可調(diào)式燃燒室模塊在缸蓋鑄件燃燒室高度控制上的運(yùn)用

堯標(biāo)1唐海云2羅穎洹2

(1.溫州瑞明工業(yè)股份有限公司，浙江 溫州 325000；2.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007)

摘要：綜述了燃燒室高度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響及燃燒室高度主要影響因素，并運(yùn)用可調(diào)式燃燒室模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)缸蓋鑄件燃燒室高度的控制。

關(guān)鍵詞：燃燒室高度；發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋；影響；調(diào)整

收稿日期：2015-06-29

作者簡(jiǎn)介：堯標(biāo)(1989—)，男，江西撫州人，從事汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)鋁鑄件開(kāi)發(fā)工作。

0引言

壓縮比是反映一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)，直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩輸出。保持穩(wěn)定且適當(dāng)?shù)膲嚎s比才能使得發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)平順和穩(wěn)定。壓縮比是內(nèi)燃機(jī)汽缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值，是內(nèi)燃機(jī)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而決定燃燒室容積的主要技術(shù)要求是燃燒室高度。如何控制燃燒室高度并保證其穩(wěn)定性，對(duì)燃燒室容積穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用，也直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性有著重要的意義。一般而言，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到壓縮比，以保證汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性。在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋鑄造行業(yè)，燃燒室高度的穩(wěn)定性是一個(gè)重要的產(chǎn)品特性參數(shù)，它是保證發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋燃燒室容積的特性，控制燃燒室高度的穩(wěn)定性是產(chǎn)品質(zhì)量及合格率的重要保證。目前發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋一般采用鋁合金材料，鋁合金材料體收縮率大，且缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易在鑄造及熱處理過(guò)程中產(chǎn)生變形，使燃燒室高度超差?？烧{(diào)式燃燒室模塊能在缸蓋變形的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)償，提高燃燒室高度的穩(wěn)定性。

1燃燒室高度穩(wěn)定性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的作用

壓縮比與發(fā)動(dòng)機(jī)性能有很大關(guān)系，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，吸進(jìn)來(lái)的通常是汽油與空氣混合而成的混合氣，在壓縮過(guò)程中活塞上行，除了擠壓混合氣使之體積縮小之外，同時(shí)也發(fā)生了渦流和紊流兩種現(xiàn)象。當(dāng)密閉容器中的氣體受到壓縮時(shí)，壓力是隨著溫度的升高而升高。若發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比較高，壓縮時(shí)所產(chǎn)生的汽缸壓力與溫度相對(duì)提高，混合氣中的汽油分子能汽化得更完全，顆粒能更細(xì)密，再加上渦流和紊流效果和高壓縮比所得到的密封效果，就能使得在下一刻運(yùn)動(dòng)中當(dāng)火花塞跳出火花時(shí)混合氣瞬間完成燃燒的動(dòng)作，釋放出最大的爆發(fā)能量，來(lái)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。燃燒室容積過(guò)大，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比過(guò)?。蝗紵胰莘e過(guò)小，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比過(guò)高。當(dāng)同一缸蓋各缸燃燒室高度相差過(guò)大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單缸壓縮比過(guò)大或過(guò)小易造成發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

2當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋設(shè)計(jì)對(duì)燃燒室高度的要求

直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋設(shè)計(jì)要求每缸燃燒室容積差值控制在±0.5 mL以?xún)?nèi)，以四缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，四缸燃燒室容積最大值與最小值相差不得超過(guò)0.5 mL，據(jù)此數(shù)值要求，燃燒室高度差一般控制在±0.3 mm以?xún)?nèi)，高度極差≤0.3 mm；渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高度差要求控制在±0.2 mm以?xún)?nèi)，高度極差≤0.25 mm。

