利用气缸盖与进气歧管集成实现动力装置小型化和轻量化的模拟研究

【印度】 S.K.KANDREEGULA J.TIKOLIYA H.NISHAD

0 前言

汽车毫无疑问是本世纪的技术产物。但是,其普及度却掩盖了其复杂度。设计一款动力强劲且安全舒适,并且具有较好经济性的车型是一项极具挑战性的工作。在过去的25年间,汽车制造商时刻面临着将环保目标融入设计所带来的日益增长的压力,特别是消费者和政府把燃油经济性的改善作为节约燃油和控制污染的一种方式。汽车的CO2排放约占CO2总排放的1/4,是温室效应的一个主要影响因素[1]。

影响燃油经济性的重要参数之一是整备质量。车辆越轻,车辆加速所需的功率越小,维持固定车速所需的能量越少。通常,汽车行业主要通过小型化来实现减重,小型化是过去20年成功实现车辆减重所采用的策略,目前这项策略已经达到极限。只有通过全新方法才可能实现大幅改进,如取代基础碳钢,采用轻量化材料制造车身,将多个零部件集成为一个整体,以减少摩擦损失,从而实现紧凑化设计。

而在商用车领域,小型化目前被认为是提高燃油经济性和减少排放的主要策略之一,是当前商用车发动机设计的核心[2]。

近年来,为了提高工作效率,汽车工程师尝试了大量技术。这些技术包括直喷(均质压燃和分层稀薄燃烧)、可变配气机构、可控自燃或均质进气压缩燃烧(HCCI),以及发动机小型化。

长期以来,发动机小型化被认为是提高发动机效率最为有效的技术之一。发动机小型化在一定程度上已经实现了性能与效率的理想组合。尽管如此,这种概念在发动机设计和生产方面具有一定挑战性。为了获得更高的效率,发动机必须尺寸更小、质量更轻,同时能够输出处于可接受水平的功率,并且在不影响燃油效率和排放水平的情况下改善性能。这通常意味着热管理系统、排放管理系统、燃油管理系统,以及生产过程中的复杂度更高。

许多主要设备制造商(OEM)一直致力于开发能够同时用于现有发动机结构和全新动力装置的技术。大排量、多缸发动机已经出现向较小排量、较少气缸数发展的趋势,并且在保持一定的功率和平顺性的同时,通过采用强制进气、直喷,以及在某些情况下采用停缸系统,极大地提高了工作效率。

福特欧洲动力装置研究部的一项研究表明,涡轮增压发动机采用的气缸盖-排气歧管集成结构具有很大的发展潜力。这是一项能够改善相关特性及降低成本的双赢技术。满足排放限制是车辆制造商进行动力装置组合设计的主要驱动力。实现目标的重要步骤是引入分层燃烧或可控自燃等新型汽油燃烧方法,以及引入发动机小型化。

VE商用车有限公司(VECV)动力装置小组已经在轻型商用车上进行了铝气缸盖与进气歧管的集成化研究。结果表明,可使动力装置质量减少约25 kg,百公里CO2排放减少约2 g。在当前的研究中,通过集成进气歧管与气缸盖实现了发动机小型化。

内燃机的进气歧管通常布置在进气道和空气滤清器之间,将该高压容腔作为喘振箱,根据气门正时向不同的气缸供给空气。

现有的进气歧管和气缸盖罩是独立制造的,并分别安装在基础发动机上,利用大量紧固件将摇臂、进排气门和凸轮轴封装在其中。需要将进气歧管和气缸盖罩作为独立的单元。这样就可将柴油机转换成燃用气体燃料的状态,并且可实现对多点燃气喷射系统的改造。还必须确保独立单元不会影响现有功能及附加零部件。附加零部件包括喷油系统、点火系统、机油分离器、衬垫等。还要求采用最少数量的紧固件加速发动机的装配。因此,基础发动机总成上需要安装的是进气歧管总成和气门罩模块,这两个部件将作为独立单元提供,可为多点顺序燃气喷射系统(MpSgi)、火花塞和机油分离器提供更多安装空间。

新型集成化气缸盖-进气歧管结构的高度为82.2 mm,小于现有设计(图1)。

图1 现有进气系统的设计和集成化设计

BORRMAN等人的研究结果表明,轻量化和小型化的气缸盖-进气歧管集成化结构具有众多优势。在集成化设计中,气缸盖与进气歧管之间无漏气现象,可以完全移除进气歧管衬垫。通过移除诸如进气歧管衬垫和8个螺栓等多余零部件可以实现较低的制造成本优势。此外,无需采用镍材料,使装配过程所需的时间大幅减少。

与铸铁材料(热容量为3 354 kJ/K,导热率为60 W/(m K)相比,铝材料的热容量较低(2 430 kJ/K),导热率较高(237 W/(m K)),热扩散率较高。因此,集成化设计在冷起动条件下的预热时间较短。

1 过程实施

发动机-气缸盖总成的静态分析按照KANDREEGULA等人制定的过程实施。作用在该总成上的负荷根据下列条件制定(图2)：

(1)装配负荷包括由螺栓初始预紧,以及发动机衬垫、气缸盖和进气歧管之间各粗糙表面的标准摩擦接触导致的所有负荷;

