任雪美，黃皓，黃念劬

(中船動力研究院有限公司，上海 201206)

0 前言

船用柴油機氣缸蓋的冷卻性能對氣缸蓋的使用壽命至關(guān)重要。在柴油機的工作過程中，氣缸蓋承受因高溫燃氣產(chǎn)生的很高的交變負荷，其火焰面位置的熱疲勞失效問題尤其突出[1-4]。因此，在設(shè)計氣缸蓋時，需要在火焰面上方布置冷卻水孔對火焰面進行冷卻，盡可能地降低火焰面溫度，否則較高的溫度會引起熱應(yīng)力，超出材料許用極限的溫度甚至?xí)沟貌牧系牧W(xué)性能急劇下降，影響缸內(nèi)的燃燒過程和燃氣的排放特性[5-10]。

當高壓空氣通過啟動閥的高壓空氣通道進入燃燒室時，啟動閥與高溫、高壓的燃氣直接接觸，貫穿氣缸蓋的承壓面。為了保證氣缸蓋溫度的均勻分布并維持在材料許用范圍內(nèi)，氣缸蓋火焰面上方均勻布置的冷卻水孔需要橫穿過啟動閥安裝孔。因此，在拆卸啟動閥或者啟動閥損壞時可能導(dǎo)致冷卻水的泄漏。以某船用四行程大缸徑中速柴油機為例，開展氣缸蓋冷卻的優(yōu)化研究，通過有限元方法對不同的冷卻方案進行對比分析，以獲得合適的冷卻方法。

1 存在的問題

為了冷卻氣缸蓋火焰面，并得到相對均勻的溫度分布，氣缸蓋火焰面上方四周布置了冷卻水孔，分別對氣缸蓋鼻梁區(qū)、氣缸蓋閥座進行冷卻，如圖1所示。

圖1 氣缸蓋冷卻水孔

冷卻水穿過了啟動閥安裝孔，在啟動閥正常工作的前提下，啟動閥與氣缸蓋的錐面密封可以有效地保證冷卻水不會泄漏到燃燒室。當啟動閥出現(xiàn)損壞進而破壞了密封面，冷卻水可能通過圖2所示的錐面流到燃燒室；同時，在拆卸啟動閥時，需要先排干凈氣缸蓋中的冷卻水，否則也會出現(xiàn)冷卻水泄漏的情況。

圖2 冷卻水示意圖

2 氣缸蓋仿真模型

通過有限元方法分析不同的冷卻方案對氣缸蓋溫度的影響。建立氣缸蓋組件的有限元模型，包括氣缸蓋、氣缸套、啟動閥組件、閥桿和閥座等，如圖3所示。針對氣缸蓋和啟動閥的冷卻設(shè)計進行優(yōu)化，在不同的冷卻方案設(shè)計完成后，需要將氣缸蓋冷卻水孔和啟動閥的局部有限元模型同步更新。需要注意的是，氣缸蓋模型在進行網(wǎng)格劃分時，應(yīng)保證接觸位置的網(wǎng)格節(jié)點一一對應(yīng)，以便得到更加精確的求解結(jié)果。

圖3 氣缸蓋組件的有限元模型

3 冷卻方案

3.1 方案1

方案1在原設(shè)計的基礎(chǔ)上，取消啟動閥周圍的冷卻水孔，同時取消啟動閥上用來密封冷卻水的2處密封圈，取消接觸面。另外，將啟動閥與氣缸蓋之間錐面密封更改為平面密封，以降低加工難度。其余設(shè)計保持不變，如圖4所示。

圖4 氣缸蓋及啟動閥的冷卻方案1

通過仿真計算得到的氣缸蓋火焰面溫度如圖5所示。由圖5可以看出：處于高溫燃氣流出位置的2排氣道之間的鼻梁區(qū)最高溫度為355 ℃；而啟動閥附近的鼻梁區(qū)最高溫度達到了410 ℃，明顯高于其余3處鼻梁區(qū)，接近材料溫度的許用極限(420 ℃)。此外，啟動閥孔附近位置的溫度梯度過高，與其余位置的溫度梯度差異太大，火焰面的溫度分布不合理，氣缸蓋的可靠性大大降低。

圖5 方案1的氣缸蓋火焰面溫度

由以上分析可知，冷卻水孔直接冷卻火焰面，對氣缸蓋火焰面上方的承壓面溫度有著顯著的影響。該方案雖然從結(jié)構(gòu)上直接解決了冷卻水泄漏的風(fēng)險，但是會使得氣缸蓋的整體性能下降。

