雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋設(shè)計(jì)研究

劉宗輝

摘 要：工業(yè)化進(jìn)程速度的不斷加快以及工業(yè)技術(shù)不斷創(chuàng)新與發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)提出新的要求。然而，氣缸蓋作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要的組成部分之一，承受著強(qiáng)烈的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，其性能地位重要性不言而喻。氣缸蓋的設(shè)計(jì)要求需要滿足實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的剛度和強(qiáng)度，還要具備優(yōu)良的密封性能和工藝性能。本文對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的設(shè)計(jì)進(jìn)行針對(duì)性的分析與探析，通過(guò)采取一系列科學(xué)化的方法與途徑解決不同類型的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功能作用最大化具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)方面意義。

關(guān)鍵詞：雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；氣缸蓋；設(shè)計(jì)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，石油的消耗數(shù)量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃料逐步延伸到天然氣等資源。氣缸蓋為了適應(yīng)實(shí)際各種各樣的燃料的使用，需要對(duì)氣缸蓋的規(guī)格要求方面提出高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。同時(shí)，技術(shù)不斷創(chuàng)新與發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有的性能無(wú)法滿足當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)需求，氣缸蓋承受不同類型的負(fù)荷越來(lái)越接近極限值。通過(guò)利用現(xiàn)代化的技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行優(yōu)化，有利于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，本文討論了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的設(shè)計(jì)。

1 氣缸蓋的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)核心零件。主要用于密封氣缸，形成受高溫高壓氣體影響的燃燒空間。因此，氣缸蓋受到嚴(yán)重的機(jī)械負(fù)荷和極高的熱負(fù)荷。為了順利實(shí)現(xiàn)氣缸的密封性能，必須充分保證氣缸蓋的質(zhì)量，不得發(fā)生損壞和變形。一般來(lái)說(shuō)，氣缸蓋對(duì)強(qiáng)度和剛度方面具有高標(biāo)準(zhǔn)的要求。一般來(lái)說(shuō)，氣缸蓋的工作狀態(tài)是：①在工作環(huán)節(jié)中，氣缸蓋受到氣體的燃燒，承受著螺栓較大的預(yù)緊力，機(jī)械應(yīng)力較大。②由于結(jié)構(gòu)方面的復(fù)雜性，溫度效應(yīng)不平衡，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)可能引起裂紋和變形。因此，氣缸蓋的設(shè)計(jì)要求如下：①必須有足夠的剛度和強(qiáng)度，無(wú)變形，密封性效果好。②科學(xué)設(shè)計(jì)氣門和氣道，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。③具有較高的工藝性能，平衡力，防止熱裂現(xiàn)象發(fā)生。

2 氣缸蓋的設(shè)計(jì)方法

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，氣缸蓋的可靠性需要特別注意，尤其是氣門應(yīng)力集中的問(wèn)題。為了提高其可靠性，有效解決了鼻梁橋的裂縫等問(wèn)題，可通過(guò)底板和擋板結(jié)構(gòu)，冷卻油噴嘴，缸蓋內(nèi)部冷卻水循環(huán)等幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)缸蓋的可靠性。本研究是采用少量的柴油點(diǎn)火效果，以使用天然氣高效發(fā)動(dòng)機(jī)為主。設(shè)計(jì)目標(biāo)是將氣缸蓋與氣體混合后的氣體加入氣道進(jìn)入燃燒室，入口位置選擇應(yīng)在很大程度上靠近燃燒室，這樣可以實(shí)現(xiàn)單缸進(jìn)氣，也可實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣沖程中關(guān)閉閥進(jìn)入燃燒室，可有效避免“回火”現(xiàn)象，最終確保發(fā)動(dòng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋設(shè)計(jì)

