【印度】 S.K.KANDREEGULA J.TIKOLIYA H.NISHAD

0 前言

汽車毫無(wú)疑問(wèn)是本世紀(jì)的技術(shù)產(chǎn)物。但是,其普及度卻掩蓋了其復(fù)雜度。設(shè)計(jì)一款動(dòng)力強(qiáng)勁且安全舒適,并且具有較好經(jīng)濟(jì)性的車型是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。在過(guò)去的25年間,汽車制造商時(shí)刻面臨著將環(huán)保目標(biāo)融入設(shè)計(jì)所帶來(lái)的日益增長(zhǎng)的壓力,特別是消費(fèi)者和政府把燃油經(jīng)濟(jì)性的改善作為節(jié)約燃油和控制污染的一種方式。汽車的CO2排放約占CO2總排放的1/4,是溫室效應(yīng)的一個(gè)主要影響因素[1]。

影響燃油經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)之一是整備質(zhì)量。車輛越輕,車輛加速所需的功率越小,維持固定車速所需的能量越少。通常,汽車行業(yè)主要通過(guò)小型化來(lái)實(shí)現(xiàn)減重,小型化是過(guò)去20年成功實(shí)現(xiàn)車輛減重所采用的策略,目前這項(xiàng)策略已經(jīng)達(dá)到極限。只有通過(guò)全新方法才可能實(shí)現(xiàn)大幅改進(jìn),如取代基礎(chǔ)碳鋼,采用輕量化材料制造車身,將多個(gè)零部件集成為一個(gè)整體,以減少摩擦損失,從而實(shí)現(xiàn)緊湊化設(shè)計(jì)。

而在商用車領(lǐng)域,小型化目前被認(rèn)為是提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放的主要策略之一,是當(dāng)前商用車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的核心[2]。

近年來(lái),為了提高工作效率,汽車工程師嘗試了大量技術(shù)。這些技術(shù)包括直噴(均質(zhì)壓燃和分層稀薄燃燒)、可變配氣機(jī)構(gòu)、可控自燃或均質(zhì)進(jìn)氣壓縮燃燒(HCCI),以及發(fā)動(dòng)機(jī)小型化。

長(zhǎng)期以來(lái),發(fā)動(dòng)機(jī)小型化被認(rèn)為是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率最為有效的技術(shù)之一。發(fā)動(dòng)機(jī)小型化在一定程度上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了性能與效率的理想組合。盡管如此,這種概念在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面具有一定挑戰(zhàn)性。為了獲得更高的效率,發(fā)動(dòng)機(jī)必須尺寸更小、質(zhì)量更輕,同時(shí)能夠輸出處于可接受水平的功率,并且在不影響燃油效率和排放水平的情況下改善性能。這通常意味著熱管理系統(tǒng)、排放管理系統(tǒng)、燃油管理系統(tǒng),以及生產(chǎn)過(guò)程中的復(fù)雜度更高。

許多主要設(shè)備制造商(OEM)一直致力于開(kāi)發(fā)能夠同時(shí)用于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和全新動(dòng)力裝置的技術(shù)。大排量、多缸發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)向較小排量、較少氣缸數(shù)發(fā)展的趨勢(shì),并且在保持一定的功率和平順性的同時(shí),通過(guò)采用強(qiáng)制進(jìn)氣、直噴,以及在某些情況下采用停缸系統(tǒng),極大地提高了工作效率。

福特歐洲動(dòng)力裝置研究部的一項(xiàng)研究表明,渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用的氣缸蓋-排氣歧管集成結(jié)構(gòu)具有很大的發(fā)展?jié)摿?。這是一項(xiàng)能夠改善相關(guān)特性及降低成本的雙贏技術(shù)。滿足排放限制是車輛制造商進(jìn)行動(dòng)力裝置組合設(shè)計(jì)的主要驅(qū)動(dòng)力。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的重要步驟是引入分層燃燒或可控自燃等新型汽油燃燒方法,以及引入發(fā)動(dòng)機(jī)小型化。