3影響燃燒室高度的主要因素

3.1缸蓋材料和結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋均為鋁合金材料，鋁合金材料收縮率高，變形量大。缸蓋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚不均勻，在澆鑄和熱處理過(guò)程中極易變形，導(dǎo)致燃燒室高度變形量較大，尤其是目前使用在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上的AlSi7Mg0.3鋁合金材料，其Cu含量少，收縮變形量較大，一般缸蓋經(jīng)過(guò)熱處理之后，燃燒室高度與熱處理前差值平均可達(dá)0.13 mm。

3.2模具燃燒室高度

由于生產(chǎn)時(shí)每個(gè)缸燃燒室溫度場(chǎng)均存在差異，每缸的模具燃燒室理論值不一致，需通過(guò)調(diào)整模具燃燒室鑲塊，摸索每缸的模具燃燒室高度理論值。因此，模具燃燒室高度也是影響產(chǎn)品燃燒室高度的主要因素之一。

3.3涂料厚度

模具燃燒室不同位置涂料厚度不同不僅影響燃燒室高度，且涂料厚薄不同會(huì)直接影響模具燃燒室模塊溫度，溫度差異較大，鋁液收縮不一致，也會(huì)影響燃燒室高度。

3.4模具燃燒室溫度

模具燃燒室溫度由水冷系統(tǒng)控制，冷卻水流量的大小會(huì)對(duì)模具燃燒室溫度造成影響。冷卻水流量越大，模具燃燒室溫度越低，模具燃燒室收縮率越小，對(duì)鑄件燃燒室高度影響就越小。反之，模具燃燒室溫度越高，模具燃燒室收縮率越大，對(duì)鑄件燃燒室高度影響就越大。

3.5熱處理變形

熱處理對(duì)燃燒室高度的影響因素主要有：熱處理工藝、不同的熱處理爐、產(chǎn)品熱處理時(shí)的擺放。熱處理時(shí)產(chǎn)品的擺放一般為大端朝下，豎直放立。不同的熱處理爐對(duì)燃燒室高度是否有影響需要統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)后進(jìn)一步分析。

4采用可調(diào)式燃燒室模塊調(diào)整燃燒室高度的過(guò)程

某直列四缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高度要求為(10±0.2)mm，4個(gè)燃燒室高度極差≤0.2 mm，此缸蓋材質(zhì)為AlSi7Mg0.3，Cu含量較低，收縮率較大，容易在凝固和熱處理過(guò)程中產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致燃燒室輪廓度和高度差變化較大。此缸蓋體型較大，重13.4 kg，長(zhǎng)406.5 mm，寬297.8 mm，高146.5 mm，缸徑φ75 mm，缸心距82 mm，且油腔部位設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)不利于抵抗熱變形。此缸蓋材料為滿足缸蓋性能要求特別指定，缸蓋設(shè)計(jì)已經(jīng)定型，結(jié)構(gòu)已無(wú)法大動(dòng)作變更，故不作變更要求。燃燒室高度穩(wěn)定性能要求，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提升和生產(chǎn)成本的降低，對(duì)客戶的供貨計(jì)劃也會(huì)造成影響。為提升燃燒室高度合格率，通過(guò)可調(diào)式燃燒室模塊對(duì)燃燒室高度進(jìn)行調(diào)整，在控制涂料厚度、冷卻水流量不變的前提下，對(duì)缸蓋熱處理變形進(jìn)行補(bǔ)償。

4.1模具燃燒室高度控制

通過(guò)以往缸蓋熱處理后的燃燒室高度分布數(shù)據(jù)，設(shè)定模具燃燒室高度，并進(jìn)行補(bǔ)償。使用三坐標(biāo)檢測(cè)儀檢測(cè)100件缸蓋經(jīng)熱處理后的燃燒室高度，以3個(gè)Z方向基準(zhǔn)面采點(diǎn)建立一個(gè)平面，再分別對(duì)一至四缸燃燒室高度檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，記錄每缸燃燒室高度。對(duì)100組燃燒室高度及其差值(圖1)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)單缸高度數(shù)據(jù)偏移中心值過(guò)大時(shí)，需對(duì)該模具燃燒室高度進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整。

