汽油机正时罩盖密封性能研究

工作状况复杂，要较为准确的模拟发动机温度场，首先应进行发动机内流场计算，需得到各缸燃烧室内的流体温度场、冷却系统的热交换系数等，很难较为准确的将发动机整机的温度场模拟出来，且由于只需对发动机正时罩盖密封面处的密封性能进行分析，只需准确得到正时罩盖以及密封面附近的发动机温度场即可，远离正时盖密封面处部件的温度场对密封性分析影响不大。故实测正时罩盖上关键点的温度数值，在仿真计算中分区域设定正时罩盖温度，计算发动机热传导，从而模拟出正时盖及密封面附近的发动机温度场。

试验采用热电偶测量正时罩盖上10个测点的温度，测试工况为发动机外特性工况，最终发动机转速稳定在5000转，并持续稳定运行30分钟，测点位置及编号如图5所示，各测点温度见表3：

2.2 热机工况密封性分析

热机工况下密封性能计算，考虑发动机温度场和螺栓预紧力的工况下进行热机密封性能的计算。如图7所示为热机工况下正时罩盖密封面处接触压力和接触间隙仿真结果，图中线框所示即为渗油位置，表4所列为渗油点位置部分节点的接触压力和接触间隙数值，仿真结果显示渗油点位置的接触压力为零，热机仿真结果与试验中出现的渗油现象能够相互印证。

3 渗油分析和优化方案

3.1 渗油原因分析

正时罩蓋里主要安装有正时链条和链条张紧机构，发动机在运行过程中正时链条会高速运转，链条张紧器为润滑正时链条会喷出大量机油，故正时罩盖结构或局部受力不合理便会导致密封面处有较大的渗油风险。正时罩盖密封面处渗油的原因较多，常见的有螺栓拧紧力矩不够或是在发动机运转过程中出现力矩衰减，导致密封面接触不紧密；正时盖设计存在易储油的水平结构，使得发动机在运行过程中机油堆积在此处，在压力作用下机油被挤压出来；螺栓布置位置不合理，两螺栓间距过大，或是两螺栓连接中心线偏离密封带，不利于密封胶压紧密封。

渗油点处正时罩盖结构及附近螺栓布置如图8（a）所示，在加大图中两螺栓预紧力矩并确保发动机在运转过程中两螺栓均未出现松动情况下，渗油现象仍然发生，说明此处螺栓的拧紧力矩大小或运行过程中的力矩衰减并不是导致渗油的原因；渗油点处罩盖局部结构圆滑过渡，机油不会在此处大量堆积，故此处罩盖结构设计合理。图8（b）所示为热机工况在螺栓拧紧力矩和温度载荷共同作用下，正时罩盖的变形情况，从变形情况可知由于两螺栓连接中心线偏离密封带过远，且两螺栓之间罩盖法兰面材料较少局部刚度不足，在较大的螺栓预紧力和温度载荷的共同作用下，此处正时罩盖出现了较大的局部翘起，这直接导致了此处的罩盖与缸盖之间接触不紧密，从而出现了接触压力为0的情况，进而导致渗油。

3.2 优化方案

根据以上渗油原因分析，优化方案有两个思路：

（1） 改变螺栓布置位置，避免出现两螺栓连接中心线偏离密封面太远的情况；

（2） 提高渗油点处正时罩盖法兰局部刚度。

由以上思路并结合发动机实际情况，提出如下优化方案：将渗油点处两螺栓之间的正时罩盖法兰面加宽，最宽处加宽7mm，且在加宽后的法兰面中间增加一个M6螺栓，优化方案示意图如图9所示：

对优化方案进行热机工况下的密封性能仿真分析，优化方案的接触压力与接触间隙云图同原状态对比如图10所示。表4所列为几处关键位置接触压力和接触间隙在优化前后的具体数值。

从仿真结果上看，经过优化后，原渗油点处大部分节点接触压力已从0上升到0.5-8MPa，接触间隙至少减小了3个数量级。

将此优化改进方案应用在样机上，进行发动机耐久性验证试验时，发动机正时罩盖、缸盖、缸体结合面的渗油状况不再发生，渗油问题得以解决。

4 结论

（1）采用摩擦接触边界条件对正时罩盖密封面进行有限元非线性接触分析，预紧力工况有限元仿真结果与面压试验感压胶片所测得的接触压力对比，获得了较好地一致性，说明用有限元的方法对密封性进行研究准确可靠。

（2）螺栓跨度及螺栓之间的法兰刚度是影响正时罩盖密封性的关键因素，正時罩盖上螺栓布置时应避免两螺栓连接中心线偏离密封带，正时罩盖结构及螺栓布置的数量、位置、拧紧力矩大小在发动机设计之初应重点考察。

（3）密封面上的密封胶需承受一定的压力才能达到密封效果，压力目标值由所采用的密封胶性能确定，根据本例情况接触压力在2-3Mpa，接触间隙小于10-10mm时能够达到较好的密封效果。

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