瞬态温度循环下的气缸垫密封分析与设计

潘琼瑶， 冉帆

(泛亚汽车技术中心有限公司， 上海 201201)



瞬态温度循环下的气缸垫密封分析与设计

潘琼瑶， 冉帆

(泛亚汽车技术中心有限公司， 上海 201201)

针对气缸垫易于失效的受载和瞬态温度循环工况，提出了瞬态温度循环下的气缸垫密封设计与分析方法。采用材料和接触非线性有限元方法建立缸体、缸盖、气缸垫和螺栓一体化分析模型，进行瞬态温度和结构密封分析，采用密封压力和凸筋跳跃量对气缸垫密封进行评价。通过分析，识别出密封压力和凸筋跳跃量存在风险的区域，对设计进行改进，合理设置停止片高度，做到密封压力和凸筋跳跃量之间的平衡。

瞬态温度； 非线性； 有限元分析； 气缸垫； 密封

气缸垫在发动机中属于紧固密封类零件，体积虽小，功能却十分重要。气缸垫连接发动机两大核心零件：缸体和缸盖，对其中的燃烧室、冷却水套和油道起着密封作用。如果气缸垫发生失效，会造成油水混合、燃气泄漏等严重密封问题，在发动机产品开发中必须避免。

传统发动机开发中，气缸垫的密封性能一般通过试验来考核，存在两种不同的认证试验：第一种是发动机在全速全负荷下稳定运转；第二种是发动机冷起动、极速升温和冷却循环，考验气缸垫在整车急加速急减速工况，考虑高低温交变情况下的密封性能。近来随着计算机技术的发展，有限元分析可以在气缸垫开发早期预测风险，对设计提供指导。兰银在等[1]，张洪超等[2]将三维接触非线性有限元方法应用于气缸垫的密封性能分析中，得到了与实测较为一致的结果。Suresh Kumar Kandreegula等[3]通过常温、高温装配，高温点火等工况的分析，发现气缸垫密封压力受到螺栓预紧力、气缸垫设计的影响，而当考虑到温度载荷时，垫片的压力分布会有很大的改变。文献[4-8]探讨了气缸垫凸筋、冷却液温度对密封的影响，但仅考虑标定功率点的稳态温度分布，相当于第一种认证试验，而第二种试验对密封性能的考核更严格，发动机瞬态温度循环对密封的影响不可忽视。本研究将着重研究瞬态温度循环工况下气缸垫的密封性能。

1 金属气缸垫的设计特点和模拟分析

金属气缸垫主要由凸筋起密封作用，一般用全筋来密封高温燃气，用半筋密封水道和油道。图1a示出了气缸垫的凸筋布置，图1b示出了两缸之间气缸垫的凸筋截面。在复杂的运行工况中，由于螺栓力和温度冷热交替变化，缸体和缸盖的变形也会改变，从而引起凸筋不同的压缩和回弹变形，这一变形是非线性的。如果凸筋压缩量较大，结构再次发生回弹时，凸筋不易跟随，可能会带来密封失效，因此在燃烧室周围的全筋旁一般会布置停止片(stopper)，防止全筋被过度压缩。

图1 气缸垫凸筋布置形式和横截面

ABAQUS软件对金属垫片设置了特殊的gasket单元，其物理属性表征了压力和压缩量的关系(见图2)，其中包括加载和卸载段，通过试验可以得到每条凸筋的曲线。建立缸体缸盖一体化分析模型，包括缸体、缸盖、螺栓、气缸垫等，计算在螺栓装配、温度变化、爆发压力作用下的结构变形，即可得到各凸筋的密封压力和压缩量。

图2 金属垫片压力变形量曲线

2 气缸垫密封性能影响因素研究

根据文献和实际经验，影响气缸垫密封性能的主要因素是螺栓预紧力、瞬态温度、凸筋布置等，这里主要阐述瞬态温度循环的影响。温度是密封问题的重要影响因素，密封主要取决于结构变形，而冷热变形在缸体缸盖结构中占很大的比重。在发动机冷热循环冲击工况下，密封失效可能性更大，原因在于结构各部位升温和降温不同步，在变温过程中可能存在比稳态更极端的温度分布，密封条件更恶劣。

图3和图4分别示出稳态最高温度和瞬态升温工况的密封压力(本研究中为线压力)，在压力分布和最小密封压力数值上，二者都存在很大的差异。气缸垫前端节点路径(沿图3箭头所示方向)上的密封压力见图5，稳态温度下密封压力远高于10 N/mm的要求，而瞬态温度下，密封压力只有6.7 N/mm，不能满足密封要求。故应重点研究瞬态温度分布对气缸垫密封性能的影响。

