柴油机气缸盖/气缸套之间的密封性能研究

狐精

柴油机气缸盖/气缸套之间的密封性能研究

气缸盖用来密封气缸的上面部分，它与活塞顶及气缸套内壁共同组成燃烧空间［1］。气缸盖/气缸套之间的密封性能直接影响内燃机工作的可靠性。一般认为，大的气缸盖预紧力能保证好的密封性能，但同时给气缸盖及机体带来了严峻的强度问题。特别是采用整体式气缸盖的大功率车用柴油机，良好的密封和强度一直是整机可靠性问题中的主要矛盾之一。显然，只有深入研究各项因素对气缸盖/气缸套之间密封性能的影响，才可能综合地解决密封和强度两方面的矛盾。针对整体式气缸盖柴油机，本文重点研究对确定的气缸盖，各固紧螺栓预紧力的分配对气缸盖/气缸套之间密封性能的影响；固紧螺栓位置对气缸盖/气缸套之间密封性能的影响；对特定的气缸盖和气缸爆发压力，理论上保证密封的最小预紧力的确定；气缸盖材料对气缸盖/气缸套之间密封性能的影响。

1　气缸盖结构简介

　　本文研究的12V型柴油机，采用6缸整体式水冷气缸盖，四气门，其中排气门和进气门各两个且各自沿燃烧室横向中心线对称分布；每缸对称布置四个小紧固螺栓孔、四个大紧固螺栓孔（相邻缸共用）。图1.1为该气缸盖的仰视简图。气缸盖在底面燃烧室外侧设有内、外两圈小凹槽，用于放置密封钢丝，见图1.2。气缸盖通过施加于大、小螺栓上的预紧力将内、外两圈密封钢丝压紧在安置于缸套上的气缸垫，从而达到密封目的。

图1.1　气缸盖仰视简图
Fig.1.1　Bottom view of the cylinder head

图1.2　气缸盖的密封结构
Fig.1.2　Sealing structure of the cylinder head

2　研究方法

　　考虑到气缸盖结构复杂，在此采用CAD技术，首先建立其参数化三维实体模型，然后运用有限元法，将问题归结为数值计算。
　　 由于密封钢丝的断面直径很小，因此在具体的有限元计算中，不考虑气缸盖上钢丝小沟槽的影响，但在内外两沟槽的中心线位置都均匀布置网格节点（模型中内外两沟槽的中心线上的实际节点数为52）。忽略气缸垫、气缸套及其支撑部件(机体)在气缸盖高度方向上刚度的不均匀性对分析的影响，密封钢丝、气缸垫、气缸套及机体等组成的弹性系统在气缸盖高度方向的刚度通过一系列与这些均布节点相连的相同梁单元来模拟。分析时对每一梁单元的自由节点施加缸盖高度方向上的刚性位移约束。梁单元的刚度通过综合等效得出。事实上，由于分析是基于小变形、线弹性理论的，这种简化不会影响结果的合理性。
　　气缸盖/气缸套之间的密封性能通过密封钢丝对气缸盖（或气缸垫）的作用力来衡量。作用力均匀是密封性能良好的重要标志之一，也是评价密封性能的主要依据。作用力的大小用模型中梁单元的轴向力表征。
　　为深入研究各项因素对气缸盖/气缸套之间密封性能的影响，本文进行了变结构、变螺栓预紧力分配以及变气缸盖材料的多方案计算。考虑到工程实用性，其中结构的变动只针对图1.1中尺寸D和d，所分析的结构方案见表2.1；而大、小螺栓预紧力的配比方案见表2.2；气缸盖的变材料方案，M1为铸铝，M2为铸铁。

表2.1　结构方案
Tab.2.1　Structural plans

尺寸	S0	S1	S2	S3	S4	S5
D/mm d/mm	D0 d0	D0 d0-2.2	D0 d0+1.0	D0-1.0 d0	D0+2.5 d0	D0-1.0 d0-2.0

表2.2　大、小螺栓预紧力的配比方案 Tab.2.2　Distributon of pretightening force of the bolts

预紧力	P1	P2	P3	P4	P5	P6	P7	P8
大螺栓预紧力/ 103×9.8N	11.0	11.0	11.0	11.0	11.0	0	22.0	0
小螺栓预紧力/ 103×9.8N	7.0	5.5	4.0	2.5	0	5.5	0	11.0

