李加旺，田身軍，李德銀，齊少虎，昂亮，賈志超

(奇瑞汽車股份有限公司 動力總成技術(shù)中心，安徽 蕪湖 241006)

0 引言

現(xiàn)代渦輪增壓發(fā)動機(jī)的升功率逐漸增大，排氣溫度高達(dá)950 ℃，傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中缸蓋與排氣歧管是分開設(shè)計(jì)的，排氣岐管開發(fā)投入較大，不僅需要采用高鎳鑄鐵等貴重金屬材料，制造成本較高，鑄造工藝受制于排氣道流場以及熱應(yīng)力的要求，廢品率也較高，從而造成整機(jī)成本高，空間尺寸大，產(chǎn)品開發(fā)周期長等實(shí)際困難。集成排氣歧管(integrated exhaust manifold，IEM)缸蓋最初由日本本田公司應(yīng)用在自然吸氣發(fā)動機(jī)上，當(dāng)時的技術(shù)背景主要是出于輕量化考慮，隨著排放和油耗法規(guī)要求的逐漸提高，以及客戶對車輛暖風(fēng)功能的需求，對IEM缸蓋集成技術(shù)提出了更高的功能要求。

IEM缸蓋集成技術(shù)是近幾年車用發(fā)動機(jī)輕量化和制造技術(shù)的重要發(fā)展方向和趨勢，也是汽車節(jié)能與減排的重要技術(shù)應(yīng)用平臺。國外主機(jī)廠如福特1.0 L和1.5 L ECOBOOST發(fā)動機(jī)，大眾EA211、EA888發(fā)動機(jī)，雪鐵龍1.2 L TGDI發(fā)動機(jī)等都采用IEM缸蓋集成技術(shù)。由于缺乏IEM缸蓋設(shè)計(jì)與開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)廠家只能通過消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)，走自主開發(fā)之路，屬于國外開發(fā)成熟，國內(nèi)引進(jìn)沿用。本文中通過對IEM缸蓋的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究、優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)改進(jìn)，在積累大量開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立IEM缸蓋設(shè)計(jì)開發(fā)的關(guān)鍵指標(biāo)。

1 缸蓋排氣道的結(jié)構(gòu)選型

1.1 4缸發(fā)動機(jī)IEM缸蓋結(jié)構(gòu)型式

對4缸發(fā)動機(jī)來說，集成排氣歧管缸蓋有兩種結(jié)構(gòu)型式：4個排氣道匯聚為1個排氣口，雙層水套包裹排氣道設(shè)計(jì)，稱為4-1型排氣歧管，如圖1所示。1缸與4缸排氣道匯聚為一個排氣口，2缸與3缸排氣道匯聚為一個排氣口，構(gòu)成雙排氣口結(jié)構(gòu)，3層水套分別包裹雙層排氣道設(shè)計(jì)，稱之為4-2型排氣歧管，如圖2所示。

a)IEM缸蓋 b)4-1型排氣岐管圖1 IEM缸蓋和4-1型排氣岐管

a)IEM缸蓋 b)4-2型排氣岐管圖2 IEM缸蓋和4-2型排氣岐管

1.2 兩種IEM缸蓋型式的對比

同4-1型排氣歧管缸蓋相比，集成4-2型排氣歧管缸蓋需要更大的內(nèi)部空間，設(shè)計(jì)更復(fù)雜，鑄造難度大，缸蓋鑄造廢品率較高，同時4-2型排氣歧管需要與雙渦管增壓器匹配，導(dǎo)致增壓器成本和整機(jī)成本較高，但集成4-2型排氣歧管缸蓋對提升增壓器的低速響應(yīng)優(yōu)勢比較明顯。由于4缸增壓機(jī)點(diǎn)火順序?yàn)?-3-4-2，因此4-1型排氣岐管存在1缸與3缸，以及2缸與3缸排氣干涉效應(yīng)，造成排氣能量損失；而4-2型排氣岐管的1缸與4缸匯合，2缸與3缸匯合，避免了排氣干涉效應(yīng)[1]，因此排氣出口的瞬態(tài)峰值壓力高，可向渦輪機(jī)提供更高的壓力脈沖，在低速工況下，增壓機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性好。低速工況排氣岐管峰值壓力變化如圖3所示。