3.2 方案2

由于直接取消冷卻水孔，取消啟動閥冷卻的方法使得氣缸蓋局部溫度過高，因此方案2考慮擴大火焰面上方的冷卻水腔來加強冷卻效果。

在方案1的基礎(chǔ)上，向著火焰面方向擴大氣缸蓋水腔。由于可以擴充的水腔與噴油器孔相鄰，并且位于進、排氣閥座之間，因此在設(shè)計時，需要考慮水腔周圍的壁厚，保證擴充水腔方案的設(shè)計能夠滿足氣缸蓋的最小壁厚(15 mm)要求，否則會嚴重影響氣缸蓋的性能。

最終得到的設(shè)計方案如圖6所示，模型面剖面如圖7所示。

圖6 氣缸蓋及啟動閥的冷卻方案2

圖7 方案2的模型剖面

計算得到的氣缸蓋火焰面溫度如圖8所示。擴充水腔后氣缸蓋最高溫度下降了10 K左右，最高溫度的位置未發(fā)生變化，火焰面溫度分布不均勻的問題依然存在。與原方案相比，方案2為了保證氣缸蓋的壁厚，擴大后的冷卻水腔與火焰面之間的距離最小達到45 mm，依然大于原方案中冷卻水孔到火焰面的距離；同時，冷卻水在氣缸蓋水腔擴充區(qū)域的流動性比在冷卻水孔的流動性差。

圖8 方案2的氣缸蓋火焰面溫度

由于冷卻水孔到火焰面的距離和冷卻水的流動性都會影響冷卻效果，所以擴大冷卻水腔的方法能夠幫助降低氣缸蓋火焰面溫度，但并沒有明顯的效果，不能很好地解決氣缸蓋溫度分布不均勻的問題。

3.3 方案3

由以上分析可知，擴大冷卻水腔并不能有效地降低氣缸蓋溫度，反而會使得氣缸蓋承壓面的力學(xué)性能下降；同時，為了保證氣缸蓋的可靠性，啟動閥周圍的冷卻水孔無法取消。

最終考慮在啟動閥外圍增加襯套，為保證氣缸蓋的壁厚，需要擴大啟動閥安裝孔。優(yōu)化后的氣缸蓋和啟動閥組件如圖9所示，冷卻水孔保持不變，啟動閥襯套通過螺紋安裝在氣缸蓋，襯套上方采用密封圈密封，襯套底部采用螺紋密封，同時向上抬升啟動閥以保證襯套螺紋區(qū)域的壁厚，確保襯套的可靠性。計算得到的氣缸蓋火焰面溫度如圖10所示。

圖9 氣缸蓋及啟動閥的冷卻方案3

圖10 氣缸蓋溫度分布對比

由圖10可以看出：相比于原方案，方案3的氣缸蓋火焰面最高溫度為353 ℃，整體溫度分布比較均勻，并且與原方案的溫度結(jié)果基本一致。因此，增加襯套并擴大啟動閥安裝孔的方案基本具有可行性。

4 對比分析

4.1 溫度對比

為詳細分析氣缸蓋的溫度分布，抽取以上3種方案的溫度節(jié)點進行對比分析，結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出：取消氣缸蓋火焰面上方的冷卻水孔之后，方案1和方案2的P1、P2位置溫度急劇上升，而保持冷卻水孔不變時，氣缸蓋火焰面的溫度處在穩(wěn)定狀態(tài)；同時，修改啟動閥孔周圍的結(jié)構(gòu)對氣缸蓋其他位置的溫度影響不大。

圖11 不同方案的溫度對比曲線

4.2 應(yīng)力對比

為進一步驗證方案3的可靠性，將設(shè)計優(yōu)化前后氣缸蓋的主應(yīng)力進行對比分析，結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出：燃氣工況下，優(yōu)化前后的主應(yīng)力分布情況基本一致，應(yīng)力集中的位置主要出現(xiàn)在噴油器孔和啟動閥孔的底部。改進后，啟動閥孔附近的應(yīng)力狀態(tài)有明顯改善。

圖12 氣缸蓋應(yīng)力分布對比

5 結(jié)語

氣缸蓋火焰面上方的冷卻水孔布置是影響氣缸蓋整體溫度的關(guān)鍵因素，布置均勻的冷卻水孔能使氣缸蓋溫度分布均勻。

冷卻水腔的結(jié)構(gòu)也影響著氣缸蓋溫度，然而小范圍的結(jié)構(gòu)改動對氣缸蓋溫度分布的影響較小。

以某船用四行程大缸徑中速柴油機為研究對象，在保持冷卻水孔布置的基礎(chǔ)上增加啟動閥襯套，并且小范圍的縮小水腔結(jié)構(gòu)，可以解決啟動閥損壞或者拆卸時可能出現(xiàn)的冷卻水泄漏問題，同時又保證了柴油機氣缸蓋的可靠性。該方案可為船用大缸徑柴油機氣缸蓋冷卻及啟動閥改進等設(shè)計提供一定參考。