VE商用車有限公司(VECV)動(dòng)力裝置小組已經(jīng)在輕型商用車上進(jìn)行了鋁氣缸蓋與進(jìn)氣歧管的集成化研究。結(jié)果表明,可使動(dòng)力裝置質(zhì)量減少約25 kg,百公里CO2排放減少約2 g。在當(dāng)前的研究中,通過(guò)集成進(jìn)氣歧管與氣缸蓋實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)小型化。

內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣歧管通常布置在進(jìn)氣道和空氣濾清器之間,將該高壓容腔作為喘振箱,根據(jù)氣門正時(shí)向不同的氣缸供給空氣。

現(xiàn)有的進(jìn)氣歧管和氣缸蓋罩是獨(dú)立制造的,并分別安裝在基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)上,利用大量緊固件將搖臂、進(jìn)排氣門和凸輪軸封裝在其中。需要將進(jìn)氣歧管和氣缸蓋罩作為獨(dú)立的單元。這樣就可將柴油機(jī)轉(zhuǎn)換成燃用氣體燃料的狀態(tài),并且可實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)的改造。還必須確保獨(dú)立單元不會(huì)影響現(xiàn)有功能及附加零部件。附加零部件包括噴油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、機(jī)油分離器、襯墊等。還要求采用最少數(shù)量的緊固件加速發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配。因此,基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)總成上需要安裝的是進(jìn)氣歧管總成和氣門罩模塊,這兩個(gè)部件將作為獨(dú)立單元提供,可為多點(diǎn)順序燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)(MpSgi)、火花塞和機(jī)油分離器提供更多安裝空間。

新型集成化氣缸蓋-進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)的高度為82.2 mm,小于現(xiàn)有設(shè)計(jì)(圖1)。

圖1 現(xiàn)有進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和集成化設(shè)計(jì)

BORRMAN等人的研究結(jié)果表明,輕量化和小型化的氣缸蓋-進(jìn)氣歧管集成化結(jié)構(gòu)具有眾多優(yōu)勢(shì)。在集成化設(shè)計(jì)中,氣缸蓋與進(jìn)氣歧管之間無(wú)漏氣現(xiàn)象,可以完全移除進(jìn)氣歧管襯墊。通過(guò)移除諸如進(jìn)氣歧管襯墊和8個(gè)螺栓等多余零部件可以實(shí)現(xiàn)較低的制造成本優(yōu)勢(shì)。此外,無(wú)需采用鎳材料,使裝配過(guò)程所需的時(shí)間大幅減少。

與鑄鐵材料(熱容量為3 354 kJ/K,導(dǎo)熱率為60 W/(m K)相比,鋁材料的熱容量較低(2 430 kJ/K),導(dǎo)熱率較高(237 W/(m K)),熱擴(kuò)散率較高。因此,集成化設(shè)計(jì)在冷起動(dòng)條件下的預(yù)熱時(shí)間較短。

1 過(guò)程實(shí)施

發(fā)動(dòng)機(jī)-氣缸蓋總成的靜態(tài)分析按照KANDREEGULA等人制定的過(guò)程實(shí)施。作用在該總成上的負(fù)荷根據(jù)下列條件制定(圖2)：

(1)裝配負(fù)荷包括由螺栓初始預(yù)緊,以及發(fā)動(dòng)機(jī)襯墊、氣缸蓋和進(jìn)氣歧管之間各粗糙表面的標(biāo)準(zhǔn)摩擦接觸導(dǎo)致的所有負(fù)荷;

(2)燃燒室內(nèi)空-燃混合物燃燒導(dǎo)致的燃?xì)鈮毫ω?fù)荷;