圖3 低速工況排氣岐管峰值壓力變化

1.3 兩種IEM缸蓋的應(yīng)用場合

綜合考慮缸蓋布置空間、制造工藝、整機(jī)性能與成本等因素，通常1.6 L以下排量的4缸發(fā)動機(jī)采用集成4-1型排氣歧管缸蓋設(shè)計(jì)；而排量2.0 L以上發(fā)動機(jī)則采用集成4-2型排氣歧管缸蓋設(shè)計(jì)。

2 缸蓋水套及流場優(yōu)化

2.1 缸蓋水套核態(tài)沸騰導(dǎo)致失效漏水的現(xiàn)象與原理

圖4 缸蓋排氣法蘭面附近水套氣蝕

IEM缸蓋水套設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，特別是直噴增壓發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷高，如果缸蓋水套設(shè)計(jì)和上下水套流場分布不合理，容易發(fā)生水套氣蝕，出現(xiàn)發(fā)動機(jī)漏水故障。某款發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)中，失效模式為缸蓋排氣法蘭面附近出現(xiàn)水套漏水，如圖4所示。對比國外高性能發(fā)動機(jī)的相似案例，原因?yàn)楦咨w水套壁面過熱度過大導(dǎo)致冷卻液由對流轉(zhuǎn)變?yōu)楹藨B(tài)沸騰，沸騰產(chǎn)生的氣泡周期性生成和破滅最終使缸蓋的鋁合金材料表面出現(xiàn)凹坑直至穿透[2]，缸蓋表面氣蝕過程如圖5所示。

圖5 金屬表面氣蝕過程示意圖

通過與計(jì)算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)溫度場仿真結(jié)果對比，發(fā)生氣蝕區(qū)域與水套壁面溫度高的區(qū)域一致，壁面溫度超過該處冷卻液飽和溫度70℃以上，對應(yīng)狀態(tài)為劇烈的核態(tài)沸騰。

2.2 水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化及流量分布分析

為了更加準(zhǔn)確地模擬冷卻液核態(tài)沸騰的狀態(tài)，對水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時調(diào)整缸墊水孔孔徑，調(diào)整上下片水套流量分布[3]，如圖6所示。

圖6 缸蓋水套關(guān)鍵部位流量分布優(yōu)化

2.3 缸蓋水套及流場優(yōu)化

2.3.1 優(yōu)化措施

圖7 缸蓋水套壁面換熱量與壁面溫度曲線

在流-固耦合溫度場CFD計(jì)算分析中，考慮多相流模型及沸騰強(qiáng)化換熱方程：

(1)

式中:ΔTsat為壁面過熱度；μ1為動力黏度；λ為汽化潛熱；Cp1為比熱容；ρ1為密度；Pr1為普朗特?cái)?shù)；σ為汽-液表面張力，它們均與冷卻液屬性相關(guān)；Cs為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，與缸蓋材料、粗糙度以及冷卻液類型相關(guān)，需根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。根據(jù)國外權(quán)威試驗(yàn)數(shù)據(jù)對該參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，運(yùn)用該計(jì)算模型得到的壁面換熱量與實(shí)測值基本吻合[4]，如圖7所示。

2.3.2 優(yōu)化效果驗(yàn)證

a)優(yōu)化前 b)優(yōu)化后圖8 缸蓋水套壁面溫度對比分析

運(yùn)用多相流及沸騰強(qiáng)化換熱的方法，并通過大量耦合溫度場分析計(jì)算，嚴(yán)重氣蝕區(qū)域的水套壁面過熱度降低30℃以上，解決了氣蝕問題。如圖8所示(圖中單位為℃)。

3 排氣道結(jié)構(gòu)及熱應(yīng)力優(yōu)化

3.1 缸蓋排氣道裂紋及蠕變、疲勞失效分析

圖9 缸蓋排氣道開裂

在早期開發(fā)過程中，某款發(fā)動機(jī)在額定功率大負(fù)荷工況下，IEM缸蓋排氣道出現(xiàn)了裂紋，解剖缸蓋發(fā)現(xiàn)裂紋位于排氣道匯聚的排氣口附近，如圖9所示。

