某新型发动机气缸磨损分析及优化设计

温拾平 陈 婷 王静楠 郑朝升 罗剑坤

（1-同济大学 上海 201804 2-江铃汽车股份有限公司 3-江西经济管理干部学院）

引言

缸体作为发动机的关键零部件之一，在发动机工作时，承受拉压、弯曲等多种形式的机械负荷，同时又因为气缸壁面与高温燃气直接接触而承受很高的热负荷，因活塞的高速运动而承受摩擦力[1]。因此，在缸体设计中，首先应该选用合适的材料，设计合适的壁厚，以确保缸体具备足够的强度和刚度，以抵御机械负荷。其次，缸体应具有良好的冷却效果，在气缸周围设计合理的冷却水套，使气缸周围的温度保持在合理的范围内，以抵御高温燃烧气体所产生的热负荷。最后，需考虑机械负荷、热负荷耦合作用对气缸产生微变形影响，实现气缸与活塞、活塞环的良好匹配，保证气缸在使用过程中不出现异常磨损。

通过对某新型高强化发动机气缸异常磨损问题进行分析，锁定磨损的根本原因，并提出相应的改善措施。利用CAE 仿真技术对比计算改善前后气缸的微变形；通过提高材料耐磨性，实现气缸磨损问题的根本性解决。

1 故障确认

某新型高强化发动机在进行模拟用户满负荷耐久台架试验过程中，运行至560～565 h 时，检测系统发现发动机曲轴箱压力快速上升，最大功率时，满负荷曲轴箱压力由正常的负压升高至1.5 kPa，窜气量达到132.5 L/min，较大幅度超出设计要求值。如图1所示。

图1 故障发动机曲轴箱压力-时间曲线

在台架上进一步确定发动机窜气量与发动机负荷之间的关系，发现，在中低负荷下，窜气量均在设计要求值内；当负荷高于50%时，窜气量出现异常增加的情况，直至满负荷大幅度超限。

针对曲轴箱压力升高、窜气量超限问题，在发动机台架上对硬件潜在的原因进行排查。

1）经过检查及更换新真空泵，排除真空泵潜在失效导致发动机窜气量及曲轴箱压力异常。

2）针对故障发动机，拆检喷油器、喷油器铜垫片。喷油器及喷油器铜垫片状态正常，无异常窜气、无碳烟泄露等异常现象，判断喷油器及喷油器垫片密封良好。

3）使用内窥镜检查气缸，内窥镜显示发动机无拉缸，但气缸内存在局部“抛光”现象。

基于内窥镜检查结果，对故障发动机做进一步拆解分析，以确定问题的根本原因并寻找最终解决方案。拆机发现，各缸主推力侧均存在严重程度不一的局部“抛光”现象，如图2 所示。

图2 故障发动机气缸

使用圆度仪复测故障发动机气缸圆度，如图3所示。检测结果表明，故障发动机气缸圆度良好。

图3 故障发动机气缸圆度检测

2 故障再现

为确定曲轴箱压力、窜气量异常与气缸“抛光”之间的关系，将故障发动机缸体更换至一台正常发动机上，复测窜气量及曲轴箱压力。测试结果见表1。

表1 故障发动机与故障再现发动机对比

表1 的测试结果显示，在使用故障发动机缸体后，发动机窜气量与故障发动机接近，明显高于正常发动机，高于设计要求值。

基于测试结果，判断窜气量大为气缸局部“抛光”所致。活塞运行至“抛光”区域时，窜气量急剧增大，进而引起发动机曲轴箱压力异常升高甚至失控，最终在台架上表现为曲轴箱压力异常升高及报警。

3 原因分析

故障发动机气缸“抛光”区域主要发生在各缸的主推力方向，距离缸体顶面40～65 mm；次推力方向虽然也存在类似“抛光”现象，但相较于主推力方向明显轻微。结合气缸的工作边界及设计应用条件分析：

1）高的受热条件。气缸主要是受到持续的高温燃烧气体冲击，导致气缸壁面温度高。根据CAE 分析计算，得到故障发动机缸体水套温度场分布如图4所示，故障发动机缸体温度场分布如图5 所示。

图4 故障发动机缸体水套温度场分布

图5 故障发动机缸体温度场分布

在设计有冷却水套的情况下，气缸壁面最高温度为193 ℃。在该高温条件下，材料的耐磨性将出现一定程度的下降，容易在往复作用力下产生异常磨损。

2）恶劣的润滑条件。活塞、活塞环在气缸内进行往复运动时，主要依赖于活塞冷却喷嘴喷射的机油进行飞溅润滑。在高温、高速往复运动过程中，润滑条件较为恶劣。

3）复杂的受力条件。在冷态情况下，缸体受到缸盖螺栓、主轴承盖螺栓的强大拉力，引起气缸壁面产生微小形变而失圆；在热态工作中，气缸受到高达18～20 MPa 的爆发压力冲击作用。特别是在缸体顶面以下40～65 mm 的区域，受到较大的活塞侧向力作用。在冷态螺栓预紧力、热态爆发压力、活塞侧向力的综合作用下，气孔产生微小变形，且在主推力侧尤为明显。

气缸在高热负荷、恶劣润滑条件、复杂受力综合作用下，产生主推力侧的异常磨损，即“抛光”现象。

4 优化设计方案

针对该新型高强化发动机的气缸局部“抛光”异常问题，对气缸热负荷、润滑条件、受力逐一分析，确认是否具备改善措施，并针对改善措施进行CAE 仿真分析及试验验证，达到改善效果。

