柴油氣缸的案例
EDF開源CAE | code_aster對900MWe級核反應堆應急柴油機氣缸蓋裂紋的模擬
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研究背景
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目前，法國正在運行的34個900MWe級反應堆中均設置了兩組應急柴油發電機，以保證核電站在外部電力中斷的情況下各類應急設備的正常工作從而確保核電站的安全。作為預防性維護的一部分，有關部門對發電機進行了定期測試和檢查。
在檢查中，氣缸蓋的氣門橋處觀察到了裂紋（圖1，2）。EDF和柴油發電機制造商兼設計者瓦錫蘭公司40年的經驗反饋表明，這些裂紋是在定期測試中發電機的周期性啟動和停止（低頻熱疲勞）導致的，對其運行沒有影響。反饋還表明，裂紋不會擴展到水冷回路區域，從而不會導致發電機的停機。
圖1 氣缸蓋氣門橋處的裂紋
圖2 某破裂面上的裂紋
盡管有大量的經驗反饋作為支撐，法國核安全局（Autorité de S?reté Nucléaire, ASN）仍要求EDF嚴格證明這些裂紋的無害性。因此，EDF的核電部中負責制定和優化核反應堆維護策略的國家運營工程部（UNIE）指示研發部門通過數值模擬對裂紋擴展過程進行論證，關鍵在于通過增大檢查間隔時間的方式來減輕氣缸蓋的維護負擔，同時還要避免因出現裂紋而被拒收的氣缸蓋的早期更換。
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材料實驗
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由于氣缸蓋材料（層狀石墨鑄鐵GJL-300）原本不存在于EDF的數據庫中，因此該材料的熱力學參數必須通過實驗從反應堆中廢棄氣缸蓋上采集的樣品中提取。EDF在20℃，220℃和420℃下對氣缸蓋材料進行了單向拉伸實驗、循環拉/壓實驗和疲勞裂縫發展實驗，并獲得了相應的材料力學參數（圖3，4，5）。
展開 柴油機燃油系統知識
柴油機使用的燃料是柴油，由于柴油比汽油粘度大，蒸發性差，所以在柴油機工作時，必須采用高壓噴射的方法在壓縮行程活塞接近上止點時，將柴油以霧狀噴入燃燒寶，直接在氣缸內部形成可燃混合氣，并借助氣缸內空氣的高溫自行發火燃燒。
柴油機燃油系統同時要完成柴油供給和空氣供給以及可燃混合氣的形成、燃燒和廢氣的排出任務。
要求
根據可燃混合氣形成特點
燃料與空氣的混合是在氣缸內進行的。柴油蒸發性和流動性都比汽油差，不能在氣缸外部形成混合氣。接近壓縮行程終點時，把柴油噴入氣缸，受熱、蒸發、擴散，與空氣混合。混合氣形成的時間很短(15~35 °CA)，燃燒室各處混合氣成分不均勻，且隨時間變化。柴油粘度大，不易揮發，必須用高壓以霧狀噴入。
可燃混合氣的形成和燃燒過程是同時、連續重疊進行的，即邊噴射、邊混合、邊燃燒(擴散燃燒)。必須要有足夠的空氣和柴油混合:α=1.2~2.2。理論空燃比14.5。進氣道、燃燒室、燃油系統要相互匹配。噴油提前角:是指從噴油器噴油開始，到活塞運行至上始點時曲軸轉過的角度。
根據噴油提前角
柴油噴入氣缸后，要經過一定時間的物理化學過程后才能著火燃燒。要在上止點附近著火，就要在上止點之前噴油。氣缸內柴油著火前的物理化學過程準備時間基本不變，但轉速越高，同樣時間所占曲軸轉角就越大。所以，噴油提前角應隨發動機轉速增高而加大。