由于IEM缸蓋的排氣側(cè)熱負(fù)荷高，導(dǎo)致排氣側(cè)溫度高，必須布置冷卻水套進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。排氣道一側(cè)有高溫排氣進(jìn)行加熱，一側(cè)有冷卻水強(qiáng)制冷卻，兩側(cè)溫差較大；由于排氣及冷卻水局部流動在不同區(qū)域的不均勻性以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致溫度分布的不均勻。缸蓋排氣側(cè)約束和溫度分布不均勻引起熱膨脹不均勻，剛度過渡區(qū)域易產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力。應(yīng)力在高溫狀態(tài)下的蠕變效應(yīng)，以及在發(fā)動機(jī)復(fù)雜交變工況下產(chǎn)生的塑性變形，是造成IEM缸蓋排氣道處產(chǎn)生疲勞失效的主要原因。

3.2 排氣道低周疲勞模擬分析

為了準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜交變工況對缸蓋排氣側(cè)熱應(yīng)力的影響，在缸體-缸蓋耦合分析中，考慮蠕變對低周疲勞的影響，計(jì)算公式為:

(2)

a)蠕變應(yīng)變-應(yīng)力 b)等效塑性應(yīng)變-溫度圖10 缸蓋低周疲勞模擬分析

3.3 缸蓋排氣道水套及流場熱應(yīng)力優(yōu)化及對比分析

針對缸蓋熱疲勞開裂的問題，通過優(yōu)化水套及流場分布，改善開裂處的溫度梯度等方法降低該處的熱應(yīng)力峰值，降低蠕變效應(yīng)的影響，如圖11所示(圖中單位為℃)。

a)優(yōu)化前 b)優(yōu)化后圖11 缸蓋排氣道溫度分布對比分析

3.4 局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低疲勞裂紋出現(xiàn)

對排氣道局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，調(diào)整危險(xiǎn)區(qū)域剛度，減小應(yīng)力峰值及應(yīng)力交變，并對疲勞強(qiáng)度低的區(qū)域，采用子模型，通過Tosca驅(qū)動Abaqus以及Femfat進(jìn)行局部疲勞優(yōu)化，使危險(xiǎn)區(qū)域熱應(yīng)力下降42%，有效提高疲勞強(qiáng)度，解決缸蓋排氣道的熱疲勞問題[5]。缸蓋排氣道應(yīng)力分布對比分析如圖12所示(圖中單位為MPa)。

a)優(yōu)化前 b)優(yōu)化后圖12 缸蓋排氣道應(yīng)力分布對比分析

4 排氣系統(tǒng)熱管理優(yōu)化

帶有IEM缸蓋的發(fā)動機(jī)，對冷起動、大負(fù)荷區(qū)域的排放都有明顯改善，基于未來更苛刻國六排放法規(guī)和實(shí)際駕駛排放測試(real drive emission,RDS)循環(huán)測試工況，IEM缸蓋集成已經(jīng)作為主要技術(shù)應(yīng)用。

4.1 冷起動狀態(tài)IEM缸蓋對排放的影響

在發(fā)動機(jī)冷起動階段，催化器起燃溫度閥值約為300 ℃，正常工作溫度為450 ℃左右[6]。相對普通缸蓋，IEM缸蓋由于取消外部獨(dú)立的排氣歧管，把排氣歧管集成在缸蓋里，縮短了排氣門至渦前法蘭面的排氣道長度，IEM缸蓋排氣道表面積相對帶有排氣岐管的表面積縮小40%左右，減少廢氣的熱損耗，縮短催化器起燃時間，快速達(dá)到三元催化器起燃工作穩(wěn)定。福特公司研究表明：在冷起動前30 s的關(guān)鍵時間內(nèi)，采用IEM缸蓋的發(fā)動機(jī)，后處理的催化器達(dá)到起燃時間至少縮短6 s[7]，大大降低冷起動過程HC的排放量。

