双燃料发动机气缸盖设计研究

刘宗辉

摘 要：工业化进程速度的不断加快以及工业技术不断创新与发展，对发动机的规格标准提出新的要求。然而，气缸盖作为发动机重要的组成部分之一，承受着强烈的热负荷和机械负荷，其性能地位重要性不言而喻。气缸盖的设计要求需要满足实际运行过程中的刚度和强度，还要具备优良的密封性能和工艺性能。本文对双燃料发动机气缸盖的设计进行针对性的分析与探析，通过采取一系列科学化的方法与途径解决不同类型的问题，从而实现发动机功能作用最大化具有较强的现实方面意义。

关键词：双燃料发动机；气缸盖；设计

引言

随着经济和社会的发展，石油的消耗数量呈现上升趋势，发动机使用的燃料逐步延伸到天然气等资源。气缸盖为了适应实际各种各样的燃料的使用，需要对气缸盖的规格要求方面提出高标准设计来实现这一目标。同时，技术不断创新与发展，发动机现有的性能无法满足当前实际生产需求，气缸盖承受不同类型的负荷越来越接近极限值。通过利用现代化的技术对发动机设计方面进行优化，有利于实现发动机的稳定性。在此基础上，本文讨论了双燃料发动机气缸盖的设计。

1 气缸盖的设计标准

气缸盖是发动机核心零件。主要用于密封气缸，形成受高温高压气体影响的燃烧空间。因此，气缸盖受到严重的机械负荷和极高的热负荷。为了顺利实现气缸的密封性能，必须充分保证气缸盖的质量，不得发生损坏和变形。一般来说，气缸盖对强度和刚度方面具有高标准的要求。一般来说，气缸盖的工作状态是：①在工作环节中，气缸盖受到气体的燃烧，承受着螺栓较大的预紧力，机械应力较大。②由于结构方面的复杂性，温度效应不平衡，产生较大的热应力，严重时可能引起裂纹和变形。因此，气缸盖的设计要求如下：①必须有足够的刚度和强度，无变形，密封性效果好。②科学设计气门和气道，保证发动机的运转性能。③具有较高的工艺性能，平衡力，防止热裂现象发生。

2 气缸盖的设计方法

发动机运转过程中，气缸盖的可靠性需要特别注意，尤其是气门应力集中的问题。为了提高其可靠性，有效解决了鼻梁桥的裂缝等问题，可通过底板和挡板结构，冷却油喷嘴，缸盖内部冷却水循环等几个方面进行优化设计，实现缸盖的可靠性。本研究是采用少量的柴油点火效果，以使用天然气高效发动机为主。设计目标是将气缸盖与气体混合后的气体加入气道进入燃烧室，入口位置选择应在很大程度上靠近燃烧室，这样可以实现单缸进气，也可实现进气冲程中关闭阀进入燃烧室，可有效避免“回火”现象，最终确保发动机的安全稳定运行。

3 双燃料发动机气缸盖设计

3.1 材料选择

气缸盖结构极其复杂，需要选择铸造方法进行制造。根据制造工艺、操作和设计要求，材料选择应满足理想的铸造性能、高热强度和高机械强度的要求。气缸盖底部是燃烧室的一部分，其可靠性非常重要，对发动机性能有着关键性作用。发动机运转时，气缸盖上的机械负荷主要来自螺栓预紧力、燃烧压力等，此外还受高温影响，温度分布不平衡。由于冷却液的存在，内部也受到电化学腐蚀的影响，疲劳损伤的影响容易产生裂纹。因此，气缸盖材料不仅具有良好的抗疲劳性能、高温拉伸性能，而且具有良好的耐腐蚀性。为了满足上述要求，本文选用了既具有力学性能又具有铸造性能的蠕墨铸铁。

3.2 结构设计

对于气缸盖，不仅受燃烧压力的影响，还受热负荷的影响。这种要求提高气缸盖的机械性能，要考虑从底板会有一定的厚度，底板越厚，在机械负荷的影响下，效果越好；但我们也要考虑热应力的影响下，底板太厚，会影响冷却液的使用效果，很难迅速带走热量，从而使冷热侧温差较大，随着热应力的增大，热损伤也随之增大，因此为了减小热应力，底板不能太厚。通过以上分析，采用“薄壁强背”设计对双燃料发动机气缸盖进行了设计，并对底板厚度进行了科学合理的设计。中间隔板也作了相应的修改，改为“浴槽形状”，机械负荷主要由中间隔板吸收。通过结构优化，提高了结构形式，增强了后支撑，减少了中间隔断的厚度，从而提高了强度和可靠性。中间隔板分散了底板上的机械载荷，有效地减小了单位面积的受力，使底板上的机械载荷迅速传递到其它位置，有效地提高了气缸盖的可靠性。气缸盖的结构设计使螺栓的预紧力和燃烧室的压力更均匀地分布在相应配件的结合面上，使力更加平衡，密封性能显著提高。

水冷却系统的设计主要是通过在鼻桥区域钻孔来实现的。由于鼻梁区域最容易受到热应力的影响，因此此处的冷却非常重要。冷却水进入内腔后，经过四个直径为10毫米的孔，到达喷油器安装孔的中间，达到可靠的冷却效果。同时，本设计还实现了高温后的低温区，即先用冷却水冷却喷油器周围的高温区等，降低相应范围内的温度，再将气缸盖上部的低温区完成冷却。这使得温度尽可能平衡。为了降低喷油嘴工作时的热负荷，延长喷油嘴的使用寿命，设计了一种强制冷却方法，即通过循环燃油进行冷却，优化了喷嘴冷却油道的朝向，并在气缸盖内部进行了设计，不仅能达到良好的冷却效果，而且有效地避免了油的泄漏，减少漏油产生污染现象的发生。为了使天然气和增压空气在燃烧室前混合，提出了一种天然气喷射管设计方案，也可用于实现天然气单缸喷射控制。与传统的气缸盖相比，本设计在进气位置增加了一根天然气进气管，使天然气能够在靠近燃烧室的进气阀前注入，与增压空气混合，最后进入燃烧室，进而实现了单缸天然气的缸内喷射效果。根据文丘里原理，天然气喷射管的制作，在直径上是上大下小，天然气通过后，可进一步加快流速，有效改善天然氣与空气的混合效果，使之更加平衡，有助于改善燃烧效率。

4 试验验证

根据相关要求，耐久性试验进行了长达200小时的时间，并且在试验完成后拆卸并检查发动机。结果表明，改进后的气缸盖在稳定性和可靠性方面均有明显提高，并实现了天然气与增压空气的预混合，可有效满足双燃料发动机的运行要求。

5 结语

随着我国经济的发展，石油资源消耗的增加，燃料发动机的使用也扩展到天然气等资源。这对气缸盖提出了新的要求，气缸盖是发动机最关键的部件之一，不仅承受高热负荷，结构复杂，也就是说，气缸盖的性能与发动机的整体性能密切相关。本文研究了双燃料发动机汽缸盖，通过优化其内部结构，提高其机械性能，并且其承受热负荷的能力也相应提高，通过对进气口进行创新，可以确保天然气迅速进入燃烧室。测试结果表明，汽缸盖设计使发动机可靠性显着提高，有效地提高了运行质量，完全满足设计要求。

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