(3)熱負(fù)荷主要取決于導(dǎo)熱和對(duì)流現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)-氣缸蓋總成需要承受由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作導(dǎo)致的周期性變化的熱負(fù)荷。對(duì)于當(dāng)前的分析,在初始階段已經(jīng)考慮了等溫分布。

2 有限元模擬

采用預(yù)處理軟件HypermeshTM創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體-氣缸蓋總成有限元模型,將ANSYS用作解算器的程序表。根據(jù)KANDREEGULA等人制定的方法進(jìn)行有限元模擬。用于模擬各種總成零部件的有限元實(shí)體見(jiàn)圖3。

圖2 負(fù)荷條件流程圖

圖3 有限元模擬流程圖

3 模擬結(jié)果

施加所有結(jié)構(gòu)負(fù)荷,包括設(shè)計(jì)中的裝配負(fù)荷(接觸和螺栓擰緊扭矩)、峰值發(fā)火壓力和溫度負(fù)荷。檢查這兩種設(shè)計(jì)的剛度,即現(xiàn)有鑄鐵設(shè)計(jì)和集成化鋁設(shè)計(jì)(圖4)。

三次迭代后,新型集成化鋁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的剛度與現(xiàn)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的鑄鐵剛度值基本相當(dāng)(表1)。

4 疲勞分析

疲勞壽命法(S-N法)通常用于以下設(shè)計(jì)問(wèn)題：負(fù)荷振幅可預(yù)測(cè)并且在零件的壽命周期內(nèi)保持一致;負(fù)荷導(dǎo)致的應(yīng)力恰好處于單個(gè)負(fù)荷循環(huán)的彈性極限內(nèi)。

圖4 現(xiàn)有設(shè)計(jì)和集成化設(shè)計(jì)的有限元結(jié)果比較

表1 現(xiàn)有設(shè)計(jì)與集成化設(shè)計(jì)的有限元分析結(jié)果

影響疲勞壽命的因素包括應(yīng)力數(shù)量級(jí)(平均值、振幅)及表面質(zhì)量(劃痕、尖角過(guò)渡、銳緣),如表2所列。

圖5和圖6所示為現(xiàn)有設(shè)計(jì)與改造后集成化設(shè)計(jì)的疲勞結(jié)果對(duì)比。集成化設(shè)計(jì)根據(jù)FEMFAT軟件得到的疲勞安全系數(shù)(FOS)為1.6,現(xiàn)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的疲勞FOS為1.8。該疲勞FOS高于VECV的目標(biāo)疲勞FOS值(目標(biāo)值為1.1)。

由于氣缸蓋和曲軸箱水套的設(shè)計(jì)很復(fù)雜,要確定水道的傳熱系數(shù)(HTC),強(qiáng)烈建議進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析。但是,CFD分析不在該研究的范疇內(nèi),因?yàn)樗自O(shè)計(jì)并未改變,因此該研究無(wú)需進(jìn)行燃燒模擬,或在整個(gè)氣缸蓋上考慮等溫分布。采用一種新的有限元模擬方法取代傳統(tǒng)的方法,從而縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。該新方法針對(duì)這兩種設(shè)計(jì)的剛度和疲勞安全系數(shù)進(jìn)行了逐一比較。

表2 FEMFAT軟件對(duì)疲勞壽命影響因素以及采用的分析設(shè)置

圖5 現(xiàn)有設(shè)計(jì)的疲勞結(jié)果

圖6 集成化設(shè)計(jì)的疲勞結(jié)果

5 試驗(yàn)與驗(yàn)證

5.1 泄漏試驗(yàn)

圖7所示為材料雜質(zhì)的漏水試驗(yàn)。在該類試驗(yàn)中,關(guān)閉這種設(shè)計(jì)進(jìn)口與出口之間的高壓氣道,如果在該部分存在任何材料雜質(zhì),可以輕易發(fā)現(xiàn)并將信息傳輸?shù)较嚓P(guān)部門,用以確保在試驗(yàn)過(guò)程中不存在任何雜質(zhì),以滿足下一階段的設(shè)計(jì)要求。

