雙燃料發動機氣缸蓋設計研究

劉宗輝

摘 要：工業化進程速度的不斷加快以及工業技術不斷創新與發展，對發動機的規格標準提出新的要求。然而，氣缸蓋作為發動機重要的組成部分之一，承受著強烈的熱負荷和機械負荷，其性能地位重要性不言而喻。氣缸蓋的設計要求需要滿足實際運行過程中的剛度和強度，還要具備優良的密封性能和工藝性能。本文對雙燃料發動機氣缸蓋的設計進行針對性的分析與探析，通過采取一系列科學化的方法與途徑解決不同類型的問題，從而實現發動機功能作用最大化具有較強的現實方面意義。

關鍵詞：雙燃料發動機；氣缸蓋；設計

引言

隨著經濟和社會的發展，石油的消耗數量呈現上升趨勢，發動機使用的燃料逐步延伸到天然氣等資源。氣缸蓋為了適應實際各種各樣的燃料的使用，需要對氣缸蓋的規格要求方面提出高標準設計來實現這一目標。同時，技術不斷創新與發展，發動機現有的性能無法滿足當前實際生產需求，氣缸蓋承受不同類型的負荷越來越接近極限值。通過利用現代化的技術對發動機設計方面進行優化，有利于實現發動機的穩定性。在此基礎上，本文討論了雙燃料發動機氣缸蓋的設計。

1 氣缸蓋的設計標準

氣缸蓋是發動機核心零件。主要用于密封氣缸，形成受高溫高壓氣體影響的燃燒空間。因此，氣缸蓋受到嚴重的機械負荷和極高的熱負荷。為了順利實現氣缸的密封性能，必須充分保證氣缸蓋的質量，不得發生損壞和變形。一般來說，氣缸蓋對強度和剛度方面具有高標準的要求。一般來說，氣缸蓋的工作狀態是：①在工作環節中，氣缸蓋受到氣體的燃燒，承受著螺栓較大的預緊力，機械應力較大。②由于結構方面的復雜性，溫度效應不平衡，產生較大的熱應力，嚴重時可能引起裂紋和變形。因此，氣缸蓋的設計要求如下：①必須有足夠的剛度和強度，無變形，密封性效果好。②科學設計氣門和氣道，保證發動機的運轉性能。③具有較高的工藝性能，平衡力，防止熱裂現象發生。

2 氣缸蓋的設計方法

發動機運轉過程中，氣缸蓋的可靠性需要特別注意，尤其是氣門應力集中的問題。為了提高其可靠性，有效解決了鼻梁橋的裂縫等問題，可通過底板和擋板結構，冷卻油噴嘴，缸蓋內部冷卻水循環等幾個方面進行優化設計，實現缸蓋的可靠性。本研究是采用少量的柴油點火效果，以使用天然氣高效發動機為主。設計目標是將氣缸蓋與氣體混合后的氣體加入氣道進入燃燒室，入口位置選擇應在很大程度上靠近燃燒室，這樣可以實現單缸進氣，也可實現進氣沖程中關閉閥進入燃燒室，可有效避免“回火”現象，最終確保發動機的安全穩定運行。

3 雙燃料發動機氣缸蓋設計

3.1 材料選擇

氣缸蓋結構極其復雜，需要選擇鑄造方法進行制造。根據制造工藝、操作和設計要求，材料選擇應滿足理想的鑄造性能、高熱強度和高機械強度的要求。氣缸蓋底部是燃燒室的一部分，其可靠性非常重要，對發動機性能有著關鍵性作用。發動機運轉時，氣缸蓋上的機械負荷主要來自螺栓預緊力、燃燒壓力等，此外還受高溫影響，溫度分布不平衡。由于冷卻液的存在，內部也受到電化學腐蝕的影響，疲勞損傷的影響容易產生裂紋。因此，氣缸蓋材料不僅具有良好的抗疲勞性能、高溫拉伸性能，而且具有良好的耐腐蝕性。為了滿足上述要求，本文選用了既具有力學性能又具有鑄造性能的蠕墨鑄鐵。