自動調速
柴油機高壓供油系統中，只能控制噴入氣缸的油量，但油量控制裝置與發動機負荷沒有直接聯系(汽油機用節氣門控制進入缸內的空氣量)。負荷增加時，如果每循環油量不變，則發動機轉速降低，甚至熄火;負荷減小時，若油量不變，則發動機轉速增大，甚至可能超速。發動機轉速不穩，隨負荷而變。需要設置自動調速裝置，使之根據負荷變化，自動調整噴油泵循環供油量，以使柴油機穩定轉速運行。
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展開 
CAE技術在柴油機缸套變形影響因素 研究中的應用
來源：數字仿真聯盟
作者：溫世杰，張曉靜
（中國北方發動機研究所 山西 大同 037036）
摘要：某小缸徑柴油機在樣機設計階段的有限元計算和部件裝配試驗中發現預緊狀態下缸套變形過大。為滿足設計指標要求，應用CAE技術對氣缸套變形的影響因素進行計算仿真分析，找出影響該機型缸套變形的主要因素，并進行改進設計，計算數據和部件試驗證明了改進方案的有效性。
關鍵詞：柴油機，缸套, 變形，有限元分析
1 概述
研發某新型小缸徑V型柴油機，在高爆壓、高轉速狀態下，為避免出現缸套變形過大而導致的早期磨損、漏氣量大而影響功率指標、甚至導致拉缸等嚴重故障的出現，對在裝配狀態下氣缸套的變形量有嚴格的技術指標要求，其最大橢圓度值應低于25um。
在原理樣機設計階段進行的計算仿真分析和部件變形測量試驗的結果，發現氣缸套在冷機裝配狀態下的變形遠遠超出了設計指標的要求，缸套上、中、下三個部位的橢圓度值分別為38.3、20.0、-31.2um，這一結果證明機體以及氣缸套的方案設計遠沒有達到技術指標的要求，必須進行改進設計。
初步判斷導致該機型缸套變形超標的因素有：鋁合金彈性模量較低（僅為灰鑄鐵的二分之一左右）導致機體整體剛度不足，且缸套支撐部位剛度分布不均勻，在預緊狀態下整體變形過大，局部的扭曲導致缸套受力不均勻；高爆壓使氣缸蓋緊固螺栓預緊力設計值偏高，缸套受力過大；緊固螺栓的布置對氣缸套上端面受力均勻性的影響。
此外，影響缸套變形的直接因素還有：
氣缸套的壁厚、結構型式和剛度；機體與缸套之間的支撐結構型式，機體與缸套之間的裝配間隙；機體與缸蓋之間的密封形式及氣缸墊的結構型式等。
展開 柴油發動機溫度過高時，可否拆掉節溫器？
同時，進入氣缸內的柴油霧化不良，未霧化的柴油沖刷氣缸壁上的機油，致使機油稀釋，增加氣缸套、活塞環的磨損。
縮短發動機壽命
由于溫度低，機油粘度大，不能及時滿足柴油機摩擦件的潤滑，使柴油機機件磨損增加，降低了發動機的動力。
燃燒產生的水蒸氣易與酸性氣體凝結，加重了對機體的腐蝕，縮短了發動機的壽命。
所以，在去掉節溫器的情況下運行發動機是百害而無一利的。
轎車知識百度百科1
但由于柴油機用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸發，而其自燃溫度卻較汽油低，因此可燃混合氣的形成及點火方式都與汽油機不同。不同之處主要是，柴油發動機氣缸中的混合氣是壓燃的，而不是點燃的。柴油發動機工作時進入氣缸的是空氣，氣缸中的空氣壓縮到終點時，溫度可達500-700℃，壓力可達40—50個大氣壓。活塞接近上止點時，發動機上的高壓泵以高壓向氣缸中噴射柴油，柴油形成細微的油粒，與高壓高溫的空氣混合，柴油混合氣自行燃燒，猛烈膨脹，產生爆發力，推動活塞下行做功，此時的溫度可達1900-2000℃，壓力可達60-100個大氣壓，產生的功率很大，所以柴油發動機廣泛的應用于大型柴油汽車上。