图3 稳态最高温度下密封压力

图4 瞬态升温工况密封压力

图5 稳态与瞬态温度密封压力对比

3 气缸垫密封性有限元分析

随着发动机设计的小型化和功率密度提升，依据经验来开发发动机已经不能满足性价比要求，通过有限元分析，可以对气缸垫设计进行评估和优化，减少试验风险。

本研究综合考虑凸筋的材料非线性特性和密封性能的影响因素，提出了气缸垫在瞬态温度循环下的设计与分析流程(见图6)。

图6 气缸垫设计与有限元分析流程

3.1 评估指标

对于气缸垫的可靠性和耐久性，有两个重要评估指标：密封压力和凸筋跳跃量(凸筋高度的变化量)。

1) 密封压力

气缸垫的作用是保证被密封介质不发生泄漏，因此要求在气缸垫凸筋上形成足够的密封压力，从而实现有效的密封。需要多大的密封压力，则要根据介质的压力来确定，一般需要超过介质压力的4倍。例如对于燃烧室周围的全筋，在初始装配后，密封压力需要超过5倍最大爆发压力；在工作过程中，高温爆发压力作用下，密封压力需要超过4倍最大爆压。

2) 凸筋跳跃量

为保证气缸垫持续有效的密封性能，凸筋本身的疲劳性能也至关重要。凸筋在反复压缩和回弹之后，容易出现开裂，后续运转时如果发生减载，凸筋无法回弹，也会带来泄漏、烧垫片等后果。因此引入另一个评判指标：凸筋跳跃量，其表征的是在不同工况点凸筋高度或者压缩量的变化幅度。凸筋跳跃量的许可值需要通过试验确定，在给定压缩回弹量下，反复加载卸载，凸筋能承受给定次数对应的跳跃量，即是凸筋跳跃量的许可值。

3.2 设计改进方法

在初始设计分析结果不理想时，往往需要从垫片凸筋布置、筋形选择、缸体和缸盖结构三方面来改进。一般窄高型的凸筋能提供更大的密封压力，但可能会出现较大的跳跃量，需要在压力和跳跃量之间作平衡。而零件结构刚度比较好时，密封性能更容易达到要求，对密封压力和跳跃量都有利。通常在远离螺栓处，结构在温度和载荷变化时的变形会更大，凸筋跳跃量比较大，需要增加停止片，防止凸筋被过度压缩。停止片的高度可以通过计算得到。如图7所示，根据进排气侧凸筋的间隙值变化，可以看到跳跃量很大，如果增加图中阴影部分所示70 μm高的停止片，则凸筋能跳跃的区域变成阴影以上的部分。

通过有限元分析，可以发现密封不足或凸筋强度有风险的区域，从而更改设计以减少试验泄漏风险。

图7 停止片高度设定方法

4 瞬态温度循环下的气缸垫分析与改进示例

4.1 瞬态温度分析

瞬态温度分析是气缸垫密封分析的基础，在稳态温度分析的基础上，需要施加随时间变化的换热边界，为了更接近于试验工况(见图8)，采用热循环认证试验得到的冷却液温度和压力曲线，通过水套CFD计算得到壁面换热边界；由机油温度曲线结合经验换热系数，施加油面边界；根据转速和功率曲线由GT-Power给出燃烧室内换热边界。

图8 瞬态循环工况

由瞬态温度场结果来看，结构瞬时温度分布与稳态最高温度不同，各区域温度变化不同步(图9示出缸盖鼻梁区和前端温度结果)，结构热胀冷缩不一致，因此对气缸垫的密封性能考验更大。

图9 缸盖不同位置瞬态温度

4.2 初始设计密封分析

对于某气缸垫初始设计，采用了两种加载方法：方法1直接施加名义螺栓预紧力，后续运行温度变化工况；方法2初始施加名义螺栓预紧力，预升温至最高温度，再降至常温并衰减预紧力25%，后续运行温度循环工况。

图10示出发动机前后端处凸筋压力、压缩量的历程。结果显示：螺栓力越大，凸筋压缩量越大，密封压力越大，跳跃量越小。在计算方法的选择上，因为螺栓力必然存在衰减，这对密封压力和跳跃量结果都偏恶劣，因此选用方法2计算。

图10 原始设计气缸垫密封压力与压缩量历程

前后端的最小密封压力和最大跳跃量见表1，可见原始气缸垫设计的主要风险在于前端密封压力不足，后端跳跃量过大。

表1 不同计算方法结果对比

4.3 设计改进与验算

对于原始气缸垫设计中存在的风险，改善前后端密封性能的关键是阻止凸筋前期过多受压，避免造成后续密封力不足和跳跃量过大。根据凸筋压缩量历程计算结果，结合凸筋的压缩回弹曲线，把后端右上角support高度提高30 μm，在前端左上角增加高度为40 μm的support，预计可使后端跳跃量减少20 μm，使前端密封压力增加至10 N/mm以上。改进后气缸垫布置见图11。

