某发动机气缸垫密封性的仿真分析

王悦，曹权佐，张志斌，崔欣洁，宋文福

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

1 引言

发动机内部有高温高压气体、冷却液和润滑油流动，缸盖和缸体之间的气缸垫要对上述流体分别密封。任何一种流体泄露或几种发生混合，就可能导致发动机损坏甚至报废。因此，气缸垫的密封性对发动机的可靠性影响非常大。

随着发动机增压化、小型化的推进，发动机缸压、缸盖螺栓预紧力、缸盖温度都相应提高。这些变化都对气缸垫的密封性提出了更高要求。因此，在设计阶段校核气缸垫密封性也变的更加重要。

2 仿真分析流程概述

目前，气缸垫都是由专业厂商设计和制造。如果按照传统方法，发动机主机厂在提出技术要求之后，只能等待样件试制试装。在点火前只能利用试纸验证冷机状态下的接触压强。不能考虑螺栓预紧力衰减的影响，也无法验证热机状态下的密封性。

针对上述情况，我司通过仿真分析，在样件试制试装前，对气缸垫的密封性进行全面的校核。

此仿真分析流程分3个步骤：

①分析准备：由气缸垫制造商提供气缸垫上各密封筋的压缩回弹曲线；

通过稳态传热分析，获得装配体额定工况下的温度场；

②在考虑温度、装配载荷等影响情况下，对缸盖、汽缸垫和缸体装配体进行有限元分析，获得气缸垫密封筋的接触压强；

③对气缸垫的接触压强进行评价。

3 分析准备

3.1 压缩回弹曲线

气缸垫的密封筋在正常使用中会被压缩到材料塑性区域，也就是说密封筋被压缩后，即使压力消失，密封筋高度也将永久改变。在仿真分析中，要确保分析结果正确，就必须体现出这种特性。

要真实体现上述情形，有两种方法。第一种是将密封筋真实结构和材料的塑性特性体现在有限元模型中。第二种是使用垫片单元代替真实结构，将密封筋在测试中压缩量与压强的关系曲线作为单元的属性。第一种方法存在建模难度大，计算时间长，难以收敛等众多问题。第二种方法，因相对简单易行，而被业内广泛使用。

我司在研发某发动机过程中，使用了第二种方法。在我司提交技术要求后，气缸垫制造商完成垫片的概念设计，将各密封筋的尺寸、分布及压缩回弹曲线提交我司。某密封筋特性压缩回弹曲线如下图1所示。

图1 某密封筋特性压缩回弹曲线

3.2 温度场

由于缸盖、缸体、气缸垫等部件结构、材料差异等原因，发动机热机状态下各方向各位置的热膨胀存在差异。这导致冷机状态装配好的气缸垫密封筋在热机时压缩量会发生变化，进而影响密封筋的密封性。

以缸盖为例，相同放大比例下。仅有装配力作用时变形如下图 2，缸盖底面基本平整。装配力和热膨胀同时作用时变形如下图3，缸盖底面明显翘曲。

由于大型设备使用场景的专业性及特殊性，大型设备的管理都处于分散状态，设备基本信息及使用情况透明度都不高。同时，各单位作为资产占有使用者，管理站位高度不够，仅为满足了本单位事业发展需求占有使用，各自为政，导致整体管理水平低下，是加强大型设备使用绩效管理的“拦路虎”。

图2 缸盖装配力作用下变形

因此，我司在研发某发动机时，为确保仿真分析精度，通过缸内流体分析、水套流动分析提供热边界，对缸盖、汽缸垫和缸体的装配体进行稳态传热分析，获得该装配体额定工况下的温度场，缸盖温度场如下图4。

图3 缸盖装配力和热膨胀共同作用下变形

图4 某发动机缸盖温度场

4 分析过程

由于气缸垫密封筋有塑性变形，因此在设置分析过程时，应尽量模拟发动机装配及使用过程的加载。并尽量考虑极端工况。

4.1 分析步骤概述

我司在研发某发动机过程中按照如下图5设置了分析步骤。该流程实际为两个分析流程，左侧为气缸垫密封筋暖机状态下受力情况，右侧为暖机工作后再冷启动时的气缸垫密封筋暖机状态下受力情况。这样可以尽可能地考虑密封筋最恶劣的工作情况，即被最大程度压缩后又最大程度松开的工作情况。

图5 某发动机气缸垫静力学分析流程

4.2 网格概述

表1 网格类型及数量

由于发动机零部件外形复杂，因此使用了缸盖和缸体使用了四面体单元，气缸垫使用了三棱柱单元，具体网格单元类型和数量见表1。

4.3 设置概述

各部件之间的相互连接关系见表2。

表2 各部件之间的相互连接关系

5 分析结果及评价

某发动机气缸垫密封筋有多种规格。如密封润滑油和冷却液的密封筋就包含1mm（蓝色）和1.5mm（绿色）两种，具体分布如下图6。我司在研发阶段要求其1mm长度上应达到10N接触压力。

图6 某发动机气缸垫密封筋分布示意图

1.5mm密封筋热态1缸爆发时接触应力（MPa）如下图8所示。根据技术要求换算后，其接触应力应大于6.7MPa。从该图可知，此状态下1.5mm密封筋密封性不合格，需要改进。

图7 1mm密封筋热态1缸爆发接触应力

图8 1.5mm密封筋热态1缸爆发接触应力

由于工况和密封筋规格较多。各应力云图不再一一展示。

我司在分析结束后，对所有分析步骤所有密封筋的接触应力进行评估。并将不符合我司技术要求区域反馈给制造商。制造商设计更改后，我司重复上述仿真分析流程，直至全部气缸垫密封筋密封性合格。

6 结束语

我司通过上述仿真分析流程，在气缸垫试制试装前即完成了其密封性的校核，并对气缸垫进行了设计优化。某发动机A样机顺利通过其后的密封性台架测试。

实践证明，合理的气缸垫密封性仿真分析可以有效降低密封性试验风险，并提高设计质量。