27LCTI柴油机项目试漏技术研究.docx
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27LCTI柴油机项目试漏技术研究
内容:
试漏技术相关的文字说明。
加试漏仪操作编程,试漏仪日常标定
1.项目研究背景
公司新研发发动机产品2.7CTI柴油发动机年产5000台项目由本部门和发动机公司合作生产。
2.7CTI柴油发动机是未来一款重要的产品,公司非常重视,为提高部门人员的自主调试能力,部门组织开展以2.7CTI产品为主的多项技术研究。
本文旨在对机体缸盖试漏技术做一定的说明和研究。
2.试漏技术的相关知识
泄漏检测技术,有时也称为试漏技术或密封性检测技术。
近年来已广泛地应用于汽车制造业,如缸体水套、缸盖水套、油道孔等,此外,还有燃烧室容积测定和发动机总成检测等。
试漏机是由泄漏检测仪器、机械密封夹具、上下料机构等机械部件和电控系统组成。
2.7CTI产品试漏机设备由上海吉控传动系统有限公司和无锡金佰特机械设备公司生产,上海吉控设备为自动线设备,试漏选用为ATEQ公司的F520系列产品。
在泄漏检测技术中,首先要指出的是泄漏和不泄漏只是一个相对的概念,从理论上讲是没有不泄漏的,只是当泄漏的量值不超过一定的允许范围时,我们就认为是不泄漏的,或者说是合格的。
例如,对发动机铸铁件缸体水套来说,VL=7~10cm3/min可认为是不泄漏的。
2.1流体的流动
所谓泄漏就是内容物由一个有限的空间跑到外部或者是其它物质由空间外部进入内部。
内容物可以是气体、液体或固体。
有限空间可以作各种解释,如发动机缸体上被密封的水道就是一个有限空间。
简而言之,泄漏就是一种流体的流动现象。
在一般情况下,流体是通过物体上的小孔流出或流入的。
流体的流动就象电的流动一样,电子的移动是因为有电势的高低,只要导体之间存在电势差,就会有电荷的流动。
物质的运动必须要有原动力,这里的电势差就是原动力。
泄漏也是如此,泄漏量的大小取决于原动力,可用下式表示:
Q=f(△),这里Q表示泄漏量,△表示原动力,f就是函数。
通常f是一个复杂函数,它的大小很难确定,如果我们将它只看作是一种极单纯的比例关系,而且△也仅以压力差P1-P2来表示,则上式可以变为:
Q=C(P1-P2),C式比例常数,P1、P2表示空间内外的压力,泄漏中的原动力就好比电流中的电动势,C好比电导,因此可以将C称作为传导。
所谓泄漏就是指流体通过小孔的透过现象,透过量与孔的两侧的压力差有关,也与流体通过的难易程度,即传导有关。
2.2泄漏的形式
容器出现泄漏现象,如发动机缸体的水道等出现泄漏,通常主要是由于
毛坯铸造质量上存在局部组织疏松、铸造或机械加工误差引起孔道壁过薄以及工艺堵处密封胶涂抹不均等原因所致。
实际上,对于泄漏技术而言,没有必要准确地了解泄漏的各种形式,而且也是不可能的。
泄漏的检测属于一种非破坏性的检测,它不同于材料的金相分析。
因此,我们力所能及的是测定泄漏量。
为了更好地理解泄漏现象,有必要了解一些与泄漏现象相类似的扩散和透过现象。
这些现象在气体通过固体流动这一点上,与泄漏的结果是相同的。
扩散现象是指气体在某媒介物的两侧有一个压力差,或者说是分压差。
气体从压力高或分压高的方向向低的方向流动。
这一现象与泄漏很类似。
当媒介物为固体时,气体是从媒介物的小孔流过的,还是扩散到媒介物(媒介物无泄漏孔)之后流过去的。
这两种情况究竟是属于哪一种,有时是很难判断的。
透过是指气体从固体中通过时,先溶解于那种物质,浓度不断增大,最后在相反侧表现出来。
2.3泄漏量的表示
泄漏量的表示方法有三种:
1、用尺寸表示,例如对圆直管形,表示时要注明内径和长度各为多少。
实际上这种尺寸的测量很难做到,甚至根本做不到。
所以,这种方法并不实用。
2、用泄漏的难易程度表示,即用传导表示。
这种方式不是表示泄漏形状本身,而是表示气体通路的大小。
3、用气体流量表示。
这种方法目前被普遍采用,因为很容易用仪器测出气体的流量,或用采集气泡的方法测定气体流量。
此外,还有百分比等方法,但都是从第三种方法中演变出来的。
另外,还应规定泄漏量的单位。
在讨论泄漏量时,流体的移动量一般用kg/h或g/s来表示,如果流体为液体,就应用L/min,cm3/s等表示。
液体为气体时,用m3/min或cm3/s来表示。
但由于气体的体积随压力变化,因此用体积表示气体量时必须注明其压力。
在泄漏技术领域,气体的泄漏量通常采用mmHg.L/s为单位,也有以标准状况下气体的体积为单位的。
如发动机有关零件的泄漏指标通常用std.cm3/min为单位,也有以标准状况下气体的体积为单位的。
他们之间的换算关系为1mmHg.L/s=78.947std.cm3/min.