而柴油機在節能與二氧化碳排放方面的優勢，則是包括汽油機在內的所有熱力發動機都無法取代的，因此，先進的小型高速柴油發動機，其排放已經達到歐洲III號的標準，成為“綠色發動機”，目前已經成為歐美許多新轎車的動力裝置。
太陽能
太陽能電動車以光電代油，可節約有限的石油資源。白天，太陽電池把光能轉換為電能自動存儲在動力電池中，在晚間還可以利用低谷電（220V）充電。
無污染，無噪音。因為不用燃油，太陽能電動車不會排放污染大氣的有害氣體。沒有內燃機，太陽能電動車在行駛時聽不到燃油汽車內燃機的轟鳴聲。
與燃油汽車的比較優勢。實用型太陽能動力車除行駛速度遠低于燃油汽車外，與燃油汽車相比，還是有諸多優勢的。首先，太陽能電動車耗能少，只需采用3-4平方米的太陽電池組件便可使太陽能電動車行駛起來。燃油汽車在能量轉換過程中要遵守卡諾循環的規律來作功，熱效率比較低，只有1/3左右的能量消耗在推動車輛前進上，其余2/3左右的能量損失在發動機和驅動鏈上；而太陽能電動車的熱量轉換不受卡諾循環規律的限制，90%的能量用于推動車輛前進。
其次，易于駕駛。
展開 沃爾沃推出迄今為止最節油卡車 達460馬力
并且這套方案沒有額外加入混動、低風阻的套件之類的東西，就是在FH的基礎上對傳動系統進行優化，進一步發掘柴油車的潛力。沃爾沃宣稱，采用I-Save的FH卡車是迄今為止沃爾沃卡車最省油的卡車。
按照國內油價，長途卡車平均一公里最少也要2塊錢左右，一年跑20萬公里就是40萬的油費，節油7%燃油成本，一年就是2.8萬，就算沒有那么理想，一年省1萬多塊錢應該問題不大。
那么沃爾沃是如何做到的呢，主要有以下幾項優化：更省油的D13TC發動機；新型省油后橋；I-See自動巡航系統地圖數據更新；針對長途優化I-Shift變速器。
D13TC發動機降低油耗增強動力
型號D13TC的發動機是沃爾沃FH省油的核心，它取代了FH之前使用的D13發動機，動力更強，油耗卻能更低。
動力和油耗好像是兩個相反的方向，常規認知里面要動力就得多噴油，要省油就得少噴油。魚和熊掌都想要？也可以。因為發動機的熱效率不是100%，同樣噴入到氣缸內的油，燃燒的越充分，釋放出的能量就越多。沃爾沃D13TC發動機通過“節源開流”實現了降低油耗和增強動力。
D13TC發動機活塞頂部是獲得專利的波浪形，噴入氣缸內柴油被壓燃的時候可以引導火焰從周邊向活塞中心燃燒，這種設計可以改善燃燒并提高效率，做到“節源”。
發動機排出的廢氣也沒有浪費，D13TC發動機有一套Turbo Compound機械熱回收系統，發動機型號里的“TC”沒猜錯就是指“Turbo Compound”的縮寫。廢氣渦輪通過一套齒輪機構和發動機的曲軸連在一起，廢氣推動渦輪旋轉的時候就把能量轉化為機械能驅動曲軸，發動機就能獲得額外的動力輸出，曲軸輸出扭矩會增加300Nm。
展開 【汽車噴油泵知識】
* 當柱塞上升至"上止點"后往下移動，柱塞傾斜槽又會與吸入口相遇，柴油又被吸進柱塞套里面，再次重復上述的動作。直列式噴油泵每一組柱塞系統對應一個氣缸，4個氣缸就有4組柱塞系統，因此體積比較大，多用在中型以上汽車。例如公共汽車和大貨車上的柴油機一般用直列式噴油泵。
轎車及輕型汽車柴油機上的噴油泵一般是分配型，具有體積小重量輕，零件少構造簡單的優點。它用兩組柱塞系統(或者一組柱塞系統)加壓，柴油分別送入各個噴油嘴。
