可调式燃烧室模块在缸盖铸件燃烧室高度控制上的运用

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（1.温州瑞明工业股份有限公司，浙江温州325000；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

摘要：综述了燃烧室高度对发动机性能的影响及燃烧室高度主要影响因素，并运用可调式燃烧室模块来实现对缸盖铸件燃烧室高度的控制。

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关键词 ：燃烧室高度；发动机缸盖；影响；调整

0引言

压缩比是反映一台发动机性能的重要参数，直接影响着发动机的功率、扭矩输出。保持稳定且适当的压缩比才能使得发动机的运转平顺和稳定。压缩比是内燃机汽缸总容积与燃烧室容积的比值，是内燃机重要的结构参数，而决定燃烧室容积的主要技术要求是燃烧室高度。如何控制燃烧室高度并保证其稳定性，对燃烧室容积稳定性起关键作用，也直接影响着发动机的压缩比，对提高发动机运转的稳定性有着重要的意义。一般而言，发动机缸盖在设计过程中充分考虑到压缩比，以保证汽车发动机稳定性。在发动机缸盖铸造行业，燃烧室高度的稳定性是一个重要的产品特性参数，它是保证发动机缸盖燃烧室容积的特性，控制燃烧室高度的稳定性是产品质量及合格率的重要保证。目前发动机缸盖一般采用铝合金材料，铝合金材料体收缩率大，且缸盖结构复杂，易在铸造及热处理过程中产生变形，使燃烧室高度超差。可调式燃烧室模块能在缸盖变形的基础上进行补偿，提高燃烧室高度的稳定性。

1燃烧室高度稳定性对发动机的作用

压缩比与发动机性能有很大关系，汽油发动机在运转时，吸进来的通常是汽油与空气混合而成的混合气，在压缩过程中活塞上行，除了挤压混合气使之体积缩小之外，同时也发生了涡流和紊流两种现象。当密闭容器中的气体受到压缩时，压力是随着温度的升高而升高。若发动机压缩比较高，压缩时所产生的汽缸压力与温度相对提高，混合气中的汽油分子能汽化得更完全，颗粒能更细密，再加上涡流和紊流效果和高压缩比所得到的密封效果，就能使得在下一刻运动中当火花塞跳出火花时混合气瞬间完成燃烧的动作，释放出最大的爆发能量，来成为发动机的动力输出。燃烧室容积过大，发动机压缩比过小；燃烧室容积过小，发动机压缩比过高。当同一缸盖各缸燃烧室高度相差过大时，发动机单缸压缩比过大或过小易造成发动机爆震，影响发动机性能。

2当前发动机缸盖设计对燃烧室高度的要求

直喷式发动机缸盖设计要求每缸燃烧室容积差值控制在±0.5mL以内，以四缸发动机为例，四缸燃烧室容积最大值与最小值相差不得超过0.5mL，据此数值要求，燃烧室高度差一般控制在±0.3mm以内，高度极差≤0.3mm；涡轮增压发动机燃烧室高度差要求控制在±0.2mm以内，高度极差≤0.25mm。

3影响燃烧室高度的主要因素

3.1缸盖材料和结构

目前国内开发的发动机缸盖均为铝合金材料，铝合金材料收缩率高，变形量大。缸盖设计结构复杂，壁厚不均匀，在浇铸和热处理过程中极易变形，导致燃烧室高度变形量较大，尤其是目前使用在涡轮增压发动机缸盖上的AlSi7Mg0.3铝合金材料，其Cu含量少，收缩变形量较大，一般缸盖经过热处理之后，燃烧室高度与热处理前差值平均可达0.13mm。

3.2模具燃烧室高度

由于生产时每个缸燃烧室温度场均存在差异，每缸的模具燃烧室理论值不一致，需通过调整模具燃烧室镶块，摸索每缸的模具燃烧室高度理论值。因此，模具燃烧室高度也是影响产品燃烧室高度的主要因素之一。

3.3涂料厚度

模具燃烧室不同位置涂料厚度不同不仅影响燃烧室高度，且涂料厚薄不同会直接影响模具燃烧室模块温度，温度差异较大，铝液收缩不一致，也会影响燃烧室高度。

3.4模具燃烧室温度

模具燃烧室温度由水冷系统控制，冷却水流量的大小会对模具燃烧室温度造成影响。冷却水流量越大，模具燃烧室温度越低，模具燃烧室收缩率越小，对铸件燃烧室高度影响就越小。反之，模具燃烧室温度越高，模具燃烧室收缩率越大，对铸件燃烧室高度影响就越大。