2、4泄漏的检测方法
2.4.1、检测方法的分类
对于某装置,要知道其有无泄漏,并且还要知道其泄漏量有多大,就必须施加一个原动力,即让装置内外产生一个压力差,因此就可以对该装置加压或减压两种办法。
另外,还可以根据泄漏检测的过程进行分类,其中一类为放置法,另一类为动态法。
也有按测定对象来分类的,可分为气体量或液体量的测定法、压力直接测定法或分压测定法。
在上述检测方法中,加压法为目前常用的检测方法。
加压法为目前常用的检测方法。
加压法又有加压放置法和加压动态法。
减压法通常称为真空法,该方法虽没有加压法用得普遍,但却具有检测精度高、对被测工件得密封容易等优点。
真空法同加压法一样,也有真空放置法和真空动态法。
如真空差压法、液体涂敷法等。
而且在真空条件下的检测方法的种类比加压条件下的检测方法的种类还要多。
2.4.2、泄漏检测法的选择
在众多的检测方法中,每种方法都有其不同的特点。
选择的时候应考虑那些适合,那些不适合。
按照各种检测方法的不同特点选择时应从以下几个方面加以考虑:
①原理
不论采用哪种方法,不完全理解该方法的原理,就不会收到好的效果。
②灵敏度(即可测出的最小泄漏量)
应考虑采用哪种方法可测出哪一级的泄漏。
例如发动机缸体水道的泄漏量允许小于7std.cm3/min,(约为9×10-2mmHg.L/s),若采用水压法,显然不满足要求。
反之,若采用灵敏度为10-3mmHg.L/s的方法,原理上对,可检测费用必然提高。
另外,灵敏度不仅与所采用的检测方法所需仪器的灵敏度有关,而且与整个系统的大小,管路的状况等使用条件有关。
③检测时间
不论采用哪种检测方法,都要花一定的时。
如采用放置试验法时,从理论上将讲延长放置时间会提高灵敏度,但检测一个工件的泄漏需要很长的时间,显然就不能用于对发动机零件的在线检测。
④检测环境
各种检测方法对检测环境的要求是不同的。
如采用测定压力值的方法,都是遵循理想气体状态方程的,因此温度、湿度等因素对测量结果的影响较大,在选择是必须加以考虑。
⑤泄漏部位的判断
在各种检测方法中,有的仅能给出泄漏量,可判断工件是否泄漏,但不能判断泄漏部位,有的能反映工件是否泄漏,并判断泄漏部位,但具体的泄漏量很难给出,还有的即能给出泄漏量,又能判断出具体的泄漏部位。
若要对泄漏的工件进行修理,则泄漏部位的判断就是必要的。
⑥可靠性
泄漏检测属于一种计测技术,其测量结果必须可信、可靠。
通常需人工肉眼检测的各类方法,由于认为因素的影响,其一致性差,但比较稳定,可靠。
而各类仪表法,虽然一致性较好,但其稳定性、可靠性要受到仪表等诸多因素的影响。
⑦经济性
检测的经济性在选择测量方法时也是一个需要考虑的因素。
上述几项便是我们如何选择何种检测方法的出发点。
在具体选择时,应将它们及其它因素,如对被检测工件的影响、密封的难易程度等综合起来进行考虑,从而选择最佳的泄漏检测方法。
2.4.3、几种主要泄漏检测仪及检测方法
1.1.总体方案说明
2.0LCTI国Ⅴ柴油机采用每缸四气门、喷油器中心垂直布置结构设计,可以很好的满足产品的设计需求。
总体布置如图1。
图1缸盖总成布置图
总体方案:
Ø双顶置凸轮轴
Ø每缸4气门,平行进气,喷油器垂直中置
Ø铝合金缸盖+整体式凸轮轴盖
Ø预热塞两进气门之间倾斜布置
图2气门布置形式
四气门采用矩形布置形式,预热塞布置在两进气门之间,进气门距离缸孔壁最小距离为0.83mm,排气门距离缸孔壁最小距离为0.97mm,可以避免气门运行过程中不发生碰壁的风险。
每缸采用4螺栓紧固,布置形式为矩形布置,纵向距离为96mm,横向距离为100mm。
具体如图2。
1.2.主要部件设计说明
1.2.1.气缸盖