它的基本工作原理就是在泵里面有兩組對置柱塞安裝在葉輪上，葉輪被發動機帶動轉動時，柱塞也隨之轉動，由于凸輪環的凸起部分壓動柱塞，使柱塞發揮象泵的作用一樣向葉輪中央的送油孔壓送柴油，這時送出去的柴油充滿了分配器入口處，然后按各氣缸順序排列噴射。
由于兩組柱塞系統(或者一組柱塞系統)的動作轉數與氣缸數目成比例增加，因此該種噴油泵受到汽缸數目及最高轉速的限制。
隨著柴油機技術的發展，又興起一種單體式噴油泵形式(稱為單體泵或者泵噴嘴)，它實際上是將上述兩種型式的噴油泵"化整為零"，發動機每個氣缸燃油噴射由各自的獨立噴射單元(單體泵或者泵噴嘴)來完成。
對于單體泵而言，噴油泵與噴油嘴之間用一根很短的高壓油管相連，而對于泵噴嘴而言，噴油泵與噴油嘴組合為一體，直接安裝在柴油機氣缸蓋上，由頂置凸輪軸驅動。它們的最大優點是能夠減輕或者消除在柴油流動和噴射的過程中，在高壓油管內所形成的壓力波影響。因為這個壓力波會妨礙著噴油系統與負荷、轉速的良好匹配，并會隨著高壓管的長度增長而增大。
因此，縮短高壓油管的長度(噴油泵的設計思想)或干脆不要高壓油管(泵噴嘴的設計思想)，減少柱塞與噴油嘴之間的高壓容積，可以得到接近于凸輪輪廓線所規定的供油規律。尤其是泵噴嘴，早在十幾年前已經應用在通用汽車上，如今有電子技術的精確控制，使其性能得以提高。
展開 汽車的心臟！帶你了解發動機的基本構造及分類
根據動力來源不同，汽車發動機可分為柴油發動機、汽油發動機、電動汽車電動機以及混合動力等。
常見的汽油機和柴油機都屬于往復活塞式內燃機，是將燃料的化學能轉化為活塞運動的機械能并對外輸出動力。汽油機轉速高，質量小，噪音小，起動容易，制造成本低；柴油機壓縮比大，熱效率高，經濟性能和排放性能都比汽油機好。
內燃機分類
按進氣系統的工作方式可分為自然吸氣、渦輪增壓、機械增壓和雙增壓四個類型。
按活塞運動方式可分為往復活塞式內燃機和旋轉活塞式發動機兩種。
按氣缸排列型式分直列發動機，V型發動機、W型發動機和水平對置發動機等。
按氣缸數目不同可以分為單缸發動機和多缸發動機。現代汽車多采用三缸，四缸、六缸、八缸發動機。
按冷卻方式不同可以分為水冷發動機和風冷發動機。水冷發動機冷卻均勻，工作可靠，冷卻效果好，被廣泛應用于現代車用發動機。
按沖程數可分為四沖程內燃機和二沖程內燃機。汽車發動機廣泛使用四沖程內燃機。
按燃油供應方式分類：化油器發動機和電噴發動機以及缸內直噴發動機。
結構
發動機是由曲柄連桿機構和配氣機構兩大機構，以及冷卻、潤滑、點火、燃料供給、啟動系統等五大系統組成。主要部件有氣缸體、氣缸蓋、活塞、活塞銷、連桿、曲軸、飛輪等。往復活塞式內燃機的工作腔稱作汽缸，汽缸內表面為圓柱形。在汽缸內作往復運動的活塞通過活塞銷與連桿的一端鉸接，連桿的另一端則與曲軸相連，曲軸由氣缸體上的軸承支承，可在軸承內轉動，構成曲柄連桿機構。活塞在汽缸內作往復運動時，連桿推動曲軸旋轉。反之，曲軸轉動時，連桿軸頸在曲軸箱內作圓周運動，并通過連桿帶動活塞在氣缸內上下移動。曲軸每轉一周，活塞上、下各運行一次，汽缸的容積在不斷的由小變大，再由大變小，如此循環不已。汽缸的頂端用汽缸蓋封閉。
展開 [發動機的組成]
干式氣缸套不與冷卻液接觸，為防止缸套向下竄動，可在上（下）止口限位。濕式缸套外表面直接與冷卻液接觸，為防止漏冷卻液，缸套下止口處裝有1～3個橡膠密封圈。
2、機油盤
機油盤的作用是儲存潤滑油，故俗稱油底殼。它一般采用薄壁鋼板沖壓而成，內部設有穩油擋板以防止潤滑油過分激蕩，底部設有放油塞以便更換潤滑油。
3、氣缸蓋
