发动机缸体缸孔变形量优化及应用

豆刚，陆荣荣，潘月成，阮仁宇



发动机缸体缸孔变形量优化及应用

豆刚，陆荣荣，潘月成，阮仁宇

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

随着汽车工业的发展，经济性和动力性是人们选购车辆时重点的考虑因素，也成为了汽车精品化过程中必须解决的关键问题。而缸孔变形量的大小影响了燃油消耗率也对排放有一定的影响。文章简述了缸孔变形的原因、对部分参数进行优化并对优化的结果进行了测试和分析。

缸孔；缸体；变形量；柴油机；阶次

前言

缸孔变形量过大会导致活塞环与缸孔壁面不能良好接触、出现间隙，燃气就会从间隙处泄漏，导致输出功率降低，燃油消耗率增加。同时，机油也容易从间隙处窜入燃烧室在高温下裂解甚至燃烧，产生大量有害颗粒，使排放不能达标。

现有某柴油机需要进行排放和性能升级，由国四排放升级至国五排放，需要对发动机缸体进行重新设计开发。与国四柴油机相比，性能升级后的国五柴油机需要更大的爆发压力和平均有效压力，也就需求更大的螺栓预紧力来压紧气缸垫和缸盖，这些都将导致了发动机的缸孔变形更加严重。所以，在缸体的初期设计时，着重对缸体缸孔变形量的参数进行了优化，以解决变形量过大带来的问题。

1 优化方案

优化缸孔变形量一般主要从五个方面进行优化：降低缸垫的刚性、加深螺栓拧紧位置、增加缸体的壁厚、增加缸体顶层的厚度以及提升缸体的强度。结合整个项目开发的实际情况以及对其他零部件及油耗排放的影响。本次缸孔变形量优化主要从以下几个方面进行：

→增加螺栓拧紧深度；

→增加缸体缸孔部位强度，降低水套深度；

→增加缸体整体强度，裙部由原来的直线-半圆连接优化为圆弧连接。

2 结果分析

国四和国五的缸体除了上述结构上的变化外，还有一个重要的变化点是国五的缸盖螺栓的最小螺栓拧紧力增大了7500N.m。为了验证结构优化和加工优化对缸孔变形量提升的影响，共检测了四组数据。

※A组：国四缸孔变形量数据

※B组：国四缸体增加螺栓拧紧力数据

※C组：国五+浅缸盖螺栓孔量数据

※D组：国五+深缸盖螺栓孔量数据

从检测结果来看，国五缸体的缸孔变形量在螺栓力增大的情况下，依然有很大的提升且全部满足设计要求。为了更加深入的了解不同参数变化对缸孔变形量的影响，对以上四组数据进行更加深入的分析。从四组数据对比中发现，五阶和六阶的数据均变化不大且都比标准值小很多，所以以下分析主要针对二三四阶的变化。

2.1 螺栓轴力对缸孔变形量的影响

从A组和B组的数据对比中可以看出，增大轴力使得缸孔整体受力变大，将导致缸孔变形增大，从图中看出其对二阶和四阶的影响最明显。

图1 AB组二阶缸孔变形量对比

图2 AB组三阶缸孔变形量对比

图3 AB组四阶缸孔变形量对比

2.2 缸体结构优化对缸孔变形量的影响

从A组和C组的数据对比中可以看出，优化后的国五缸体在二阶、三阶、四阶均与国四相近，且部分数据要比国四数据更大。分析出现这种现象的原因：首先，从针对国五优化的三个方面来看，由于缸孔变形量检测的是静止状态下缸孔的变化，在缸体油底壳面及进排气侧没有安装其它附件。所以针对裙部强度的优化虽然理论上能够提升缸孔变形量，但是在检测过程中是无法体现的，即浅螺栓状态的国五缸体唯一的变化点就是水套深度降低了。其次，我们知道二阶、三阶及四阶最大的变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盖螺栓旋入最底的位置之间。综上，国四和国五浅螺栓缸体从火力面至螺栓旋入最底位置之间的结构上没有太大的变化，导致缸孔变形量数据差别很小。相反由于国五的水套深度比国四的还要浅，导致缸孔下半部分部变形减小，使得变形集中在缸孔上半部分，导致最大缸孔变形量数值不降反增。

图4 AC组二阶缸孔变形量对比

图5 AC组三阶缸孔变形量对比

图6 AC组四阶缸孔变形量对比

2.3 螺栓深度对缸孔变形量的影响

从C组和D组的数据对比来看，在增加了螺栓轴力的前提下，二阶缸孔变形量依然有很大的改善且全部都在标准值以下，三阶优化的结果基本上与轴力增加带来的影响相抵消，四阶受轴力影响最大，但依然在标准值以下。

国五最终状态的螺栓拧入深度在水套最低点之下，导致螺栓力传递到了水套底面以下的实体部分，消减了很大一部分的缸孔变形量。而缸孔上半部分都处于螺栓光杆位置，变形量受到螺栓与螺栓孔之间力的影响变小，从而直接造成了二阶和三阶缸孔变形量减小。

图7 CD组二阶缸孔变形量对比

图8 CD组三阶缸孔变形量对比

图9 CD组四阶缸孔变形量对比

2.4 整体优化结果对比

图10 AD组二阶缸孔变形量对比

图11 AD组三阶缸孔变形量对比

图12 AD组四阶缸孔变形量对比

从A组和D组的数据对比来看，这次的优化已经达到了预期的设计目标：国五缸体各阶次的缸孔变形量均在标准值以下，满足设计要求。另外，从实测缸孔变形量的方法来看，对缸体裙部强度进行结构优化的设计成果未能在缸孔变形量的检测中得到验证。但是从理论分析的角度来看，改善了裙部的强度对缸孔变形量改善必然会有所帮助。

3 结论

综上所述，通过对四组缸孔变形量数据的对比，可以得出以下结论：

（1）螺栓轴力的增大会导致缸孔变形量变大，其中对二阶和四阶表现最为明显；

（2）针对水套深度的优化，在不配合螺栓深度的前提下对缸孔变形量贡献很小；

（3）优化后的国五缸体在螺栓轴力增大的前提下，缸孔变形量依然比优化前好，能够满足设计要求。

[1] 杨连生.内燃机设计.中国农业机械出版社.1981.

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[3] 蓝宇翔.气缸孔变形计算分析报告.玉柴工程研究院.2008.

[4] 郝强,陈启海.内燃机工程研究新方法[M].北京:国防工业出版社. 1999.

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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1671-7988(2018)24-53-03

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豆刚，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.017