空-燃混合物燃燒導(dǎo)致的燃氣壓力負荷;

(3)熱負荷主要取決于導(dǎo)熱和對流現(xiàn)象。發(fā)動機-氣缸蓋總成需要承受由于發(fā)動機工作導(dǎo)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(jīng)考慮了等溫分布。

2 有限元模擬

采用預(yù)處理軟件HypermeshTM創(chuàng)建發(fā)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(jù)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(jié)果

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

三次迭代后,新型集成化鋁設(shè)計結(jié)構(gòu)的剛度與現(xiàn)有經(jīng)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(shè)計問題：負荷振幅可預(yù)測并且在零件的壽命周期內(nèi)保持一致;負荷導(dǎo)致的應(yīng)力恰好處于單個負荷循環(huán)的彈性極限內(nèi)。

圖4 現(xiàn)有設(shè)計和集成化設(shè)計的有限元結(jié)果比較

表1 現(xiàn)有設(shè)計與集成化設(shè)計的有限元分析結(jié)果

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

圖5和圖6所示為現(xiàn)有設(shè)計與改造后集成化設(shè)計的疲勞結(jié)果對比。集成化設(shè)計根據(jù)FEMFAT軟件得到的疲勞安全系數(shù)(FOS)為1.6,現(xiàn)有經(jīng)過驗證設(shè)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(shè)計很復(fù)雜,要確定水道的傳熱系數(shù)(HTC),強烈建議進行計算流體動力學(xué)(CFD)分析。但是,CFD分析不在該研究的范疇內(nèi),因為水套設(shè)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(tǒng)的方法,從而縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。該新方法針對這兩種設(shè)計的剛度和疲勞安全系數(shù)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(shè)置

圖5 現(xiàn)有設(shè)計的疲勞結(jié)果

圖6 集成化設(shè)計的疲勞結(jié)果

5 試驗與驗證

5.1 泄漏試驗

圖7所示為材料雜質(zhì)的漏水試驗。在該類試驗中,關(guān)閉這種設(shè)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(zhì),可以輕易發(fā)現(xiàn)并將信息傳輸?shù)较嚓P(guān)部門,用以確保在試驗過程中不存在任何雜質(zhì),以滿足下一階段的設(shè)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(jié)構(gòu)安裝到標準VECV發(fā)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(zhuǎn)向泵等輔助加載裝置。該試驗用于研究發(fā)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(fā)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(jiān)測發(fā)動機的可靠性,以及內(nèi)置零部件的強度、壽命和磨損趨勢。中型用途發(fā)動機的典型試驗周期為900 h(820個循環(huán)),試驗循環(huán)見表3。

表3 VECV標準耐久性試驗循環(huán)

其中,監(jiān)測是強制的。但是,在該概念設(shè)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(huán)周期為900 h(820個循環(huán))。在超速條件下運行循環(huán)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(jié)構(gòu)強度。超速試驗的設(shè)計目的是考慮發(fā)動機在高溫環(huán)境中的性能(高熱負荷)。發(fā)動機必須根據(jù)試驗循環(huán)及諸如冷卻風扇、交流電機、壓氣機和動力轉(zhuǎn)向等輔助加載裝置運行。

新型氣缸蓋-進氣歧管集成化結(jié)構(gòu)完成了900 h(820個循環(huán))的VECV標準耐久性試驗,并且未出現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)和熱性能問題,在耐久性試驗過程中發(fā)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(shè)計在不同轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率。圖9所示為現(xiàn)有設(shè)計與改造設(shè)計的燃油消耗率的比較情況。與現(xiàn)有設(shè)計相比,改造設(shè)計的燃油消耗率略微高出0.5 kg/h。

6 結(jié)論

圖9 2種設(shè)計的燃油消耗率比較

采用鋁氣缸蓋-進氣歧管集成化設(shè)計,可節(jié)約成本達30%,質(zhì)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(shè)計可使輕型商用車的質(zhì)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(shè)計,因此燃油消耗率更低。該新型氣缸蓋設(shè)計改善了產(chǎn)品性能、可靠性和耐久性,并且節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)的時間和成本。

表4 兩種設(shè)計的質(zhì)量和成本比較