氣缸蓋的主要作用是封閉氣缸上部，并與活塞頂構成燃燒室。氣缸蓋上有燃燒室、水套、火花塞座孔（柴油發動機有噴油器安裝孔）、進排氣道、氣門座、氣門導管座孔等。上部裝有搖臂軸總成，用氣缸蓋罩封閉，結合面間裝有密封點墊。汽油發動機氣缸蓋一般是整體的，但也有例外，如EQ6100—1型發動機就是兩個氣缸蓋。氣缸直徑較大的柴油發動機采用一缸一蓋或二缸一蓋，最多不超過三缸一蓋，以防止氣缸蓋變形。
4、氣缸墊
氣缸墊俗稱氣缸床，安裝在氣缸蓋與氣缸體之間，其作用是密封氣缸體與氣缸蓋的結合平面，以防止漏氣、漏冷卻液及漏油。氣缸墊多采用石棉板材料制成，有些用石棉板兩面包銅皮或鐵皮制成，有些用中間鋼片兩面貼適合應性好的乳膠石棉板制成。燃燒室孔采用雙層或單層金屬包邊，以防燃燒氣體沖壞石棉層。
配氣機構
配氣機構的作用是根據發動機的工作順序和各缸工作循環的要求，及時地開啟和關閉進、排氣門，使可燃混合氣（汽油發動機）或新鮮空氣（柴油發動機）進入氣缸，并將廢氣排入大氣。
一、類型及工作原理
四沖程發動機廣泛采用氣門凸輪式配氣機構，它由氣門組和氣門傳動組兩部分組成。按其傳動方式不同，可分為正時齒輪傳動式和鏈條傳動式兩種；按凸輪軸的位置不同，可分為下置不同，可分為下置凸輪軸式、中置凸輪軸式和上置凸輪軸式。下置凸輪軸式配氣機構，它的工作過程是：發動機工作時，曲軸通過一對互相嚙合的正時齒輪帶動凸輪軸旋轉，當凸輪的凸尖上升到最高位置時氣門開度最大。
展開 
ALGOR
Adiabatics公司的工程師用多物理場軟件分析了在原型試驗中出現了裂縫的軍車柴油機氣缸蓋的熱結構行為。
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?? Nelson使用ALGOR的熱分析功能來優化寬量程氧氣傳感器，該傳感器可以使汽車更清潔、更有效。
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???惠普公司用ALGOR的非穩定流分析功能優化了熱噴墨打印頭的進墨流道的墨流，從而使打印質量達到最優。
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??上圖所示采用焦耳加熱的點焊系統中，在兩塊金屬薄板之間通過電流將二者永久焊接，對其進行靜電流和電壓分析以確定電流分布，靜電結果隨后被直接用于穩態熱分析來確定溫度分布。
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什么是鑄造？鑄造的6大常用方法，14種缺陷分析及控制
合金氣缸體、氣缸蓋壓鑄成形技術
鋁合金是汽車上應用最快和最廣的輕金屬，因為鋁合金本身的性能已經達到質量輕、強度高、耐腐蝕的要求。最初，鋁合金僅用于一些不受沖擊的部件。后來，通過強化合金元素，鋁合金的強度大大提高，由于質輕、散熱性好等特性，可以滿足發動機活塞、氣缸體、氣缸蓋在惡劣環境下工作的要求。鋁合金氣缸體、氣缸蓋壓鑄成形核心技術可以提高凈化、精練、細化、變質等材質質量控制，使得鋁鑄件質量達到一致性和穩定性。
隨著我國汽車業的發展，特別是家用轎車的快速增加和汽車部件出口的增大，汽車鋁鑄件將有很大的增長。鋁氣缸蓋成形工藝主要有兩種，一是以歐美為代表的重力鑄造成型工藝，上海皮爾博格、南京泰克西等公司，選用意大利法塔公司重力鑄造機生產鋁氣缸蓋。二是以日韓為代表的低壓鑄造成型工藝，東風日產發動機分公司鋁壓鑄車間、廣東肇慶鑄造公司、天津豐田鑄造公司，選用日本新東等公司低壓鑄造機生產鋁氣缸蓋。
