1 前言
密封性能的优劣对发动机的工作状态与技术状况有着重要的影响，而随着大众对舒适性的日益重视，发动机的外观整洁性也变得越来越重要，因此选择合适的密封技术和密封工艺是发动机设计人员必须要考虑的一个问题。与此同时，现代发动机正向重量轻、功率大、体积小方向发展，越来越多地采用新技术、新工艺，而由于市场竞争的激烈，发动机的研发周期却需要不断地被缩短。因此，只凭借设计经验与试验情况来指导密封设计，无论从可行性还是从时间性来看都已难以满足实际要求。在现代发动机设计中，数值分析技术已被充分证明可以对设计工作提供指导性的意见，并大大缩短开发时间和开发费用。
本文采用流固耦合的方法使用ABAQUS 计算了发动机整机的温度场，其中温度边界取之于燃烧计算与水套 CFD 计算，然后计算了热变形，最后对发动机主要部件间在冷机、热机状态下的密封性能进行了评估。根据计算结果，对密封性能进行了评估，并对设计方案提出了修改意见。
2 发动机密封
微观检测表明即使 2 个加工最好的表面贴合在一起，两者之间的接触面积也只有 25%～35%，其他的表面实际上是脱离的。因此，对于有严格密封要求的表面，垫片必须被使用来保证系统内部的流体不泄漏和外部的污染物质不侵入。
发动机部件之间由于密封状况和密封要求各不相同，密封形式非常多元化。按是否接触分有接触式密封和非接触式密封，其中以前者为主要方式。接触式密封又分为动密封与静密封，动密封主要涉及活塞环、气门杆这些运动部件，其他部件的密封形式基本都属于静密封。再进一步细分，静密封使用的垫片可以有固体、液体两种类型。缸盖与缸体之间、缸盖与排气歧管之间由于温度很高，工况恶劣，都是采用固体的金属垫片，而对于其他部件则基本是液体垫片，这部分正是本文要分析的内容。液体垫片亦分很多类型，但对于现代发动机而言，一般采用的是现场成型式垫片，主要有厌氧胶和硅胶。这两种垫片各有优缺点，可根据实际情况来选择使用。
3 计算模型和边界条件
3.1 材料属性
由于要考察热机状态下的密封性能，发动机各主要部件材料参数的温度相关性以及塑性硬化特性被考虑，相应各材料的材料特性取之于奇瑞内部材料数据库。
3.2 温度边界条件
温度场计算的边界条件由 CFD 分析计算得到，图 1～图 3 给出了燃烧室及进排气道内流场、缸套壁面内流场、水套内流场的 HTC 和温度。对油路及机油接触面，则给予近似温度边界条件。
图 1 燃烧室及进排气道的 HTC 和温度
图 2 缸套壁面的 HTC 和温度
图 3 水套的 HTC 和温度
3.3 热变形计算
热变形计算分 4 步，第一步施加螺栓预紧力将整机装配起来，第二步固化第一步计算的结果，第三步计算热机状态下的变形，第四步计算冷却到室温下的变形。需要注意的是，由于材料考虑到温度相关性和塑性硬化特性，第四步的结果与第一步的结果是不一样的，应使用第四步的结果来评估冷机状态。
表 1 需进行密封分析的装配面及密封类型
4 计算结果及分析
4.1 温度场计算结果
图 4 给出了发动机整机的温度分布，最高温度出现在缸盖燃烧室的鼻梁区，为 235 度，缸体的最高温度为205 度，这个数值与试验测量值非常接近。图中还分别给出了罩盖及凸轮轴盖的温度分布，这些部件的密封性都将得到分析与评估。
图 4 整机温度场
4.2 热变形计算结果
图 5、6 为凸轮轴盖与缸盖装配面在冷机与热机下的接触压力与张开量。结果显示，装配面部分区域的接触压力较少，张开量较大，密封可能会存在问题，应进行结构修改。
图 5 冷机下凸轮轴盖张开量与接触压力
图 6 热机下凸轮轴盖张开量与接触压力
图 7-1、7-2 分别给出了冷、热机状态下罩盖与缸盖装配面之间的张开量。结果显示，罩盖下部的张开量稍大，但仍在可接受的范围之内，密封性能满足要求。
图 7-1 冷机下罩盖与缸盖张开量
图 7-2 热机下罩盖与缸盖张开量
同理，表 1 中列出的框架与缸体，罩盖与缸体，油体壳与框架之间的密封性能都可以得到全面的分析与评估，考虑到篇幅所限，便不再列出。
5 结论
(1) 分析结果表明，该发动机凸轮轴盖与缸盖间装配面的密封存在问题，应对结构进行修改，比如移动螺栓孔的位置以改善压力的分布。
(2).利用 ABAQUS 软件强大的流固耦合与接触计算功能，可对发动机整机主要部件间的密封性能进行全面精确的分析评估，大大节省了设计与试验时间，有效地缩短了发动机的开发周期。
资料来源：达索官方
