謝棋 王丹丹 盧振東 陳杰 王瑞平

某三缸汽油機(jī)在進(jìn)行冷熱沖擊試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)油水混合的問題，本文通過對(duì)可能引起油水混合的原因進(jìn)行排查，并利用CFD軟件對(duì)水套內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)二、三缸之間氣缸墊理論上水量偏小，氣缸體水套的鑄造誤差又堵塞了一部分上水孔，使得實(shí)際的上水孔比理論上水量更小，最終導(dǎo)致了氣缸蓋變形，造成油水混合。通過優(yōu)化上水孔面積，并合理移動(dòng)上水孔位置，排除氣缸體水套鑄造誤差引起上水套堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。加大各缸之間水流量后，解決了氣缸蓋散熱不足的問題，從數(shù)據(jù)分析上和實(shí)際試驗(yàn)中都滿足要求。

1 前言

某三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在冷熱沖擊試驗(yàn)進(jìn)行到78小時(shí)時(shí)出現(xiàn)油水混合的問題，拆解后發(fā)現(xiàn)氣缸墊沖蝕，如圖1所示。更換一個(gè)新的缸蓋和氣缸墊后56小時(shí)后又出現(xiàn)油水混合。

2 問題排查

引起氣缸體和氣缸蓋結(jié)合面處出現(xiàn)油水混合的原因是此處的密封出現(xiàn)的問題，而組成氣缸體和氣缸蓋結(jié)合面處密封的要素有：氣缸墊、氣缸蓋、氣缸體、氣缸蓋螺栓等。

氣缸墊試驗(yàn)前經(jīng)過詳細(xì)檢測(cè)，不存在質(zhì)量問題；試驗(yàn)后雖然有明顯沖蝕，但可能是由其他因素造成的。氣缸體頂面平面度、氣缸體材質(zhì)等均符合設(shè)計(jì)要求。氣缸蓋螺栓不存在松脫現(xiàn)象；對(duì)試驗(yàn)后的氣缸蓋螺栓的螺距進(jìn)行測(cè)量，氣缸蓋螺栓不存在拉長(zhǎng)現(xiàn)象，排除氣缸蓋螺栓質(zhì)量問題。對(duì)氣缸蓋材質(zhì)和硬度等進(jìn)行檢測(cè)，符合設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 換熱分析

由于對(duì)流換熱系數(shù)與流速成正比，因此對(duì)流換熱系數(shù)和流速都可以用來描述水套的換熱狀況。為了滿足冷卻要求，水套關(guān)鍵區(qū)域的流速及對(duì)流換熱系數(shù)需要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，缸體水套上止點(diǎn)區(qū)域的流速需達(dá)到0.5m/s以上，且總體上應(yīng)該是上大下小；缸間、缸蓋水套排氣側(cè)鼻梁區(qū)和火花塞附近都需達(dá)到2m/s以上。

（1）缸體水套換熱分析

圖9為缸體水套表面流速分布。從圖中可以看到，由于水套入水口附近的導(dǎo)流作用（圖9中黑色方框所示），使得缸體水套冷卻液主流方向?yàn)椋阂桓着艢鈧?cè)→三缸排氣側(cè)→三缸進(jìn)氣側(cè)→一缸進(jìn)氣側(cè)。因此，最終在一缸靠近前端的下部區(qū)域形成了流動(dòng)死區(qū)（圖9中黑圈所示），除此之外缸體絕大部分區(qū)域的流速都在0.5m/s以上。另外，考慮到缸體下部區(qū)域的熱負(fù)荷較低，可認(rèn)為缸體水套的換熱是滿足要求的。

圖12為水孔編號(hào)，進(jìn)氣側(cè)的水孔前加字母“I”，排氣側(cè)的水孔前加字母“E”。圖13為各墊片水孔流量分配。該文原載于中國(guó)社會(huì)科學(xué)院文獻(xiàn)信息中心主辦的《環(huán)球市場(chǎng)信息導(dǎo)報(bào)》雜志http：//www.ems86.com總第547期2014年第15期-----轉(zhuǎn)載須注名來源從圖13中可以發(fā)現(xiàn)，E1、E2和I1的水流量明顯大于其余各孔。其中，對(duì)二缸缸蓋排氣側(cè)換熱影響比較大的E3孔和E4孔水流量之和僅為3.978kg/min，這是造成二缸缸蓋排氣側(cè)下平面變形的根本原因。

4 優(yōu)化后水套CFD分析

4.1 優(yōu)化方案

根據(jù)對(duì)原水套的CFD分析結(jié)果，為增加上水流量和調(diào)整流速，將二、三缸之間的上水孔面積加大一倍，并將E4孔外移，如圖14和圖15所示。圖16為氣缸墊水孔優(yōu)化前后的面積對(duì)比圖，可以看出水孔E3和E4的面積都由原方案的19.635 mm2增加到39.27 mm2。

4.2 邊界條件

優(yōu)化后的邊界條件的設(shè)置與優(yōu)化前一致。

4.3 分析結(jié)果

4.3.1 壓損分析

4.3.2 換熱分析

（1）缸體水套換熱分析

圖18為缸體水套優(yōu)化后流速分布圖。從圖中可以看到，優(yōu)化后在一缸靠近前端的下部區(qū)域形成的流動(dòng)死區(qū)（黑圈示出）流速有所增加，換熱有所改善 。

（2）缸蓋水套換熱分析

圖19為優(yōu)化后缸蓋水套表面流速分布圖。從圖中可以看到優(yōu)化后在二缸排氣側(cè)鼻梁區(qū)的流速明顯增加，換熱也會(huì)明顯改善，只有少部分區(qū)域的流速仍然低于2m/s的流速標(biāo)準(zhǔn)。

4.3.3 氣缸墊各水孔流量分配

圖21為優(yōu)化后與原方案氣缸墊各水孔流量分配對(duì)比圖（水孔編號(hào)參見圖14）。從圖中看到，對(duì)2缸缸蓋排氣側(cè)換熱影響比較大的水孔E3和E4，原方案的水流量分別為1.806kg/min和2.172kg/min，優(yōu)化后水流量分別上升到2.458kg/min和4.093kg/min，這是使得缸蓋鼻梁區(qū)散熱改善的根本原因。

5 結(jié)論

導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油水混合的原因很多，本文通過對(duì)氣缸體、氣缸蓋、氣缸墊及氣缸蓋螺栓的排查，并利用CFD軟件對(duì)水套內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析，最終確定了導(dǎo)致本發(fā)動(dòng)機(jī)油水混合的原因是二、三缸之間氣缸墊上水孔面積過小。而氣缸體水套的鑄造誤差導(dǎo)致氣缸墊上水孔面積更小，造成氣缸蓋散熱不足而變形，最終使得冷熱沖擊試驗(yàn)失敗。通過優(yōu)化上水孔面積，并合理移動(dòng)上水孔位置，排除氣缸體水套鑄造誤差引起上水套堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。加大二、三缸之間水流量后，解決了氣缸蓋散熱不足的問題，后期的冷熱沖擊試驗(yàn)順利均通過。

（作者單位：1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司；2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）