圖7 集成化氣缸蓋的漏水試驗(yàn)

5.2 耐久性試驗(yàn)

將氣缸蓋-進(jìn)氣歧管集成化結(jié)構(gòu)安裝到標(biāo)準(zhǔn)VECV發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上,用于實(shí)施VECV標(biāo)準(zhǔn)耐久性試驗(yàn)(圖8),該試驗(yàn)臺(tái)上還配備了風(fēng)扇、交流電機(jī)、壓氣機(jī)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵等輔助加載裝置。該試驗(yàn)用于研究發(fā)動(dòng)機(jī)性能、零部件性能,以及試驗(yàn)過(guò)程中觀察到的問(wèn)題。

圖8 耐久性試驗(yàn)(發(fā)動(dòng)機(jī)和試驗(yàn)裝置照片)

該試驗(yàn)的目的是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、中等強(qiáng)度的加速試驗(yàn)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性,以及內(nèi)置零部件的強(qiáng)度、壽命和磨損趨勢(shì)。中型用途發(fā)動(dòng)機(jī)的典型試驗(yàn)周期為900 h(820個(gè)循環(huán)),試驗(yàn)循環(huán)見(jiàn)表3。

表3 VECV標(biāo)準(zhǔn)耐久性試驗(yàn)循環(huán)

其中,監(jiān)測(cè)是強(qiáng)制的。但是,在該概念設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中,步驟3在高怠速條件下進(jìn)行,其他步驟不受影響。步驟3和步驟4基本相同。試驗(yàn)循環(huán)周期為900 h(820個(gè)循環(huán))。在超速條件下運(yùn)行循環(huán)時(shí),超速的主要目的是加速磨損,通過(guò)提高峰值氣缸壓力(PCP)和噴油量測(cè)試機(jī)械和熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。超速試驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的是考慮發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫環(huán)境中的性能(高熱負(fù)荷)。發(fā)動(dòng)機(jī)必須根據(jù)試驗(yàn)循環(huán)及諸如冷卻風(fēng)扇、交流電機(jī)、壓氣機(jī)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向等輔助加載裝置運(yùn)行。

新型氣缸蓋-進(jìn)氣歧管集成化結(jié)構(gòu)完成了900 h(820個(gè)循環(huán))的VECV標(biāo)準(zhǔn)耐久性試驗(yàn),并且未出現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)和熱性能問(wèn)題,在耐久性試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)性能良好。

5.3 燃油消耗率試驗(yàn)

在VECV標(biāo)準(zhǔn)耐久性試驗(yàn)條件下測(cè)量2種設(shè)計(jì)在不同轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率。圖9所示為現(xiàn)有設(shè)計(jì)與改造設(shè)計(jì)的燃油消耗率的比較情況。與現(xiàn)有設(shè)計(jì)相比,改造設(shè)計(jì)的燃油消耗率略微高出0.5 kg/h。

6 結(jié)論

圖9 2種設(shè)計(jì)的燃油消耗率比較

采用鋁氣缸蓋-進(jìn)氣歧管集成化設(shè)計(jì),可節(jié)約成本達(dá)30%,質(zhì)量減輕40%,并且獲得更佳的疲勞性能(25%～30%),見(jiàn)表4。該集成化設(shè)計(jì)可使輕型商用車的質(zhì)量減少約25 kg,百公里CO2排放減少約2 g。由于無(wú)需采用昂貴的合金、進(jìn)氣歧管襯墊和螺栓(16#),因此制造成本較低。由于采用了輕量化設(shè)計(jì),因此燃油消耗率更低。該新型氣缸蓋設(shè)計(jì)改善了產(chǎn)品性能、可靠性和耐久性,并且節(jié)約了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本。

表4 兩種設(shè)計(jì)的質(zhì)量和成本比較