图11 改进版气缸垫布置

从表2和图12计算结果来看，后端右上角的凸筋跳跃量和密封压力均有改善。

表2 不同方案计算结果对比

图12 气缸垫密封压力与压缩量对比

1) 凸筋跳跃量由122.7 μm降低至102 μm。分析原因：对于3层垫片，凸筋最大可压缩量是0.6 mm，对于70 μm的support，凸筋最大能压缩0.53 mm，而对于100 μm的support，凸筋最大只能压缩0.5 mm，最终回弹的压缩量差不多，因而压缩量的变化幅度可以降低20.7 μm。

2) 凸筋最低密封压力可由10 N/mm提高到12.8 N/mm。原因在于，从凸筋的LD曲线卸载段可看出，凸筋前期被压缩量越大，后续回弹后其上的压力越低。例如，从图13中点虚线和短虚线两条卸载曲线来看，压缩至短虚线圆圈处和点线的三角形处开始卸载，凸筋发生回弹，达到点划线标出的压缩量处，短虚线上的压力值比点线上的小。也就意味着，前期过量的压缩会造成后续的压力不足，而增加后端的support高度，可以避免凸筋过度压缩。

基于与上述相同的原因，在前端加入停止片后，密封压力和凸筋跳跃量也得到了改善。

图13 凸筋压缩回弹曲线

5 结束语

本研究对瞬态温度循环工况下的气缸垫密封分析方法进行了介绍，并把分析方法应用于改善气缸垫密封压力和凸筋疲劳性能，得到了较好的效果。有限元方法应用于气缸垫的设计中，可以用于选择凸筋类型，设定停止片高度，提出设计改进意见，减少试验失效风险。螺栓预紧力、瞬态温度、凸筋布置是影响密封性能的主要因素，在分析中需要尽量接近实际运行工况。根据有限元分析结果，结合凸筋的压缩回弹曲线对设计进行改进，可以达到密封压力和凸筋跳跃量之间的平衡。

[1] 兰银在,王根全,周海涛.气缸密封性能的非线性接触分析[J].润滑与密封,2012,37(7):60-63.

[2] 张洪超,倪计民,杜倩颖,等.车用发动机气缸密封垫的密封性能研究[J].内燃机工程,2011,32(5):84-87.

[3] Suresh Kumar Kandreegula, Umashanker Gupta, Sw-apnil Vyas.Investigation of gasket sealing behavior of cylinder head and block under engine operating conditions and its experimental verification[C].SAE Paper 2015-26-0029.

[4] 沈晓雯,俞小莉.气缸垫对机体受力状态的影响[J]. 内燃机工程,2001,22(2):40-42.

[5] Osamu Aizawa, Tsuneo Uno， Masato Yakushiji. Eff-ect of circulating water temperature change on sealing performance of cylinder head gaskets of diesel engines[C].SAE Paper 2000-01-0529.

[6] Zhien Liu,Yankun Jiang, Zheling Dong,et al. 3-D numerical simulation of transient heat transfer among multi-component coupling system in internal combustion chamber[C].SAE Paper 2008-01-1818.

[7] 葛玉霞,李旭东,张洁,等.发动机气缸垫密封性有限元分析[J].铁道机车车辆,2011,31(增刊):184-187.

[8] 奚鸣杰,石秀勇,卢学文,等.发动机气缸密封垫压纹结构对密封性能影响的研究[J].汽车工程,2013,35(12):1129-1133.

[编辑： 潘丽丽]

Analysis and Design of Cylinder Head Gasket Sealing under Transient Thermal Cycles

PAN Qiongyao， RAN Fan

(Pan Asia Technical Automotive Center Co.， Ltd., Shanghai 201201, China)

For the failure loading and transient thermal cycle of head gasket, the design and analysis methods of sealing were put forward. The integrated analysis model of block, head, gasket and bolts was built with the material and contact nonlinear finite element analysis method and the analysis of transient temperature and structural sealing was conducted. The sealing performance of head gasket was finally evaluated with the sealing pressure and convex rib height. According to the analysis results, the potential failure areas of sealing pressure and convex rib height were identified and the design was improved to realize the balance of both.

transient temperature； nonlinear； finite element analysis； cylinder head gasket； sealing

2016-02-17；

2016-03-10

潘琼瑶(1981—)，女，硕士，工程师，主要从事发动机结构仿真分析；Qiongyao_pan@patac.com.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.005

TK413.1

B

1001-2222(2016)03-0025-05