3.2 結構設計

對于氣缸蓋，不僅受燃燒壓力的影響，還受熱負荷的影響。這種要求提高氣缸蓋的機械性能，要考慮從底板會有一定的厚度，底板越厚，在機械負荷的影響下，效果越好；但我們也要考慮熱應力的影響下，底板太厚，會影響冷卻液的使用效果，很難迅速帶走熱量，從而使冷熱側溫差較大，隨著熱應力的增大，熱損傷也隨之增大，因此為了減小熱應力，底板不能太厚。通過以上分析，采用“薄壁強背”設計對雙燃料發動機氣缸蓋進行了設計，并對底板厚度進行了科學合理的設計。中間隔板也作了相應的修改，改為“浴槽形狀”，機械負荷主要由中間隔板吸收。通過結構優化，提高了結構形式，增強了后支撐，減少了中間隔斷的厚度，從而提高了強度和可靠性。中間隔板分散了底板上的機械載荷，有效地減小了單位面積的受力，使底板上的機械載荷迅速傳遞到其它位置，有效地提高了氣缸蓋的可靠性。氣缸蓋的結構設計使螺栓的預緊力和燃燒室的壓力更均勻地分布在相應配件的結合面上，使力更加平衡，密封性能顯著提高。

水冷卻系統的設計主要是通過在鼻橋區域鉆孔來實現的。由于鼻梁區域最容易受到熱應力的影響，因此此處的冷卻非常重要。冷卻水進入內腔后，經過四個直徑為10毫米的孔，到達噴油器安裝孔的中間，達到可靠的冷卻效果。同時，本設計還實現了高溫后的低溫區，即先用冷卻水冷卻噴油器周圍的高溫區等，降低相應范圍內的溫度，再將氣缸蓋上部的低溫區完成冷卻。這使得溫度盡可能平衡。為了降低噴油嘴工作時的熱負荷，延長噴油嘴的使用壽命，設計了一種強制冷卻方法，即通過循環燃油進行冷卻，優化了噴嘴冷卻油道的朝向，并在氣缸蓋內部進行了設計，不僅能達到良好的冷卻效果，而且有效地避免了油的泄漏，減少漏油產生污染現象的發生。為了使天然氣和增壓空氣在燃燒室前混合，提出了一種天然氣噴射管設計方案，也可用于實現天然氣單缸噴射控制。與傳統的氣缸蓋相比，本設計在進氣位置增加了一根天然氣進氣管，使天然氣能夠在靠近燃燒室的進氣閥前注入，與增壓空氣混合，最后進入燃燒室，進而實現了單缸天然氣的缸內噴射效果。根據文丘里原理，天然氣噴射管的制作，在直徑上是上大下小，天然氣通過后，可進一步加快流速，有效改善天然氣與空氣的混合效果，使之更加平衡，有助于改善燃燒效率。

4 試驗驗證

根據相關要求，耐久性試驗進行了長達200小時的時間，并且在試驗完成后拆卸并檢查發動機。結果表明，改進后的氣缸蓋在穩定性和可靠性方面均有明顯提高，并實現了天然氣與增壓空氣的預混合，可有效滿足雙燃料發動機的運行要求。

5 結語

隨著我國經濟的發展，石油資源消耗的增加，燃料發動機的使用也擴展到天然氣等資源。這對氣缸蓋提出了新的要求，氣缸蓋是發動機最關鍵的部件之一，不僅承受高熱負荷，結構復雜，也就是說，氣缸蓋的性能與發動機的整體性能密切相關。本文研究了雙燃料發動機汽缸蓋，通過優化其內部結構，提高其機械性能，并且其承受熱負荷的能力也相應提高，通過對進氣口進行創新，可以確保天然氣迅速進入燃燒室。測試結果表明，汽缸蓋設計使發動機可靠性顯著提高，有效地提高了運行質量，完全滿足設計要求。

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