3　有限元计算 　　尽管气缸盖/气缸套之间的密封性能一般是针对内燃机爆发工况，但实际上由于气缸盖的预紧状况决定了气缸盖/气缸套之间的密封性能，因此研究预紧工况密封钢丝对气缸盖的作用力无疑具有重要意义。因此对于上述各方案，其有限元计算包括预紧和爆发工况。 3.1　预紧工况 　　由于预紧工况下气缸盖各缸负荷相同，均承受相同的预紧载荷。忽略前、后端结构影响差异，分析时可根据对称性，只计算三缸模型即可。即图3.1所示模型的一半。预紧工况下大、小螺栓的预紧载荷直接施加在气缸盖顶面螺栓螺母的接触部位。 图3.1　爆发工况下气缸盖/气缸套之间密封性能分析有限元模型 Fig.3.1　Finite element analysis model of the sealing performance between cylinder head and cylinder sleeve under case of explosion

1　气缸盖结构简介

　　本文研究的12V型柴油机，采用6缸整体式水冷气缸盖，四气门，其中排气门和进气门各两个且各自沿燃烧室横向中心线对称分布；每缸对称布置四个小紧固螺栓孔、四个大紧固螺栓孔（相邻缸共用）。图1.1为该气缸盖的仰视简图。气缸盖在底面燃烧室外侧设有内、外两圈小凹槽，用于放置密封钢丝，见图1.2。气缸盖通过施加于大、小螺栓上的预紧力将内、外两圈密封钢丝压紧在安置于缸套上的气缸垫，从而达到密封目的。

图1.1　气缸盖仰视简图
Fig.1.1　Bottom view of the cylinder head

图1.2　气缸盖的密封结构
Fig.1.2　Sealing structure of the cylinder head

2　研究方法

　　考虑到气缸盖结构复杂，在此采用CAD技术，首先建立其参数化三维实体模型，然后运用有限元法，将问题归结为数值计算。
　　 由于密封钢丝的断面直径很小，因此在具体的有限元计算中，不考虑气缸盖上钢丝小沟槽的影响，但在内外两沟槽的中心线位置都均匀布置网格节点（模型中内外两沟槽的中心线上的实际节点数为52）。忽略气缸垫、气缸套及其支撑部件(机体)在气缸盖高度方向上刚度的不均匀性对分析的影响，密封钢丝、气缸垫、气缸套及机体等组成的弹性系统在气缸盖高度方向的刚度通过一系列与这些均布节点相连的相同梁单元来模拟。分析时对每一梁单元的自由节点施加缸盖高度方向上的刚性位移约束。梁单元的刚度通过综合等效得出。事实上，由于分析是基于小变形、线弹性理论的，这种简化不会影响结果的合理性。
　　气缸盖/气缸套之间的密封性能通过密封钢丝对气缸盖（或气缸垫）的作用力来衡量。作用力均匀是密封性能良好的重要标志之一，也是评价密封性能的主要依据。作用力的大小用模型中梁单元的轴向力表征。
　　为深入研究各项因素对气缸盖/气缸套之间密封性能的影响，本文进行了变结构、变螺栓预紧力分配以及变气缸盖材料的多方案计算。考虑到工程实用性，其中结构的变动只针对图1.1中尺寸D和d，所分析的结构方案见表2.1；而大、小螺栓预紧力的配比方案见表2.2；气缸盖的变材料方案，M1为铸铝，M2为铸铁。

表2.1　结构方案
Tab.2.1　Structural plans

尺寸	S0	S1	S2	S3	S4	S5
D/mm d/mm	D0 d0	D0 d0-2.2	D0 d0+1.0	D0-1.0 d0	D0+2.5 d0	D0-1.0 d0-2.0

表2.2　大、小螺栓预紧力的配比方案 Tab.2.2　Distributon of pretightening force of the bolts

预紧力	P1	P2	P3	P4	P5	P6	P7	P8
大螺栓预紧力/ 103×9.8N	11.0	11.0	11.0	11.0	11.0	0	22.0	0
小螺栓预紧力/ 103×9.8N	7.0	5.5	4.0	2.5	0	5.5	0	11.0

3　有限元计算 　　尽管气缸盖/气缸套之间的密封性能一般是针对内燃机爆发工况，但实际上由于气缸盖的预紧状况决定了气缸盖/气缸套之间的密封性能，因此研究预紧工况密封钢丝对气缸盖的作用力无疑具有重要意义。因此对于上述各方案，其有限元计算包括预紧和爆发工况。 3.1　预紧工况 　　由于预紧工况下气缸盖各缸负荷相同，均承受相同的预紧载荷。忽略前、后端结构影响差异，分析时可根据对称性，只计算三缸模型即可。即图3.1所示模型的一半。预紧工况下大、小螺栓的预紧载荷直接施加在气缸盖顶面螺栓螺母的接触部位。 图3.1　爆发工况下气缸盖/气缸套之间密封性能分析有限元模型 Fig.3.1　Finite element analysis model of the sealing performance between cylinder head and cylinder sleeve under case of explosion

