1 前言

密封性能的優(yōu)劣對發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)與技術(shù)狀況有著重要的影響，而隨著大眾對舒適性的日益重視，發(fā)動機(jī)的外觀整潔性也變得越來越重要，因此選擇合適的密封技術(shù)和密封工藝是發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)人員必須要考慮的一個問題。與此同時，現(xiàn)代發(fā)動機(jī)正向重量輕、功率大、體積小方向發(fā)展，越來越多地采用新技術(shù)、新工藝，而由于市場競爭的激烈，發(fā)動機(jī)的研發(fā)周期卻需要不斷地被縮短。因此，只憑借設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)情況來指導(dǎo)密封設(shè)計(jì)，無論從可行性還是從時間性來看都已難以滿足實(shí)際要求。在現(xiàn)代發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中，數(shù)值分析技術(shù)已被充分證明可以對設(shè)計(jì)工作提供指導(dǎo)性的意見，并大大縮短開發(fā)時間和開發(fā)費(fèi)用。

 

本文采用流固耦合的方法使用ABAQUS 計(jì)算了發(fā)動機(jī)整機(jī)的溫度場，其中溫度邊界取之于燃燒計(jì)算與水套 CFD 計(jì)算，然后計(jì)算了熱變形，最后對發(fā)動機(jī)主要部件間在冷機(jī)、熱機(jī)狀態(tài)下的密封性能進(jìn)行了評估。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對密封性能進(jìn)行了評估，并對設(shè)計(jì)方案提出了修改意見。

 

2 發(fā)動機(jī)密封

微觀檢測表明即使 2 個加工最好的表面貼合在一起，兩者之間的接觸面積也只有 25%～35%，其他的表面實(shí)際上是脫離的。因此，對于有嚴(yán)格密封要求的表面，墊片必須被使用來保證系統(tǒng)內(nèi)部的流體不泄漏和外部的污染物質(zhì)不侵入。

 

發(fā)動機(jī)部件之間由于密封狀況和密封要求各不相同，密封形式非常多元化。按是否接觸分有接觸式密封和非接觸式密封，其中以前者為主要方式。接觸式密封又分為動密封與靜密封，動密封主要涉及活塞環(huán)、氣門桿這些運(yùn)動部件，其他部件的密封形式基本都屬于靜密封。再進(jìn)一步細(xì)分，靜密封使用的墊片可以有固體、液體兩種類型。缸蓋與缸體之間、缸蓋與排氣歧管之間由于溫度很高，工況惡劣，都是采用固體的金屬墊片，而對于其他部件則基本是液體墊片，這部分正是本文要分析的內(nèi)容。液體墊片亦分很多類型，但對于現(xiàn)代發(fā)動機(jī)而言，一般采用的是現(xiàn)場成型式墊片，主要有厭氧膠和硅膠。這兩種墊片各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際情況來選擇使用。

 

3 計(jì)算模型和邊界條件

3.1 材料屬性

由于要考察熱機(jī)狀態(tài)下的密封性能，發(fā)動機(jī)各主要部件材料參數(shù)的溫度相關(guān)性以及塑性硬化特性被考慮，相應(yīng)各材料的材料特性取之于奇瑞內(nèi)部材料數(shù)據(jù)庫。

 

3.2 溫度邊界條件

溫度場計(jì)算的邊界條件由 CFD 分析計(jì)算得到，圖 1～圖 3 給出了燃燒室及進(jìn)排氣道內(nèi)流場、缸套壁面內(nèi)流場、水套內(nèi)流場的 HTC 和溫度。對油路及機(jī)油接觸面，則給予近似溫度邊界條件。

 

 

圖 1 燃燒室及進(jìn)排氣道的 HTC 和溫度

 

 

圖 2 缸套壁面的 HTC 和溫度

 

 

圖 3 水套的 HTC 和溫度

 

3.3 熱變形計(jì)算

熱變形計(jì)算分 4 步，第一步施加螺栓預(yù)緊力將整機(jī)裝配起來，第二步固化第一步計(jì)算的結(jié)果，第三步計(jì)算熱機(jī)狀態(tài)下的變形，第四步計(jì)算冷卻到室溫下的變形。需要注意的是，由于材料考慮到溫度相關(guān)性和塑性硬化特性，第四步的結(jié)果與第一步的結(jié)果是不一樣的，應(yīng)使用第四步的結(jié)果來評估冷機(jī)狀態(tài)。

 

表 1 需進(jìn)行密封分析的裝配面及密封類型

 

 

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 溫度場計(jì)算結(jié)果

圖 4 給出了發(fā)動機(jī)整機(jī)的溫度分布，最高溫度出現(xiàn)在缸蓋燃燒室的鼻梁區(qū)，為 235 度，缸體的最高溫度為205 度，這個數(shù)值與試驗(yàn)測量值非常接近。圖中還分別給出了罩蓋及凸輪軸蓋的溫度分布，這些部件的密封性都將得到分析與評估。

 

 

圖 4 整機(jī)溫度場

 

4.2 熱變形計(jì)算結(jié)果

圖 5、6 為凸輪軸蓋與缸蓋裝配面在冷機(jī)與熱機(jī)下的接觸壓力與張開量。結(jié)果顯示，裝配面部分區(qū)域的接觸壓力較少，張開量較大，密封可能會存在問題，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改。

 

 

圖 5 冷機(jī)下凸輪軸蓋張開量與接觸壓力

 

 

圖 6 熱機(jī)下凸輪軸蓋張開量與接觸壓力

 

圖 7-1、7-2 分別給出了冷、熱機(jī)狀態(tài)下罩蓋與缸蓋裝配面之間的張開量。結(jié)果顯示，罩蓋下部的張開量稍大，但仍在可接受的范圍之內(nèi)，密封性能滿足要求。

 

 

圖 7-1 冷機(jī)下罩蓋與缸蓋張開量

 

 

圖 7-2 熱機(jī)下罩蓋與缸蓋張開量

 

同理，表 1 中列出的框架與缸體，罩蓋與缸體，油體殼與框架之間的密封性能都可以得到全面的分析與評估，考慮到篇幅所限，便不再列出。

 

5 結(jié)論 

(1) 分析結(jié)果表明，該發(fā)動機(jī)凸輪軸蓋與缸蓋間裝配面的密封存在問題，應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，比如移動螺栓孔的位置以改善壓力的分布。

 

(2).利用 ABAQUS 軟件強(qiáng)大的流固耦合與接觸計(jì)算功能，可對發(fā)動機(jī)整機(jī)主要部件間的密封性能進(jìn)行全面精確的分析評估，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)時間，有效地縮短了發(fā)動機(jī)的開發(fā)周期。

 

資料來源：達(dá)索官方