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一种紧凑型铝缸盖设计
摘要：
柴油机气缸盖是一个多功能部件，它在决定发动机的性能和排放参数的同时，还起着机体构成和机体密封作用。其上有进排气门、喷油器、用于优化传热的冷却通道、气门传动机构和润滑回路，以及在我们的案例中集成的公共轨道燃油喷射泵的相关组件。铝的重量很轻。柴油机喷油方式是直接喷射，气缸受较高的热力和机械负荷，所以必须足够坚固以承受较高的工作温度和极高的燃烧压力。设计和开发高效的进气和排气口是整个设计的关键。
气缸的紧凑性不仅有利于包装，而且还能使其外表光亮。从设计角度出发，考虑到每个气缸位置的中心位置、缸盖定位销钉、缸盖螺栓接收位置等。接下来，我们希望从布局开始，使它可以容纳气门、火花塞、喷油泵、机油泵、螺栓等。同时应考虑到模块化气缸盖高度的设计，以适应凸轮轴和其他需要。
随着排放标准日渐严格，需要优先考虑排放和进气涡流。当然，柴油机的气缸盖设计还是最主要的。我们可以考虑在设计时加一个火花塞，这将使发动机具备多燃料能力。本文讨论了在复杂环境下设计紧凑气缸盖的方案。铝合金的选择在气缸盖设计和制造过程中起着至关重要的作用，要求在加工后的气缸盖误差足够小。最终我们了采用线性和非线性设计变量，用简约的方法设计了一种高效的双气门气缸盖，用于LCV的1.5升发动机。
通过独特的结构布局，我们不仅可以获得最大的气门直径、在最优位置安装火花塞或喷射器，同时也可以使气门摇臂更有效率。
1介绍
该气缸盖的设计观念较为主观，在性能和应用上有一定的取舍。设计优化是关键的一步，涉及到冷却剂回路的调整、油道的确定和燃烧室布局。燃烧室布局确定后，气门设计就开始了。如果在初始设计阶段进行验证气缸所需的物理测试，那么设计的准备时间将会急剧增加。气门形状在AVL上通过模拟涡流测试来决定。CAE、CFD和所有的计算都主要用于确定3D模型的最终规格。在制作3D模型、铸造开发核心和模具时，要根据供应商的投入来通盘考虑。进气和排气口的位置对于决定气门摇臂的厚度至关重要。其厚度是根据材料、强度和传热要求决定的。螺栓螺距是设计冷却剂回路和油道位置需要考虑的因素。
2 设计
气缸盖是为直喷柴油发动机而设计的，但也经过验证（理论上和实际）可用于多燃料发动机。设计的灵活性扩展了液体（柴油，汽油）和气态燃料（CNG， LPG，氢）等燃料选择。为LCV应用设计一个紧凑气缸盖的主要特征是；
bull;燃烧室布局和气门设计
bull;材料
bull;进排气口
bull;冷却剂和油道
bull;设计亮点
2.1燃烧室布局和气门设计
2.1.1气门和喷油泵位置
开始气缸盖设计前需要先设计镗孔、冲程、阀杆数、螺栓螺距、进气口和排气口布置。对于这个3缸1.5升的发动机，在经过热动力学模拟后，钻孔最终确定为80mmtimes;98mm大小。这种孔径使动力和排放间产生独特的平衡。随着一种新燃烧室布局的确定，气门的布局是平行设计的。
LCV和客车主要集中都是双气门或四气门设计，以有效管理发动机进排气系统。4个气门的配置提高了发动机在更高转速下的容积效率。但这也增加了往复和旋转部件的数量，导致摩擦增加，同时也增加了成本。
进气和排气口的位置加上喷射器位置对发动机性能有重大影响。发动机的气门布置可大致分为横流和单流。在横流布置中，进气和排气口彼此相对，而在单流设计中，进气和排气口是平行排列的，并且在同一侧。
气门安排在性能和排放方面都有其独特的优势。用于直列式发动机应用的横向流动布置的缺点是涡轮增压器路线的复杂性。因此，在自然吸气或增压的汽油发动机中，交叉流动的安排通常是有利的。我们的发动机是为涡轮增压的应用而设计的，因此焦点偏向于单流装置。这一安排的另一个优点是，在没有重大设计修改的情况下，发动机在横向和纵向的安装上都已经得到了验证。（适用于商用车辆及轿车段的包装。）
在一个二气门的设计中，喷油器是倾斜的，因为气门位于孔中心附近，因此完全将喷油器安装在中心。二气门的喷射器比四气门系统更坚固，这是由于发动机润滑油连续传热会引起恒热应力。在单流布置中，喷油器的位置是至关重要的。喷油器可以放置在左侧或相反的一侧。在我们的应用中，喷油器设计在气门的对面。这也将提供足够的空气冷却和保持喷油器的工作温度远低于设计限制。
2.1.2气门设计