3.2　爆发工况
　　爆发工况载荷不具对称性，因此，为保证计算精度，需用六缸整体模型进行计算，有限元模型如图3.1所示。由于爆发工况下，螺栓的刚度对密封圈密封力具有直接的影响，因此模型中必须含有螺栓模型。螺栓的预紧载荷通过降温冷缩螺栓的方法模拟，详见文献［2］。
　　考虑到当某一缸爆发时，其余缸内残余压力较小，故不计其影响。在此基础上，加之其结构近似对称性，对每一特定爆发压力，只需作第1，2，3缸分别爆发时的计算，即可相应地得出第6，5，4缸爆发时的结果。
4　螺栓预紧力的分配对气缸盖/气缸套之间密封性能的影响
　　根据表2.1和表2.2所给定的不同结构方案和不同螺栓预紧力分配方案对应的模型中梁单元的轴向力数值结果，总结螺栓预紧力的分配对气缸盖/气缸套之间密封性能的影响规律。
4.1　预紧工况
　　图4.1以雷达图的形式给出了预紧工况下，原结构S0对应螺栓预紧力的分配方案P3时，模型中不同缸的密封钢丝对气缸盖的作用力分布。图中数字为内外两沟槽的中心线位置均匀布置的网格节点序号（下同）；SnPx（inside y）和SnPx（outside y）分别表示结构方案Sn在预紧力配比方案Px下第y缸内、外沟槽中心线位置的结果（下同）。曲线上的点与坐标原点的径向距离表示该点处密封钢丝对气缸盖作用力的大小。显然，曲线越接近圆表明作用力越均匀。

图4.1　三缸模型计算时不同缸的密封力分布结果比较
Fig.4.1　Sealing force distribution of different cylinders in a three-cylinder model

　　图4.2为原结构在大、小螺栓预紧力多配比方案下的计算结果。

图4.2　原结构在不同预紧力分配下第三缸密封圈密封力分布
Fig.4.2　Sealing force distribution of the 3rd cylinder of the original structure,under schemes of various pretightening force

　　图4.3～4.6为结构1、结构2、结构4和结构5在大、小螺栓预紧力多配比方案下的计算结果，由于内、外沟槽中心线位置的结果非常接近，故只绘出了外沟槽中心线位置的结果（下同）。

图4.3　结构S1在不同预紧力分配下第三缸密封圈密封力分布
Fig.4.3　Sealing force distribution of the3rd cylinder of the structure S1,under schemes of various pretightening force

图4.4　结构S2在不同预紧力分配下第三缸密封圈密封力分布
Fig.4.4　Sealing force distribution of the 3rd cylinder of the structure S2,under schemes of various pretightening force

图4.5　结构S4在不同预紧力分配下第三缸密封圈密封力分布
Fig.4.5　Sealing force distribution of the 3rd cylinder of the structure S4,under schemes of various pretightening force

图4.6　结构S5在预紧力分配方案P3下第三缸密封圈密封力分布
Fig.4.6　Sealing force distribution of the 3rd cylinder of the structure S5,under scheme of pretightening force P3

　　由图4.1～4.6可以得出以下结论：
　　（1）密封圈密封力的分布规律大致为，气道外壁附近密封力明显大于其它处密封力；除第1（6）缸密封圈由于承受了不对称的预紧力而导致密封力明显失衡外（大体沿气缸盖纵向中面对称），其它缸密封力均基本上呈中心对称分布，且大致相同。
　　（2）由结论（1）可知，各螺栓的预紧力基本上只影响所在缸密封力，对其它缸影响甚微。
　　（3）对确定的结构，改变大、小螺栓预紧力的分配不能显著改变密封圈密封力的分布。
　　（4）若将只施加大螺栓预紧力和只施加小螺栓预紧力作为预紧力分配方案的基础型，则由线弹性力学的叠加原理知，其它方案的密封力等于该两种基础型密封力的线性组合。由此进一步根据上述各图的基础型可知，对以上各结构，不可能通过改变预紧力分配使密封力达到均匀。
　　上述结论的原因可定性地归结为：结构高度方向的固有刚度是密封圈密封力分布规律的主要影响因素。气道外壁形成了气缸盖高度方向的大刚度区，优先传递了螺栓的预紧力，决定了密封力的分布。
4.2　爆发工况
　　从预紧工况的计算结果可以看出，在预紧工况下，表2.1中各结构的密封力基本相同，由于爆发压力均匀地作用于气缸盖底面（各结构底面不变），因此可以预知，在爆发工况下，表2.1中各结构的密封力也将基本相同。故本节只分析原结构。爆发压力为13.0MPa。
　　计算表明，爆发工况下，爆发缸的密封性能最为薄弱。图4.7～4.9分别给出了第1缸～第3缸爆发时，爆发缸密封力与预紧工况下各自密封力的对比。

