某款新型汽油机铝缸体的设计开发

2019-07-11赵远征

汽车零部件 2019年6期

赵远征

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

0 引言

发动机缸体是发动机的骨架构件，在缸体内外安装着发动机的主要零部件，为了满足各个系统的需求，缸体内部还布置有高压油路、冷却水套、曲轴箱通风孔、回油孔等特征；同时，缸体在工作时要承受燃气的拉伸和压力，还有曲轴和活塞的旋转往复惯性力，使缸体产生扭转和弯曲；另外，由于装配其他零件的螺栓预紧力的综合作用，使缸体产生横向和纵向的变形，所以缸体应具有足够的强度和刚度，才能满足发动机的寿命需求。

由于国家的排放法规和油耗要求越来越高，国内市场客户的需求也从基本的代步工具向良好操控性、舒适性、经济性等更高层次发展。而且，由于国内各个主机厂的竞争越来越激烈，低成本和轻量化也是各个主机厂要求的重中之重。基于目前的大环境，缸体的设计也顺应市场做出相应的调整，铝缸体越来越受到青睐。为了控制铝缸体的成本，不断进行减重设计，同时铸造工艺也更多地选择高压铸造。由于高压铸造生产节拍较快，对于产量较高的缸体，可有效降低缸体的单价成本。本文作者介绍一款1.3 L排量的高压铸造铝缸体，从架构设计到细节特征设计均进行了详细介绍。

1 缸体架构设计

1.1 缸体的架构尺寸

缸体的架构尺寸决定了发动机的架构和尺寸大小，主要架构尺寸包含缸孔数n、缸体直径D和缸心距P，而缸孔数、缸体直径与活塞冲程s又决定了发动机的排量。

1.1.1 缸数n

目前，由于油耗的要求越来越高、成本要求越来越低，发动机缸体也逐渐由传统形式上的四缸机向三缸机转变。由于缸数的减少，少了一个缸的活塞、连杆运动，运动摩擦副的数量减少，发动机的摩擦损失可有效降低，进而可以降低油耗；同时，减少一个缸，可以减少零件数量，进而可以有效地降低发动机的成本，并且可以降低发动机长度尺寸。但是三缸机也有相应的弊端，一般来说发动机缸数越多，运行越平稳。对于四冲程发动机，其工作过程分别为进气、压缩、做功、排气，单个气缸做功的间隔为曲轴旋转两周，也即是720°，见图1。

所以，三缸机的做功相位是240°，四缸机的是180°，六缸机的是120°，即气缸缸数越多，前后做功的间隙越小，运行的平稳性也就越好。由于三缸机的做功相位比较大，其运转相对不够平稳，所以需要考虑增加平衡轴来解决。

1.1.2 缸径D

文中介绍排量为1.3 L的发动机缸体，缸数为3，所以，基于s/D的值，可以计算出相应的缸径D和活塞冲程s。对于不同排量，各s/D比值的选择见图2。

图2 缸径与活塞冲程关系图

对于同等排量的发动机，s/D越小，则表明活塞冲程越短，缸径越大；反之表明冲程越大，缸径越小。综合考虑发动机燃烧排放、热负荷及活塞设计，最终选择s/D为1.1的设计，即选择缸径为80 mm、活塞冲程为88 mm。

1.1.3 缸心距P

缸心距的大小影响着缸盖的布置、曲轴长度等，P值越大，则发动机越长，结构不紧凑，如图3所示；但是P值越小，缸体鼻梁区宽度越小，在同等热负荷的情况下，缸体最高温度也越高，其失效风险也越高。

图3 缸盖剖视图

同时，P值的选择也需要考虑铸造工艺性，尤其是对于高压铝缸体，采用铸造一体的气缸套，在缸套厚度一定的情况下，P值越小，则缸套之间的铝的厚度也就越窄，在高压铝缸体的压铸过程中，铝液流动到此处不易填充，出现缸套和铝的结合率过差，其相应的结合力也差，将导致缸套受力下沉、缸体温度高等问题。综合权衡，最终P选定为88 mm，即鼻梁区宽度为8 mm。

1.1.4 曲轴孔偏置

传统发动机的曲轴轴线与气缸中心面是重合的，当曲轴孔中心偏离气缸中心面时，称之为曲轴偏置。向主推力侧偏移时称为正偏置，向次推力侧偏置时称为负偏置。文中采用曲轴孔正偏置，该设计可有效减小活塞侧向力，降低活塞与缸壁之间的摩擦，进而降低发动机燃油耗。通过图4所示偏置量与活塞侧向压力的关系图，可以看出偏置量可以有效降低侧向压力，当偏置量超过10 mm时，对于侧向力的贡献就比较小了，反而会造成缸体结构过宽，所以，此款发动机的曲轴孔偏置量设定为10 mm。需要注意的是，由于曲轴孔的偏置，会导致活塞冲程的变化，进而对于发动机的排量有轻微影响，需要重新校核发动机排量。