在气缸盖的燃烧室定型后，得出了进气和排气门尺寸。由于选择了二气门设计，气门直径的设计对这个项目至关重要。发动机功率与单位时间内燃烧的空气质量成正比。因此，进气门设计对于实现高容积效率至关重要。进气门越大，进气越多。
气门的直径与缸径成正比。从理论上讲，对于二气门直喷式柴油机的应用，建议将进气门直径为0.44times;b和0.38times;b的排气门作为设计准则。在我们的发动机中，由于需要更高的升功率，需要设计更大的进气门、更大的气门直径、更好的体积效率和清洁效果。与理论的相比，进气和排气门的直径分别增加2%和3%。排气门面积比进气道增加了一个百分比，以减少节流损失。由于这是一个涡轮增压发动机，节流损失应该保持在较低的水平，以节省燃料，这样它就可以被涡轮转化为有用功。
2.1.3气门横臂
气门的直径越大，吸力和排气行程的压降就越低。我们的发动机有一个最大的进气门和排气门区域，两者重叠了38%的孔面积——这是最小的理论气门面积，可以把这项设计应用于4气门发动机。
采用节约工程技术，实现了更大的气门面积。提高发动机气门直径的主要限制是气门横臂间隙。理论上间隙差距应该是0.12times;b。当气门直径增加（内径固定）间隙差距减少。需要一个最小的横臂厚度来减少从排气到进气的传热，这将影响容积效率。除此之外，横臂应该足以承受气门的热应力和轴向负荷。
设计最大直径的进气门的目的是实现二气门发动机的最大容积效率。这导致在进气门和排气门之间有重叠的倒角。CFD分析结果表明，该气门座在高应力状态下连续受到疲劳载荷的影响。为了减少压力，在不降低气门直径的情况下，横臂间隙必须增加。
2.2进气和排气口
2.2.1进气设计
发动机气缸内的气体运动是控制柴油机燃料-空气混合和燃烧过程的主要因素之一。对于进气门位置和进气口几何形状更加典型的发动机来说，所产生的进气情况更加复杂。通过在柴油机缸盖上引入空气运动来有效地完成混合过程，也称为涡流。涡流是为确保适当的空气燃料混合物而产生的有组织的旋转。在感应过程中，使用了两种方法来制造涡流。在其中一种情况下，气流会沿着圆筒向圆筒状的壁面排去，在气缸壁上，它会向一边倾斜，并呈漩涡状向下运动。在另一种情况下，漩涡主要是在进气道内产生的：在进入气缸之前，气流绕着气门轴旋转。由该气门产生的涡流比较独立，不像偏转的漩涡，它不受圆柱轴的影响，这也是制造一致性的首选。
涡流是在感应阶段进气口速度计算的平均气流。涡流数与燃油喷射压力成反比。由于最近的研究倾向于较高的注射压力，应该选择较低的漩涡。在我们的发动机中，注入压力要求最终确定为＞1400Pa。基于相似发动机的基准测试，发现了1.8到2.2的涡流比范围是合适的。
对于燃烧改进，3号气缸盖进行了涡流调整。定义的涡流级别为1.8、2.0和2.2。在气缸盖上对进气口进行修改，以实现必要的涡流水平。在进行流量测试时，测量了气缸盖的进气涡流，并通过适当磨削进气口气道，修正了1.8、2.0和2.2的数值。在这一操作中，我们观察到任何在气道上产生的尖锐的凸痕或凹痕都会加速液体的流动，并导致更大的涡流，从而减少了涡流数量。采用桨轮布置方式对三缸头进行涡流测量，发现其中有两种涡流系数较好，适用于发动机。两个选定的气缸盖在同一台发动机上的性能数据进行测试时，通过1.8和2.0的涡流对气缸盖进行耐久性试验，得出具有2.0涡流的气缸盖具有较低的制动比燃油消耗和较低的排气温度的明显优势。
除了涡流数外，进气门设计的另一个重要因素是外扩型气门——其散度应该是线性的，具有平滑的轮廓。影响气门形状的主要因素是缸盖螺栓的位置。该设计使进气门内的流动波动减小到最小。
2.2.2排气设计
排气门的优化设计主要目的是为了得到最佳的气门横截面面积和良好的冷却效果。为了达到这一目的，在弯头区域提供了喷嘴流量，以避免流量分离并平稳过渡到出口区域。这将使废气的动能转化为成为压力能，以此来改善流动系数。排气门形状有关系的是倾斜的喷油器喷嘴和缸盖螺栓。由于相对较小的出口区域，涡轮的排气脉冲的能量转换将达到最佳，因此在加速时的瞬态发动机工况可以得到有效提升。
beta;比在排气门设计是至关重要的。以2气门柴油机的统计数据为基准，平均为0.124到0.145。
