气缸孔变形及其对发动机的影响研究

论文摘要

缸孔变形对发动机的颗粒排放,可靠性等都有重要影响。性能方面:气缸孔变形大的发动机,由于活塞环不能很好密封,机油容易窜入燃烧室热解裂化产生颗粒,导致其颗粒排放水平差,很难达到对颗粒排放要求严格的国3排放法规要求;并且燃烧室燃气容易窜入曲轴箱,做功的燃气泄漏会导致燃油消耗率不理想。缸孔变形差的发动机往往很难达到排放升级的目的,当面临国家排放强制法规生效后,这些在市场上有一定的量,气缸孔不合格的发动机就面临淘汰的命运,会对企业造成重大损失。可靠性方面:气缸孔变形大的发动机容易耗机油、窜气及磨损缸套,导致新品开发进度慢及批产投放市场后三包维护费用大;机体和缸孔变形超过一定程度,还有可能导致气缸盖垫片密封失效,漏水漏气等严重故障。为制造出性能、排放达标及可靠性优异的发动机,必须开展缸孔变形的研究及优化工作。本人所属公司开展缸孔变形研究的背景是国3排放法规的推行及开发中由于发动机强化程度的提升和为降低燃油耗而减轻机体重量、减薄机体而伴生出现的耗机油、缸套磨损及气缸盖垫片密封失效,漏水、漏气故障的增多,导致公司新产品的开发面临很大的困难和挑战,公司技术部门急需提升产品水平解决面对的困难,早日开发成功新产品,为公司打下更多的市场份额增加更多的“炮弹”并增加公司的盈利和效益。本文开展了气缸孔变形测试及研究工作,测试及分析了各系列发动机产品气缸孔变形的水平并判断其是否适应进一步排放升级的要求,研究了各种减少气缸孔变形的方法,为公司技术层的决策提供了依据;定性及定量研究了气缸孔变形对发动机的影响,得出缸孔变形控制在一定范围就是可接受的结论;研究了各种减少气缸孔变形的方法并对问题产品进行设计整改和验证,选出最优的改进方案用于产品升级;用计算机有限元分析气缸孔的变形及其引起故障的机理,找到了最终解决发动机气缸盖垫片漏水、漏气,机油耗高等重大疑难故障的措施。本文开展研究工作得到的成果及收获是:(1)解决了某新开发机型气缸盖垫片漏水的故障。该机型开发早期,出现了气缸盖垫片漏水问题,开始认为是气缸盖垫片的问题,进行了多轮气缸盖垫片的整改验证都无法闭环故障,该机型的整个开发陷于停顿的状态。本文开展研究工作后,测试并研究了该机的缸孔变形,认为是机体和缸套的变形导致了气缸盖垫片密封不严漏水,而不是因为气缸盖垫片有问题而导致漏水,把整改工作从气缸盖垫片转移到机体及缸盖螺栓,最终解决了故障,使该机型的开发得以继续进行下去,现在该产品已经投放市场并开始为公司创造效益。(2)解决了某新开发的扩缸机气缸盖垫片密封不严的问题。该机开发以来,由于可靠性试验中,气缸盖垫片密封失效没有办法解决这一瓶颈而停滞不前,整改了多轮气缸盖垫片进行验证都失败了。本文开展研究工作后,发现该机扩缸后机体支撑气缸套的台阶部位受力超出材料承受范围,使气缸孔变形不合格,并使机体顶面产生永久变形而密封失效。产生问题的根本在于机体而不是气缸盖垫片。本项目分析清楚故障的原因后,开展了有限元分析和优化,选用最优改进方案进行了机体的设计更改,加强了机体强度,最终解决了该故障。该机型上市后,第一年就有1万台的需求。(3)极大的降低了发动机的机油消耗量和漏气量,使发动机更容易进行排放升级。某机型经过整改降低4阶变形后,机油消耗量及漏气量都降低了25%左右,这个成果可以推广到其它机型。减少机油消耗量可以减少用户的维护费用,降低有害排放;减少漏气量可以减少泄露到大气中的有害气体,同时增加参与做功的燃气,降低燃油消耗率。(4)摸清了气缸孔变形与机油消耗量、活塞漏气量的关系,得出气缸孔变形控制在一定范围内,继续减少变形对机油消耗量及活塞漏气量影响不大的结论。这一结论对即控制好缸孔变形又不大量增加成本有重要意义。(5)分析了某铝机体机型中低速漏气量大的问题,认为是由于机体强度不足导致发动机工作时气缸孔变形过大,从而活塞环与气缸壁面出现间隙而漏气严重。如果不解决机体强度的问题,继续开发这种发动机没有意义。该款发动机使用铸铁机体后,很长转速范围内发动机漏气量基本不变,这个也需要关注并作进一步分析。(6)摸索及总结出了大量用于减少缸孔变形的方法。缸孔变形主要原因是受外力的作用,减少外力、优化装配工艺以及加强机体、缸套强度都可以减少缸孔的变形。(7)本文首次对缸孔变形的柔顺程度(缸孔变形的变化率)进行了分析,认为除了缸孔变形的阶次外,变形的柔顺程度(变化率)对活塞环能否有效弥补气缸孔的变形也很重要。缸孔变形的变化率对活塞环的有效密封也有影响是一个全新课题,在气缸孔变形研究领域内是本文首次提出。(8)通过计算机有限元分析模拟了受气体力状态下,机体及气缸孔的变形。对既受螺栓预紧力,又受气体力作用的气缸孔变形进行了深入研究,得出了相关结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的工程需求和现实意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究工作的主要内容
• 第二章 缸孔变形测量设备、测量方法及测量理论基础
• 2.1 测量设备
• 2.2 测量方式
• 2.3 测量方法
• 2.4 测量理论基础
• 2.5 缸孔变形的限值
• 第三章 部分机型的缸孔变形测量及分析
• 3.1 第 1 种机型的缸孔变形测量及分析
• 3.2 第2 种机型缸孔变形测量及分析
• 3.3 第3 种机型的缸孔变形测量及分析
• 3.4 第4 种机型缸孔变形测量及分析
• 3.5 第5 种机型缸孔变形测量及分析
• 3.6 第6 种机型缸孔变形测量及分析
• 3.7 第7 种机型缸孔变形测量及分析
• 3.8 第8 种机型缸孔变形测量及分析
• 3.9 第9 种机型缸孔变形测量及分析
• 3.10 测试汇总结果的统计分析
• 3.11 本章小结
• 第四章 缸孔变形与机油消耗、活塞漏气量关系的分析
• 4.1 缸孔变形与机油消耗
• 4.2 缸孔变形与活塞漏气量
• 4.3 本章小结
• 第五章 减少缸孔变形的各种方法及试验验证
• 5.1 缸孔变形产生的原因
• 5.2 各种减少缸孔变形的方法及试验研究
• 5.3 改进件的验证试验及最优方案选择
• 5.4 本章小结
• 第六章 气缸孔变形的计算机有限元分析
• 6.1 计算分析的目
• 6.2 有限元模型和边界条件
• 6.3 计算结果及分析
• 6.4 有限元分析结论
• 第七章 各种与缸孔变形有关的故障及解决
• 7.1 气缸垫漏水故障分析及解决
• 7.2 冲缸垫故障原因分析及解决
• 7.3 缸套早期磨损问题的分析及解决
• 7.4 某发动机中低速漏气量大问题的分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 缸孔变形研究的意义及展望
• 8.1 缸孔变形研究的意义
• 8.2 缸孔变形研究的展望
• 第九章 全文总结
• 参考文献
• 附录一
• 致谢
• 攻读学位论文期间发表的学术论文目录及奖励