3.5热处理变形

热处理对燃烧室高度的影响因素主要有：热处理工艺、不同的热处理炉、产品热处理时的摆放。热处理时产品的摆放一般为大端朝下，竖直放立。不同的热处理炉对燃烧室高度是否有影响需要统计试验数据后进一步分析。

4采用可调式燃烧室模块调整燃烧室高度的过程

某直列四缸涡轮增压发动机燃烧室高度要求为（10±0.2）mm，4个燃烧室高度极差≤0.2mm，此缸盖材质为AlSi7Mg0.3，Cu含量较低，收缩率较大，容易在凝固和热处理过程中产生热变形，导致燃烧室轮廓度和高度差变化较大。此缸盖体型较大，重13.4kg，长406.5mm，宽297.8mm，高146.5mm，缸径?75mm，缸心距82mm，且油腔部位设计较简单，结构不利于抵抗热变形。此缸盖材料为满足缸盖性能要求特别指定，缸盖设计已经定型，结构已无法大动作变更，故不作变更要求。燃烧室高度稳定性能要求，严重制约了产品质量的提升和生产成本的降低，对客户的供货计划也会造成影响。为提升燃烧室高度合格率，通过可调式燃烧室模块对燃烧室高度进行调整，在控制涂料厚度、冷却水流量不变的前提下，对缸盖热处理变形进行补偿。

4.1模具燃烧室高度控制

通过以往缸盖热处理后的燃烧室高度分布数据，设定模具燃烧室高度，并进行补偿。使用三坐标检测仪检测100件缸盖经热处理后的燃烧室高度，以3个Z方向基准面采点建立一个平面，再分别对一至四缸燃烧室高度检测点进行检测，记录每缸燃烧室高度。对100组燃烧室高度及其差值（图1）进行数据分析可知，当单缸高度数据偏移中心值过大时，需对该模具燃烧室高度进行补偿调整。

按照设定的模具燃烧室高度数据，通过可调式燃烧室模块调节燃烧室高度，使用三坐标检测仪通过对燃烧室Z方向粗基准面采点建面（图2），对模具燃烧室模块燃烧室高度测量点位置进行高度检测（图3），调节可调式燃烧室模块上的调节螺杆，将模具燃烧室高度调整至理论值范围，模具燃烧室高度检测公差控制在0.02mm内。

4.2涂料控制

模具燃烧室高度调整合格后，对模具进行生产验证。每次喷涂涂料或补喷涂涂料后，必须使用超声波覆层测厚仪（图4）对浇铸模具粗基准面和燃烧室高度测量点位置进行涂料厚度检测（图5）。燃烧室测量点及基准面的涂料厚度要求为0.05～0.08mm，在每班生产前对涂料厚度进行检测，并记录数据。

4.3冷却水流量控制

通过浇铸设备冷却水系统，设定单缸冷却水流量一致，根据每缸燃烧室温度调整每缸冷却水流量。使用称重法称取每缸冷却水出水重量，以保证每个模具燃烧室模块温度保持在范围内。

4.4热处理变形量控制

采用固定方式摆放缸盖至热处理炉中，缸盖摆放方式、摆放间隙、燃烧室面向需验证并按照技术要求控制。

5对燃烧室高度控制的展望

在开发设计缸盖时，需充分考虑缸盖结构及材料产生变形量的影响，采用变形量较小的铝合金材料，并采用稳定、平衡的结构。在充分保证模具燃烧室涂料厚度、冷却水流量、热处理工艺、摆放一致性的同时，通过采用可调式燃烧室模块的缸盖浇铸模式，可以简单快捷地调整模具燃烧室高度，从而得到较为稳定的燃烧室高度合格率，降低因燃烧室高度不合格而产生的废品率，提高经济效益。

当前通过可调式燃烧室模块调整燃烧室高度，可以得到98%以上的合格率，但热处理变形量的问题仍然存在。且在长期生产过程中，燃烧室高度也是不断变化的，需要长期对该数据进行分析，不断调整模具燃烧室高度，来实现燃烧室高度的合理状态。而热处理过程中燃烧室高度变形量大的问题，也需要进一步分析进而解决。热处理炉中温度分布均匀性、缸盖摆放稳定性，热处理框的平整性要求要更高，从而消除热处理中温度不均和摆放不平整对燃烧室高度的影响，这方面的工作还需进一步展开。

收稿日期：2015?06?29

作者简介：尧标（1989—），男，江西抚州人，从事汽车发动机铝铸件开发工作。