该款发动机客、货两用小排量高速柴油发动机,B10寿命为30万公里。
根据对比分析,缸盖选用铝合金材料,实现发动机的轻量化设计,提升燃油经济性。
该款发动机需达国Ⅴ排放要求并具备国Ⅵ排放潜力,实现高功率大扭矩特点,因此要求气道有较高的流通能力。
缸盖进气采用平行进气方式,该种进行方式的特点是流量系数大,涡流强度小,符合该款柴油机对进气的需求。
具体进气方式如下图3。
图3进气方式比示意图
国Ⅴ阶段的燃烧系统不需要较大的涡流强度,因此缸盖双气道采用切向气道与螺旋气道组合气道设计,实现较好的进气涡流强度与流量系数综合性能,提升发动机性能。
具体气道形状如图4。
图4进气道
经过多次的修改气道模型和试验迭代分析,进气涡流强度和流量系数最终达到了目标值。
最终布置方案的进气流量系数为0.625,涡流比为1.63。
见图5
图5进气道
缸盖采用单层水套横流结构设计,水流从排气侧底部进入后流向排气侧,整个缸盖水套总容积达1.06L。
因为缸盖采用铝合金材料,底板厚度设计为13mm,保证了足够的强度与冷却,满足缸盖使用过程中的机械负荷与热负荷。
整体水套设计如图6。
图6缸盖水套
缸盖水套经过8次迭代修改分析,最终各项指标均满足要求。
见图7.
图7缸盖水套CFD分析结果
缸盖上还集成了EGR废气通道、曲轴箱通风通道、机油回油通道等。
缸盖整体重量为13.8公斤。
缸盖具体结构如图8。
图8缸盖结构
集成EGR废气通道:
EGR废气通道可以对EGR废气进行预冷却,实现普通EGR阀的暖端布置的可行性,方便EGR系统的结构设计。
采用EGR阀暖端布置设计,可以较为有效避免EGR阀积碳卡滞的风险。
集成曲轴箱通风通道:
曲轴箱通风通道与凸轮轴盖顶面平齐,缸盖罩的油气分离取气口与曲轴箱通风口实现无缝对接,避免上曲轴箱内的油滴飞溅入缸盖罩的油气分离取气口,实现油气分离更为彻底。
集成机油回油通道:
上曲轴箱底面为向机油回油通道倾斜设计,机油回油通道口为最低点,可以实现很好的机油回流,减小上曲轴箱内油气的形成,减小对油气分离装置的压力。
这也是结合1.9L柴油机上的经验,是一个典型的防止再发生案例。
缸盖FEA分析:
缸盖经过多次FEA分析并优化后,最终结果显示,只有火力面背面排气口与喷油器孔之间部位的安全系数小于1,为0.97,缸盖上的其他结构都满足设计要求。
见图9。
里卡多认为,该处目前的安全系数值是可以接受的。
他们设计的其他类似机型该处也出现过小于1的情况,但量产后也没出现过质量问题,因此可以认为满足要求。
图9缸盖FEA分析结果
1.2.2.凸轮轴轴承盖
凸轮轴轴承盖采用整体铸铝式,与缸盖接触面采用涂胶密封。
凸轮轴轴承盖高度为30mm,宽度为187mm,长度464.1mm,重量为1.8kg。
在侧面增加了3个螺栓固定凸台,用于高压油轨。
具体结构如图10。
图10凸轮轴轴承盖
1.2.3.气门导管
进、排气门均采用相同导管,导管外径为11mm,壁厚为2.5mm,长度为42mm,在导管中心底部增加了阶梯面,有利于清理积碳。
导管长度内径比为6.7,比一般情况要求7的标准稍小,但仍能满足导向要求。
见图11。
图11气门导管
1.2.4.气门座圈
进排气门座圈采用了成本较低的双层材料结构,工作面采用常用的3010粉末冶金材料,背面采用的是较便宜的1250粉末冶金材料。
座圈与气门接触表面处采用“三刀”加工方式,该结构有利于降低局部热应力,并能导向气流,减小气流阻力。
见图12。
图12气门座圈
2.技术风险
凸轮轴盖与缸盖、正时齿轮室之间的密封需要严格控制,保证密封。
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