3.1 材料選擇

氣缸蓋結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，需要選擇鑄造方法進(jìn)行制造。根據(jù)制造工藝、操作和設(shè)計(jì)要求，材料選擇應(yīng)滿足理想的鑄造性能、高熱強(qiáng)度和高機(jī)械強(qiáng)度的要求。氣缸蓋底部是燃燒室的一部分，其可靠性非常重要，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有著關(guān)鍵性作用。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣缸蓋上的機(jī)械負(fù)荷主要來(lái)自螺栓預(yù)緊力、燃燒壓力等，此外還受高溫影響，溫度分布不平衡。由于冷卻液的存在，內(nèi)部也受到電化學(xué)腐蝕的影響，疲勞損傷的影響容易產(chǎn)生裂紋。因此，氣缸蓋材料不僅具有良好的抗疲勞性能、高溫拉伸性能，而且具有良好的耐腐蝕性。為了滿足上述要求，本文選用了既具有力學(xué)性能又具有鑄造性能的蠕墨鑄鐵。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于氣缸蓋，不僅受燃燒壓力的影響，還受熱負(fù)荷的影響。這種要求提高氣缸蓋的機(jī)械性能，要考慮從底板會(huì)有一定的厚度，底板越厚，在機(jī)械負(fù)荷的影響下，效果越好；但我們也要考慮熱應(yīng)力的影響下，底板太厚，會(huì)影響冷卻液的使用效果，很難迅速帶走熱量，從而使冷熱側(cè)溫差較大，隨著熱應(yīng)力的增大，熱損傷也隨之增大，因此為了減小熱應(yīng)力，底板不能太厚。通過(guò)以上分析，采用“薄壁強(qiáng)背”設(shè)計(jì)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)底板厚度進(jìn)行了科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。中間隔板也作了相應(yīng)的修改，改為“浴槽形狀”，機(jī)械負(fù)荷主要由中間隔板吸收。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了結(jié)構(gòu)形式，增強(qiáng)了后支撐，減少了中間隔斷的厚度，從而提高了強(qiáng)度和可靠性。中間隔板分散了底板上的機(jī)械載荷，有效地減小了單位面積的受力，使底板上的機(jī)械載荷迅速傳遞到其它位置，有效地提高了氣缸蓋的可靠性。氣缸蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使螺栓的預(yù)緊力和燃燒室的壓力更均勻地分布在相應(yīng)配件的結(jié)合面上，使力更加平衡，密封性能顯著提高。

水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)在鼻橋區(qū)域鉆孔來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于鼻梁區(qū)域最容易受到熱應(yīng)力的影響，因此此處的冷卻非常重要。冷卻水進(jìn)入內(nèi)腔后，經(jīng)過(guò)四個(gè)直徑為10毫米的孔，到達(dá)噴油器安裝孔的中間，達(dá)到可靠的冷卻效果。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還實(shí)現(xiàn)了高溫后的低溫區(qū)，即先用冷卻水冷卻噴油器周圍的高溫區(qū)等，降低相應(yīng)范圍內(nèi)的溫度，再將氣缸蓋上部的低溫區(qū)完成冷卻。這使得溫度盡可能平衡。為了降低噴油嘴工作時(shí)的熱負(fù)荷，延長(zhǎng)噴油嘴的使用壽命，設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)制冷卻方法，即通過(guò)循環(huán)燃油進(jìn)行冷卻，優(yōu)化了噴嘴冷卻油道的朝向，并在氣缸蓋內(nèi)部進(jìn)行了設(shè)計(jì)，不僅能達(dá)到良好的冷卻效果，而且有效地避免了油的泄漏，減少漏油產(chǎn)生污染現(xiàn)象的發(fā)生。為了使天然氣和增壓空氣在燃燒室前混合，提出了一種天然氣噴射管設(shè)計(jì)方案，也可用于實(shí)現(xiàn)天然氣單缸噴射控制。與傳統(tǒng)的氣缸蓋相比，本設(shè)計(jì)在進(jìn)氣位置增加了一根天然氣進(jìn)氣管，使天然氣能夠在靠近燃燒室的進(jìn)氣閥前注入，與增壓空氣混合，最后進(jìn)入燃燒室，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了單缸天然氣的缸內(nèi)噴射效果。根據(jù)文丘里原理，天然氣噴射管的制作，在直徑上是上大下小，天然氣通過(guò)后，可進(jìn)一步加快流速，有效改善天然氣與空氣的混合效果，使之更加平衡，有助于改善燃燒效率。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)相關(guān)要求，耐久性試驗(yàn)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)200小時(shí)的時(shí)間，并且在試驗(yàn)完成后拆卸并檢查發(fā)動(dòng)機(jī)。結(jié)果表明，改進(jìn)后的氣缸蓋在穩(wěn)定性和可靠性方面均有明顯提高，并實(shí)現(xiàn)了天然氣與增壓空氣的預(yù)混合，可有效滿足雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行要求。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油資源消耗的增加，燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的使用也擴(kuò)展到天然氣等資源。這對(duì)氣缸蓋提出了新的要求，氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵的部件之一，不僅承受高熱負(fù)荷，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也就是說(shuō)，氣缸蓋的性能與發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能密切相關(guān)。本文研究了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋，通過(guò)優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高其機(jī)械性能，并且其承受熱負(fù)荷的能力也相應(yīng)提高，通過(guò)對(duì)進(jìn)氣口進(jìn)行創(chuàng)新，可以確保天然氣迅速進(jìn)入燃燒室。測(cè)試結(jié)果表明，汽缸蓋設(shè)計(jì)使發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性顯著提高，有效地提高了運(yùn)行質(zhì)量，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

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