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浅谈缸盖燃烧室容积的控制和发展方向

2021年12月15日 蓬莱机械设备网

发动机缸盖燃烧室容积是决定发动机压缩比的一个重要参数,它直接影响发动机的压缩比,从而影响发动机的运行性能和稳定性。

目前,国内缸盖燃烧室容积主要通过控制燃烧室内基准点和缸盖底面之间的距离间接控制燃烧室容积,在线设备测量燃烧室容积并反馈到机床加工的方式仍处于研究阶段,未能得到广泛的实施。按照目前的控制方法,在保证燃烧室成形尺寸的前提下,燃烧室高度直接影响着燃烧室的容积,所以燃烧室高度的控制在缸盖的加工中显得尤为重要。

缸盖燃烧室高度的控制方式

以某四缸发动机为例,缸盖燃烧室高度尺寸要求为:燃烧室高度点与缸盖底面高度H=(9.4±0.15)mm,缸间极差Δ≤0.2 mm。

1.毛坯铸造尺寸控制

缸盖材料为铝合金,毛坯通过重力铸造成形,使用涂层来控制燃烧室表面质量和成形精度。其成形模具具备可调的燃烧室镶块,可单独调节镶块高度,保证燃烧室高度点到毛坯基准的高度h=(7.4±0.25)mm,并控制各缸间的高度差异Δ≤0.2 mm。

2.机加工尺寸控制

(1)在线测量补偿系统

在线测量系统由测量模块、接收模块和接口组成,测量系统包括探针、传感器和发射器等,探针与被测点直接接触,通过发射器把传感器检测的位置信息传输到接收模块,最后通过接口与数控系统通信,把探测信息转换为数控变量,用于加工。其测量精度、稳定性高,对于加工尺寸的一致性贡献尤其明显。在线测量补偿系统构成如图1所示。

(2)缸盖燃烧室高度工艺控制

缸盖燃烧室高度工艺流程(见图2)如下:①以毛坯基准定位,通过在线测量补偿系统探测四缸各燃烧室高度点在机械坐标系下的位置,并计算4个燃烧室点坐标的平均值H1和缸间极差Δ,若Δ超出0.2 mm,停止加工并剔料,否则H1为基准粗加工缸盖顶面;②以顶面为定位基准,通过在线测量补偿系统探测燃烧室高度点,粗加工底面,燃烧室高度控制为(9.9±0.1)mm;③以顶面为定位基准,通过在线测量补偿系统探测粗加工底面上4个点的位置,并计算平均值作为加工零点,精加工底面,去除0.5 mm加工余量,从而保证(9.4±0.15)mm的燃烧室高度尺寸。

燃烧室高度的测量

缸盖燃烧室高度测量有线旁SPC测量和三坐标测量仪(CMM)测量两种控制方式。

1.SPC测量

缸盖燃烧室高度的SPC测量检具包括长度计、定位块、测量定位板和工业电脑等;测量定位板通过定位销与缸盖底面销孔定位,定位块和测量定位板配合保证测量点位置,长度计测取底面到燃烧室高度点的距离,计算四缸高度平均值和极差,并把数据传输至工业电脑;工业电脑把测量数据上传至数据库,通过专业数据统计软件分析燃烧室高度加工的过程能力,达到控制燃烧室高度一致性的目的。燃烧室高度检具如图3所示。图4为SPC测量某缸盖燃烧室高度数据,可见在在线测量补偿系统的作用下,燃烧室高度尺寸稳定性很高,在保证燃烧室铸造质量的情况下,可以保证燃烧室容积受控。

2.CMM测量

CMM是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一,是在三维可测的空间范围内,能够根据测头系统返回的点数据,通过三坐标的软件系统计算各类几何形状、尺寸等测量能力的仪器。其通过测针提取缸盖底面特征作为基准,测取燃烧室高度点的高度值,可生成电子报告和制定格式数据,并通过计算机上传至数据库,由数据统计软件分析过程能力。

燃烧室高度控制优化

1.缸间一致性控制优化

缸盖燃烧室的缸间差异由毛坯决定,可通过改善铸造工艺、提高模具精度、改变涂层材料或厚度以及控制热处理变形等方法,获得更出色的燃烧室型腔一致性。对缸盖燃烧室高度的控制和燃烧室容积的稳定性至关重要。

2.在线探测方式控制优化

在线探测补偿燃烧室高度的控制方法的精度和可靠性高,但是加工中产生的铝屑、切削液等杂质会导致燃烧室的探测“失真”,甚至会有加工高度超差的情况出现。为此,可进行一项优化:在底面精加工工位增加燃烧室高度点的探测,并通过燃烧室高度平均值和底面探测值计算加工前燃烧室的高度值,使用NC程序进行逻辑运算控制,防止机床来料不合格,减少加工后燃烧室高度出现超差的情况。

燃烧室容积控制发展方向

通过燃烧室高度间接控制燃烧室容积的技术是目前发动机制造业的主流,具有明显的局限性。为应对发动机越来越高的性能和稳定性要求,新的燃烧室容积控制技术必须加快研究应用。

1.在线测量燃烧室容积加工技术

在线测量燃烧室容积技术的出现,使更直接的燃烧室容积控制得以实现。其通过在线测量系统,测量缸盖各缸燃烧室容积实际值,计算最优的燃烧室容积组合,转化为数控机床加工参数执行加工;其优势在于摆脱了完全依靠燃烧室铸造精度和燃烧室高度控制来间接控制容积的限制,燃烧室容积的一致性和稳定性更高。

2.仿形加工燃烧室的应用

随着数控技术、多轴机床、仿形加工机器人和特殊刀具等的发展,零件加工精度和复杂程度得到了不断的提升,使型腔复杂的燃烧室仿形加工的可能性大大提升。机加工燃烧室具备以下优点:不再依赖毛坯铸造精度,毛坯铸造成本大大降低;燃烧室的一致性得到提升,可优化发动机性能和运行稳定性;能达到更高的尺寸精度和表面质量,改善混合气体燃烧质量,降低排放。可见,仿形加工燃烧室的应用是未来的发展趋势。

结语

缸盖燃烧室容积是决定发动机性能的重要参数,目前通过燃烧室高度控制容积的方法在一定的前提下可使燃烧室容积受控,但其受铸造因素影响,可优化空间受到限制。加工和测量技术的发展,以及对发动机性能日益提高的需求,促使人们不断探讨更出色的燃烧室容积控制方法。

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