(2)燃烧室内空-燃混合物燃烧导致的燃气压力负荷;

(3)热负荷主要取决于导热和对流现象。发动机-气缸盖总成需要承受由于发动机工作导致的周期性变化的热负荷。对于当前的分析,在初始阶段已经考虑了等温分布。

2 有限元模拟

采用预处理软件HypermeshTM创建发动机气缸体-气缸盖总成有限元模型,将ANSYS用作解算器的程序表。根据KANDREEGULA等人制定的方法进行有限元模拟。用于模拟各种总成零部件的有限元实体见图3。

图2 负荷条件流程图

图3 有限元模拟流程图

3 模拟结果

施加所有结构负荷,包括设计中的装配负荷(接触和螺栓拧紧扭矩)、峰值发火压力和温度负荷。检查这两种设计的刚度,即现有铸铁设计和集成化铝设计(图4)。

三次迭代后,新型集成化铝设计结构的刚度与现有经过验证的铸铁刚度值基本相当(表1)。

4 疲劳分析

疲劳寿命法(S-N法)通常用于以下设计问题：负荷振幅可预测并且在零件的寿命周期内保持一致;负荷导致的应力恰好处于单个负荷循环的弹性极限内。

图4 现有设计和集成化设计的有限元结果比较

表1 现有设计与集成化设计的有限元分析结果

影响疲劳寿命的因素包括应力数量级(平均值、振幅)及表面质量(划痕、尖角过渡、锐缘),如表2所列。

图5和图6所示为现有设计与改造后集成化设计的疲劳结果对比。集成化设计根据FEMFAT软件得到的疲劳安全系数(FOS)为1.6,现有经过验证设计的疲劳FOS为1.8。该疲劳FOS高于VECV的目标疲劳FOS值(目标值为1.1)。

由于气缸盖和曲轴箱水套的设计很复杂,要确定水道的传热系数(HTC),强烈建议进行计算流体动力学(CFD)分析。但是,CFD分析不在该研究的范畴内,因为水套设计并未改变,因此该研究无需进行燃烧模拟,或在整个气缸盖上考虑等温分布。采用一种新的有限元模拟方法取代传统的方法,从而缩短产品研发周期。该新方法针对这两种设计的刚度和疲劳安全系数进行了逐一比较。

表2 FEMFAT软件对疲劳寿命影响因素以及采用的分析设置

图5 现有设计的疲劳结果

图6 集成化设计的疲劳结果

5 试验与验证

5.1 泄漏试验

图7所示为材料杂质的漏水试验。在该类试验中,关闭这种设计进口与出口之间的高压气道,如果在该部分存在任何材料杂质,可以轻易发现并将信息传输到相关部门,用以确保在试验过程中不存在任何杂质,以满足下一阶段的设计要求。

图7 集成化气缸盖的漏水试验

5.2 耐久性试验

将气缸盖-进气歧管集成化结构安装到标准VECV发动机试验台上,用于实施VECV标准耐久性试验(图8),该试验台上还配备了风扇、交流电机、压气机和动力转向泵等辅助加载装置。该试验用于研究发动机性能、零部件性能,以及试验过程中观察到的问题。

图8 耐久性试验(发动机和试验装置照片)

该试验的目的是通过长时间、中等强度的加速试验监测发动机的可靠性,以及内置零部件的强度、寿命和磨损趋势。中型用途发动机的典型试验周期为900 h(820个循环),试验循环见表3。

表3 VECV标准耐久性试验循环

其中,监测是强制的。但是,在该概念设计实施过程中,步骤3在高怠速条件下进行,其他步骤不受影响。步骤3和步骤4基本相同。试验循环周期为900 h(820个循环)。在超速条件下运行循环时,超速的主要目的是加速磨损,通过提高峰值气缸压力(PCP)和喷油量测试机械和热结构强度。超速试验的设计目的是考虑发动机在高温环境中的性能(高热负荷)。发动机必须根据试验循环及诸如冷却风扇、交流电机、压气机和动力转向等辅助加载装置运行。

新型气缸盖-进气歧管集成化结构完成了900 h(820个循环)的VECV标准耐久性试验,并且未出现任何结构和热性能问题,在耐久性试验过程中发动机性能良好。

5.3 燃油消耗率试验

在VECV标准耐久性试验条件下测量2种设计在不同转速下的燃油消耗率。图9所示为现有设计与改造设计的燃油消耗率的比较情况。与现有设计相比,改造设计的燃油消耗率略微高出0.5 kg/h。

6 结论

图9 2种设计的燃油消耗率比较

采用铝气缸盖-进气歧管集成化设计,可节约成本达30%,质量减轻40%,并且获得更佳的疲劳性能(25%～30%),见表4。该集成化设计可使轻型商用车的质量减少约25 kg,百公里CO2排放减少约2 g。由于无需采用昂贵的合金、进气歧管衬垫和螺栓(16#),因此制造成本较低。由于采用了轻量化设计,因此燃油消耗率更低。该新型气缸盖设计改善了产品性能、可靠性和耐久性,并且节约了产品开发的时间和成本。

表4 两种设计的质量和成本比较