由于单流布置，进气口和排气口会偏移于孔中心，以适应喷射器偏移。这个布局的一个优势是排气门较短，这有助于我们减少对冷却剂的热排斥，并将最大的能量输送到废气中。通过排气而不是冷却剂来最大限度地排出热量。从排放的角度来讲，这种布置行之有效，因为它确保了阳离子能更快地降低温度来帮助减少排放以及贵金属载荷。
进气道的涡流比2.0和排气口beta;系数为0.13的结论提供一个最佳的性能和热管理之间的折中方案。
2.3材料
对气缸盖材料的选择是关键，选用铝材为其提供了重量比上的优势。铝的重量是铸铁的1/3，将降低发动机的成本。采用铝后发动机重量减少了10%。在铝生产过程中消耗的能量也较少，因此间接成本优势得以实现。这是由于铝的低熔点（660°C）也减少了碳污染。铝具有较好的散热性能，降低了气门总成的工作温度。高导热系数（200 w/mk）具有良好的抗蠕变性，消除了铸铁缸盖上的气缸盖裂纹。由于摩擦系数较低，铝材具有良好的润滑性，通过取消直接顶置凸轮轴的轴承，使该性能得到了有效的应用。
在此基础上，对铝硅合金的发动机应用进行了定稿。铝硅合金具有良好的流动性和良好的耐压性。在熔融过程中，大多数金属（除灰铁和铋）都会发生体积膨胀，在凝固过程中冷却收缩，这可能会发展为半固态金属的内部应力。这种现象主要发生在铝合金之类的复杂铸件中。为了克服内部应力，我们对缸盖进行了分析和检测，消除了铸造阶段残余应力的存在。因此，在铸造设计阶段，通过有效地利用软件仿真技术，在凸轮轴座、头螺栓固定区域和燃烧室中，气缸盖的残余应力限制在25 MPa以内。利用合资公司的优势，通过他们的技术标准提高了我们对材料选择的底气。
本文还提出了一种铸造验收标准，用以监测铝铸件产生的问题，降低废品率。铸件验收标准涵盖了对铝缸盖进行化学成分、微观结构、抗拉强度、枝晶臂间距（DAS）、残余应力、硬度、内部孔隙度和其他一般质量要求等质量参数检验的程序和规范。
2.4冷却和润滑回路
2.4.1冷却剂
发动机的热量传输能力是决定构件的排放水平和疲劳寿命的关键因素。在发动机中，燃烧产生峰值温度可以达到2200左右。热能通过传导、对流和辐射传递给冷却剂。
发动机的总热量输入如下所示（公式1）：
Qt=mf ·Hu
总热量输入=有效功率 废气 壁面热损失 油冷却器 其他（对流和辐射）
有效功率、壁面热损失和油冷热损失是热力学计算的初步结果。
大约22%的热量是通过对流和传导传热损失的。通过将热能作为CAE分析的输入，我们研究了热能对发动机的影响。这一分析对于确定气门横臂的疲劳区域至关重要。如前所述，气门横臂一直被保持在气门区域的最小值。在复合分析中，冷却剂套热、气体温度和压力作为输入参数。
冷却剂回路在气缸盖上的两个主要功能是：带走燃烧室的热量、减少从排气口到进气口的传热。这使得排气口、进气口和气门总成的工作温度保持在低水平。该发动机的特点是拥有纵向流动概念的缸体和缸盖。在这里，水泵位于发动机的前端，冷却剂通过周围的多个通道被泵入缸盖。
该设计保证了冷却剂的平稳流动，避免了缸盖内的热点，避免了死水区。除了控制切割（在进气和排气口之间），在汽缸盖水套中引入偏转器有助于保持温度低于230度。
出口节温器设计用于发动机应用，可提高设计坚固性和燃油经济性。将恒温器结合到气缸盖本身中，不再需要附加的节温器外壳盖。除了冷却功能外，水套还可用于连接EGR冷却器、串联箱式加热器。
2.4.2润滑
润滑回路在气缸盖中是很关键的部分。气缸盖中有许多部件都需要润滑，包括挺杆和凸轮轴。在任何时间，都需要有大约1/3的机油在油回路中可用。为了确保发动机的顺利启动，油路的设计是为了使机油更顺利地到达各个地方。油流要求是根据凸轮轴的间隙、挺杆润滑要求来计算的。
汽缸盖中存在的三种润滑类型是喷溅、喷射和槽式润滑。
2.5设计亮点——创新
通过安装燃油喷射泵（FIP）壳体、皮带张紧器和气缸盖本身的自动调温器，实现了紧凑气缸盖的创新方法。这是除了对气缸盖的常规功能要求（包括安装凸轮轴、气门机构、喷射器、共轨和歧管）外的一个独特的设计，我们是这个概念的先驱。
无油封的FIP安装泵
在气缸盖的后侧，FIP外壳通过加长凸轮轴并结合凸轮驱动的凸叶以驱动FIP来实现。这是专利。考虑到燃油喷射泵所产生的扭转和振动负载，该项安装是专门设计的。虽然安装只在壳体的下半部分完成，但有效的密封可通过气缸
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