圖1　100件缸蓋數(shù)據(jù)分析

按照設(shè)定的模具燃燒室高度數(shù)據(jù)，通過(guò)可調(diào)式燃燒室模塊調(diào)節(jié)燃燒室高度，使用三坐標(biāo)檢測(cè)儀通過(guò)對(duì)燃燒室Z方向粗基準(zhǔn)面采點(diǎn)建面(圖2)，對(duì)模具燃燒室模塊燃燒室高度測(cè)量點(diǎn)位置進(jìn)行高度檢測(cè)(圖3)，調(diào)節(jié)可調(diào)式燃燒室模塊上的調(diào)節(jié)螺桿，將模具燃燒室高度調(diào)整至理論值范圍，模具燃燒室高度檢測(cè)公差控制在0.02 mm內(nèi)。

圖2　對(duì)燃燒室Z方向粗基準(zhǔn)面采點(diǎn)建面

圖3　高度檢測(cè)

4.2涂料控制

模具燃燒室高度調(diào)整合格后，對(duì)模具進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。每次噴涂涂料或補(bǔ)噴涂涂料后，必須使用超聲波覆層測(cè)厚儀(圖4)對(duì)澆鑄模具粗基準(zhǔn)面和燃燒室高度測(cè)量點(diǎn)位置進(jìn)行涂料厚度檢測(cè)(圖5)。燃燒室測(cè)量點(diǎn)及基準(zhǔn)面的涂料厚度要求為0.05～0.08 mm，在每班生產(chǎn)前對(duì)涂料厚度進(jìn)行檢測(cè)，并記錄數(shù)據(jù)。

圖4　超聲波覆層測(cè)厚儀

圖5　涂料厚度檢測(cè)

4.3冷卻水流量控制

通過(guò)澆鑄設(shè)備冷卻水系統(tǒng)，設(shè)定單缸冷卻水流量一致，根據(jù)每缸燃燒室溫度調(diào)整每缸冷卻水流量。使用稱(chēng)重法稱(chēng)取每缸冷卻水出水重量，以保證每個(gè)模具燃燒室模塊溫度保持在范圍內(nèi)。

4.4熱處理變形量控制

采用固定方式擺放缸蓋至熱處理爐中，缸蓋擺放方式、擺放間隙、燃燒室面向需驗(yàn)證并按照技術(shù)要求控制。

5對(duì)燃燒室高度控制的展望

在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)缸蓋時(shí)，需充分考慮缸蓋結(jié)構(gòu)及材料產(chǎn)生變形量的影響，采用變形量較小的鋁合金材料，并采用穩(wěn)定、平衡的結(jié)構(gòu)。在充分保證模具燃燒室涂料厚度、冷卻水流量、熱處理工藝、擺放一致性的同時(shí)，通過(guò)采用可調(diào)式燃燒室模塊的缸蓋澆鑄模式，可以簡(jiǎn)單快捷地調(diào)整模具燃燒室高度，從而得到較為穩(wěn)定的燃燒室高度合格率，降低因燃燒室高度不合格而產(chǎn)生的廢品率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)前通過(guò)可調(diào)式燃燒室模塊調(diào)整燃燒室高度，可以得到98%以上的合格率，但熱處理變形量的問(wèn)題仍然存在。且在長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程中，燃燒室高度也是不斷變化的，需要長(zhǎng)期對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不斷調(diào)整模具燃燒室高度，來(lái)實(shí)現(xiàn)燃燒室高度的合理狀態(tài)。而熱處理過(guò)程中燃燒室高度變形量大的問(wèn)題，也需要進(jìn)一步分析進(jìn)而解決。熱處理爐中溫度分布均勻性、缸蓋擺放穩(wěn)定性，熱處理框的平整性要求要更高，從而消除熱處理中溫度不均和擺放不平整對(duì)燃燒室高度的影響，這方面的工作還需進(jìn)一步展開(kāi)。