4.2 大負(fù)荷區(qū)域IEM缸蓋對排放的改善

帶有IEM缸蓋的發(fā)動機(jī)對大負(fù)荷區(qū)域的排放改善也很明顯。現(xiàn)代渦輪增壓發(fā)動機(jī)的升功率和排氣溫度增大，對發(fā)動機(jī)熱端增壓器、排氣歧管等零件可靠性提出更苛刻的要求。為降低零部件溫度，通常標(biāo)定策略采用加濃空燃比的方式，降低排氣溫度。但在加濃工作區(qū)域，顆粒物PN及CO排放量急劇升高。為解決上述矛盾，采用IEM缸蓋排氣側(cè)的水套優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過降低流體阻力、提高流體流速和選用不同缸蓋材料提高換熱系數(shù)等措施，在滿負(fù)荷工況下，發(fā)動機(jī)排溫可降低50～70℃，有利于抑制低速大負(fù)荷爆震，縮小排溫保護(hù)區(qū)域范圍[8]。某款1.6 L增壓直噴發(fā)動機(jī)，由普通缸蓋升級為IEM缸蓋的實(shí)測數(shù)據(jù)如圖13、14所示(圖中λ為理論空燃比)。

圖13 理論空燃比實(shí)測數(shù)據(jù)(IEM缸蓋) 圖14 理論空燃比實(shí)測數(shù)據(jù)(普通缸蓋)

如圖所示，在相同排溫950 ℃邊界條件下，采用IEM缸蓋的紅色加濃工作區(qū)域縮小10%以上，發(fā)動機(jī)的噴油加濃區(qū)轉(zhuǎn)速范圍從2000 r/min提升到3000 r/min以上。特別是基于更嚴(yán)格國六排放法規(guī)和RDE循環(huán)測試工況，IEM缸蓋能承受1030 ℃渦前溫度的增壓器(渦輪端材料升級)，具備使發(fā)動機(jī)在全工況下都達(dá)到λ=1的潛力，極大地減少發(fā)動機(jī)大負(fù)荷區(qū)域的排放量[9]。

5 冷卻系統(tǒng)熱管理優(yōu)化

5.1 IEM缸蓋排溫高對冷卻系統(tǒng)的影響

圖15 冷卻系統(tǒng)熱管理

采用IEM缸蓋集成技術(shù)后，由于排氣溫度較高，大部分排氣熱量通過排氣道水套傳遞到冷卻系統(tǒng)，一方面在冷起動階段，缸蓋水套吸收排氣熱量，使冷卻液快速升溫暖機(jī)，機(jī)油溫度上升迅速，降低了摩擦損失，改善油耗[10]；但在高速大負(fù)荷工況下，IEM缸蓋水套的熱交換量相對增加高達(dá)30%以上，如果熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)不好，易引起發(fā)動機(jī)過熱。在這種情況下，需通過優(yōu)化水泵流量、增加散熱器面積、調(diào)整節(jié)溫器參數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)匹配；考慮極限環(huán)境下整車情況，通過優(yōu)化暖風(fēng)管管徑和管口位置，增大暖風(fēng)管水循環(huán)等措施使發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，改善整車低溫下暖風(fēng)性能。冷卻系統(tǒng)熱管理流程如圖15所示。

圖16 整車暖風(fēng)測試數(shù)據(jù)對比

5.2 IEM缸蓋對暖風(fēng)性能的改善

相對于普通缸蓋，帶有IEM缸蓋的發(fā)動機(jī)暖風(fēng)性能改善明顯，如圖16所示。采用新歐洲駕駛循環(huán)(new European driving cycle,NEDC)工況整車水溫上升測試結(jié)果：發(fā)動機(jī)水溫提前480 s達(dá)到正常工作水溫80 ℃的要求，暖風(fēng)管路的水溫提高18 ℃左右，提升幅度20%以上，實(shí)現(xiàn)了快速暖機(jī)，整車暖風(fēng)性能改善明顯。

6 結(jié)論

1)IEM缸蓋排氣歧管結(jié)構(gòu)選型取決于發(fā)動機(jī)排量、性能指標(biāo)、整車布置和整機(jī)成本。

2)IEM缸蓋水套設(shè)計(jì)時需要重點(diǎn)加強(qiáng)排氣法蘭面、排氣鼻梁區(qū)位置冷卻，降低水套內(nèi)壁面過熱度。

3)IEM缸蓋排氣道設(shè)計(jì)時需盡可能降低應(yīng)力水平，防止排氣道高溫蠕變導(dǎo)致塑性變形與開裂。

4)與普通缸蓋相比,IEM缸蓋對排氣系統(tǒng)熱管理優(yōu)化，可明顯降低冷起動HC排放量、常溫下顆粒物PN及CO排放量。

5)IEM缸蓋經(jīng)冷卻系統(tǒng)熱管理優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)快速暖機(jī)，提升駕駛舒適性。