1）降低热负荷。该新型发动机具有高功率、高转矩的特点，在高强化的要求下，缸内热负荷无法实现主动降低，被动措施是增大水泵冷区液流量，改善发动机整体冷却效果，实现对气缸壁面的被动降温。根据CAE 对比分析结果，水泵性能提高10%，气缸璧面温度降低至187.4 ℃，降低幅度不明显。水泵性能提高后，发动机附件消耗功增加，燃油经济性恶化。综合考虑后，不采用。

2）改善润滑条件。校对该发动机的活塞冷却喷嘴流量，流量满足发动机设计的一般使用要求。拆检试验后，活塞无过热现象，满足使用需求。

基于降低该发动机热负荷、改善发动机润滑条件比较困难，从降低气缸的受力变形、提高气缸的耐磨性入手，研究相应的优化设计方案。

4.1 减小螺栓预紧力

如上所述，气缸主要受到冷态螺栓预紧力、热态爆发压力、活塞侧向力作用。

该发动机有18 根M10 缸盖螺栓，其中在排气主推力侧的M10 缸盖螺栓根部恰好与异常“抛光”区域重叠。为了降低缸盖螺栓预紧力对气缸微变形的影响，提出适当减小主推力侧缸盖螺栓预紧力，从而减小主推力侧变形的方案。

将排气侧螺栓由M10 调整为M8，且螺栓孔深度适度减小。根据计算，排气侧M8 缸盖螺栓产生的预紧力明显减小。

在相同燃烧边界、冷却边界条件下，CAE 对比分析优化设计前后的气缸变形量。螺栓调整前、后气缸变形量分别如图6、图7 所示。图中，-10、-20、-30、-40、-50、-60、-70、-80、-90、-100 为从气缸垫开始往下的高度，mm；Design Limit 为气缸变形量设计限值。

图6 螺栓调整前气缸变形量

图7 螺栓调整后气缸变形量

从图6 可以看出，优化设计前，在“抛光”区域，3阶冷、热态气缸变形量均超出设计要求值。

从图7 可以看出，优化设计后，在“抛光”区域，气缸冷、热态变形量均减小至设计要求范围内（临界）。

为了更加准确地获得螺栓预紧力减小对气缸变形量的影响，取缸体缸盖实物进行优化设计前、后气缸变形量对比测试，如图8 所示。

图8 螺栓调整后气缸变形量测试

测试结果表明，缸盖螺栓由M10 调整到M8 后，主推力侧气缸变形量（直线度）由16.5 μm 减小至6.4 μm，减小幅度为61.3%。

依据CAE 分析结果及零件实物的对比测试结果，可知螺栓规格的调整，将有效减小气缸的变形量，对改善气缸在耐久试验中的局部“抛光”现象有积极作用。经过对螺栓规格变更后的螺栓预紧力进行测试，以及对气缸垫密封筋进行微小调整，发现气缸垫密封性能满足要求。

4.2 减小活塞环弹力

发动机在运行过程中，会持续受到活塞及活塞环的摩擦力作用。要降低活塞环与气缸之间的摩擦，有效途径之一是减小活塞环的接触应力，具体方法为减小活塞环弹力。

可通过降低活塞环的高度来达到减小活塞环弹力的目的（活塞环弹力减小幅度可达15%），并且可通过对活塞环增加特殊减摩、耐磨涂层，来改善活塞环的耐磨性[2]。

4.3 提高缸体材料耐磨性

该发动机缸体材料为HT300，对故障发动机缸体进行检测，分析材料中Cu 成分含量较低（0.032%）。进一步检测缸体硬度，检测结果见表2。

表2 故障发动机缸体硬度检测结果

从表2 可知，硬度偏低。

研究表明，在灰口铸铁材料中增加Cu 元素含量，可有效提高其表面的硬度和耐磨性[3]。将HT300中的Cu 含量增加至0.4%～0.7%后，对缸体硬度进行检测，检测结果见表3。

从表3 可以看出，材料中Cu 含量增加后，缸体硬度增加。通过测试得出，缸体硬度增加对缸体的机加工性能影响在可接受范围。另外，成本升幅较小。

4.4 缸体结构强化

在缸盖螺栓拧紧状态下，为了减小因螺栓预紧力对气缸壁面拉伸而产生微变形量，在缸体螺栓底孔外壁面增加加强筋，提高缸体刚度，减小螺栓预紧力对气缸产生的变形量。如图9 所示。

图9 缸体结构强化

5 优化设计方案验证

为了彻底解决气缸局部“抛光”问题，同时采取以上4 个优化设计方案。然后进行3 次模拟用户满负荷台架耐久试验、2 次高周疲劳台架耐久试验以及12 次整车耐久试验。试验结果表明，气缸状态良好，未出现优化设计前的局部“抛光”问题，如图10 所示。

图10 优化设计后气缸状态

6 结论

针对某新型高强化发动机在设计开发过程中出现曲轴箱压力异常升高、窜气量大的问题，经分析和故障再现，确认故障原因为气缸局部异常磨损。通过成分检测、性能测试、热机耦合CAE 对比分析，确定根本原因为气缸在高的热负荷、恶劣的润滑条件下承受复杂作用力而出现“抛光”磨损现象。为此，本文提出了调整螺栓规格以减小螺栓预紧力、减小活塞环弹力、优化缸体材料以提高耐磨性、强化缸体局部结构的优化设计方案。对优化设计方案实施后的样件进行了台架与整车耐久试验，试验结果表明，气缸状态良好，再未出现气缸“抛光”问题。

国家科研机构要以国家战略需求为导向，着力解决影响制约国家发展全局和长远利益的重大科技问题，加快建设原始创新策源地，加快突破关键核心技术。

——习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话