图4 偏置量与活塞侧向压力的关系图

但设计采用曲轴孔偏置的缸体时，需要关注连杆的运动轨迹与缸桶底部之间的间隙，如图5所示，该间隙需要进行相关的尺寸链计算。一般推荐不低于3 mm，如不能满足要求，则可以考虑缩短缸桶长度或者在缸桶底部设计避让槽。

图5 连杆与缸桶间隙

1.2 缸体结构类型选择

按照曲轴孔位置来区分，缸体分为平分式、龙门式和隧道式，见图6:平分式。曲轴孔中心线与油底壳面平面在同一平面。龙门式。曲轴孔中心线在油底壳平面上部。隧道式。曲轴孔完全处于缸体内部。

3种缸体结构的优缺对比，以平分式缸体为基准进行对比，见表1。

图6 按照曲轴孔位置区分的缸体结构

表1 缸体结构对比

其中：“+”表示优，“-”表示差。

文中介绍的缸体，立足于低成本开发，所以选定龙门式结构，但是在后续细节设计时，需要注意提升结构刚度。

2 细节特征布置及设计

2.1 缸孔

缸孔，与活塞形成往复运动副，在高温高压的条件下，活塞在缸孔内部作高速往复运动，两者之间的关系直接影响着发动机的动力性、经济性和可靠性。一般情况下，发动机的摩擦损失约占发动机总体热效率的2%～10%，尤其是在发动机低速阶段，摩擦损失甚至可达10%，而曲轴活塞系统的摩擦功约占总摩擦功的20%～50%，如图7所示。所以，降低缸孔与活塞系统的摩擦功，可以有效降低发动机的油耗。

缸孔变形量是影响活塞系统摩擦功的重要因素，在进行缸孔设计时，需要关注缸孔的多阶变形量。由于此款缸体采用开式水套的结构，在主推力侧和次推力侧壁厚没有支撑筋，导致进排气侧缸孔刚度较差，致使缸孔多阶变形大。为了解决上述问题，缸体的缸孔壁厚采用渐变壁厚设计，主推力侧和次推力壁厚为10 mm，向缸孔鼻梁区逐步过渡到8 mm，如图8所示。

图7 摩擦功分布

图8 壁厚渐变图

2.2 水套

2.2.1 水套的结构类型

常见水套结构有两种类型，分别为全开式水套和半开式水套，如图9所示。其主要区别在缸体顶部、缸孔周围是否有支撑。文中介绍的缸体是采用高压铸造的铝合金缸体，从低成本角度出发，采用全开式水套结构类型，工艺实现比较简单，成本也相对较低。

图9 常见水套结构

2.2.2 水套底部

水套底部采用波浪形，使冷却液流向鼻梁区的上部区域，有利于降低缸体鼻梁区的温度，如图10所示。另外，为了改善发动机暖机慢的问题，采用波浪形的水套设计，如图11所示，可以减小水套容积，从而改善发动机暖机慢的问题。

图10 鼻梁区示意图

图11 波浪形水套示意

2.2.3 水套的布置

为了改善发动机的燃烧情况、降低缸盖温度、提升发动机的热效率，传统的冷却液流动方式一般是冷却液从水泵出来，先流经缸体，再到缸盖，然后到节温器和散热器等系统。冷却液在流入缸盖前是先经过缸体加热的，造成缸盖冷却的效率降低，从而限制了燃烧的速率。而文中的缸体冷却液流动方式为冷却液从水泵出来，同时流入缸体和缸盖，进入缸盖的冷却液未经过缸体的加热，可提高缸盖的冷却效果，进而可以改善燃烧条件，如图12所示。

图12 冷却液流动示意

2.3 链轮箱集成设计

此款缸体开发采用集成链轮箱设计，见图13。传统的非链轮箱集成设计会产生“T-joint”，如图14所示，缸体、缸盖和前盖三者结合处，称之为“T-joint”。集成式设计的目的有两个：(1)避免了“T-joint”。由于零件的加工误差，缸体和缸盖的侧面不可避免出现台阶，而导致与前盖密封不良，造成泄漏，采用链轮箱设计可以避免区域，从而从根本上避免该问题，如图15所示。(2)由于非链轮箱设计的前盖尺寸较大，需要同时密封缸盖和缸体，而前盖多数采用压铸铝前盖，致使前盖的模态水平低，辐射声功率大，对外辐射噪声，产生NVH噪声问题。采用链轮箱设计，使前盖的尺寸减小，可以改善前盖的模态，从而降低NVH噪声。