图4.7　爆发工况和预紧工况下第1缸密封圈密封力分布对比
Fig.4.7　Sealing force distribution of the 1st cylinder, contrasting cases under explosion and cases of pretightening

图4.8　爆发工况和预紧工况下第2缸密封圈密封力分布对比
Fig.4.8　Sealing force distribution of the 2nd cylinder, contrasting cases under explosion and cases of pretightening

图4.9　爆发工况和预紧工况下第3缸密封圈密封力分布对比
Fig.4.9　Sealing force distribution of the 3rd cylinder, contrasting cases under explosion and cases of pretightening

狐精

从图4.7～4.9定性的比较和定量的计算可得出：
　　（1）爆发压力的施加并未明显改变密封力的分布规律；相比于预紧工况，各点处的预紧力减小量大致相同。
　　（2）第2（5）缸爆发时，气缸盖/气缸套之间的最小密封力最小；其中第1（6）缸爆发时，爆发压力的作用使气缸盖/气缸套之间最小密封力减小41.7%，第2（5）缸爆发时减小43.2％，第3（4）缸爆发时则减小40.7％。因此在不考虑其它因素的条件下，第2（5）缸的密封性能最差。后文最小预紧力的确定将以此为根据。

5　螺栓位置对气缸盖/气缸套之间密封性能的影响

　　前文已经指出无论是预紧工况还是爆发工况，表2.1中各结构的密封力基本相同，因此，至少可以说，在允许改动的限度内，螺栓位置对气缸盖/气缸套之间密封性能影响很小。图5.1综合比较了表2.1中各结构在预紧力分配方案P3的预紧工况下，第3缸外侧密封圈密封力的大小。该图直观地证明了上述结论。

图5.1　各结构在预紧力分配方案P3的预紧工况下密封力的大小比较
Fig.5.1　Sealing force distribution in pretightening case P3,different structures

6　气缸盖材料对气缸盖/气缸套之间密封性能的影响

　　图6.1为预紧工况P3下气缸盖材料分别为铸铝（M1）和铸铁（M2）时第3（4）缸密封圈密封力分布对比。显然，铸铁气缸盖密封圈密封力的分布较铸铝的均匀。定量计算表明，铸铝气缸盖密封圈最大密封力较最小密封力大14.8%，而铸铁气缸盖密封圈最大密封力较最小密封力仅大6.0%。可见气缸盖的材料特性直接影响气缸盖/气缸套密封系统的密封性能，在密封系统的其它条件不变的情况下，采用刚性较好的材料制造气缸盖可以提高气缸盖/气缸套密封系统的密封性能。

图6.1　预紧工况P3下缸盖材料分别为M1和M2时第3缸密封圈密封力分布对比
Fig.6.1　Sealing force distribution of the 3rd cylinder in pretightening case P3,different structural materials

7　理论上保证密封的最小预紧力大小的确定

　　根据对爆发工况的分析，可以预估不考虑工艺条件、使用环境等其它因素的情况下，对于13.0MPa的爆发压力，保证密封的最小预紧力应为预紧力方案P3的43％左右。
　　为此将预紧力减为原预紧力的43％，计算结果示于图7.1中的S0（outside2-1）。此时最小密封力的确近似为0，因此，对于原结构S0，在爆发压力为13.0MPa，且不考虑其它其它工艺因素的条件下，保证密封的最小预紧力应为预紧力方案P3的43％左右，即大螺栓预紧11.0×43%=4.73（103×9.8N），小螺栓预紧4.0×43%=1.72（103×9.8N）。

图7.1　原爆发工况、原预紧工况及修改预紧力后爆发工况第2缸密封圈密封力分布
Fig.7.1　Sealing force distribution of the 2nd cylinder,original case, original pretightened case and case with modified pretightening force contrasted

8　结束语

　　目前，由于气缸盖密封钢丝应力测试的困难，本文缺乏实验验证。但是，文中分析结果直观，结论合理，这对于整体式气缸盖柴油机(12V型)在今后的改进设计具有一定参考价值，对其它类型内燃机的设计也同样具有借鉴意义。■

fxfdf180

长见识了！

机械制造

真是太好了！~~

wazh_x

很细真是太好了。:lol

jjredic

楼主的分析真是全面啊！

秋月无痕

不错.顶一下

hensonwoo

it is 干:P

dlwsq

不错的

shanjitao855692

最喜欢的就是这个  :D

bingzhizi

不错.顶一下

fengyuwuzu

tai hao le ,xie xie