6. 半固態壓鑄成型技術
半固態技術發源于美國，因此在美國這一技術已經基本成熟，處于全球領先地位，被稱之為21世紀最有前途的材料成形加工工藝。Alumax公司率先將該技術轉化為生產力，生產的鋁合金汽車制動總泵體毛坯尺寸接近零件尺寸，加工量占鑄件質量的13%，同樣的金屬型鑄件的加工余量則占鑄件質量的40%。20世紀80年代以來，歐洲等國在半固態應用方面作了大量研究和應用工作。
7. 鑄鐵材質的發展趨勢
薄壁高強度灰鑄鐵件技術
灰鑄鐵件在汽車上大量應用，由于該材料具有低的成本和良好的鑄造性能優勢。隨著汽車技術輕量化要求，灰鑄鐵的增長和發展將受到一定的影響，因此加強薄壁高強度氣缸體、氣缸蓋鑄件技術的開發與應用將是發展趨勢。
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隨著我國汽車業的發展，特別是家用轎車的快速增加和汽車部件出口的增大，汽車鋁鑄件將有很大的增長。鋁氣缸蓋成形工藝主要有兩種，一是以歐美為代表的重力鑄造成型工藝，上海皮爾博格、南京泰克西等公司，選用意大利法塔公司重力鑄造機生產鋁氣缸蓋。二是以日韓為代表的低壓鑄造成型工藝，東風日產發動機分公司鋁壓鑄車間、廣東肇慶鑄造公司、天津豐田鑄造公司，選用日本新東等公司低壓鑄造機生產鋁氣缸蓋。
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半固態技術發源于美國，因此在美國這一技術已經基本成熟，處于全球領先地位，被稱之為21世紀最有前途的材料成形加工工藝。Alumax公司率先將該技術轉化為生產力，生產的鋁合金汽車制動總泵體毛坯尺寸接近零件尺寸，加工量占鑄件質量的13%，同樣的金屬型鑄件的加工余量則占鑄件質量的40%。20世紀80年代以來，歐洲等國在半固態應用方面作了大量研究和應用工作。
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灰鑄鐵件在汽車上大量應用，由于該材料具有低的成本和良好的鑄造性能優勢。隨著汽車技術輕量化要求，灰鑄鐵的增長和發展將受到一定的影響，因此加強薄壁高強度氣缸體、氣缸蓋鑄件技術的開發與應用將是發展趨勢。
展開 【汽車噴油器知識】
這些特性應符合柴油機燃燒系統的要求，以使混合氣形成和燃燒完善，并獲得較高的功率和熱效率。
電控噴油器是共軌系統中最關鍵和最復雜的部件, 也是設計、工藝難度最大的部件。ECU通過控制電磁閥的開啟和關閉, 將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時、噴油量和噴油率噴入的燃燒室。為了實現有效的噴油始點和精確的噴油量，共軌系統采用了帶有液壓伺服系統和電子控制元件(電磁閥)的專用噴油器。
噴油器由與傳統噴油器相似的孔式噴油嘴、液壓伺服系統(控制活塞、控制量孔等) 、電磁閥等組成.
工作原理
柴油機噴油系統將燃油霧化，并分布在燃燒室內與空氣混合的部件。
它主要由噴油嘴和噴油器體組成，它在缸蓋上的安裝位置與角度取決于燃燒室的設計。
噴油器分為開式和閉式兩種。開式噴油器結構簡單，但霧化不良，很少被采用。閉式噴油器廣泛應用在各種柴油機上。柴油機在進氣行程中吸入的是純空氣。在壓縮行程接近終了時，柴油經噴油泵將油壓提高到100MPa以上，通過噴油器噴入氣缸，在很短時間內與壓縮后的高溫空氣混合，形成可燃混合氣。由于柴油機壓縮比高(一般為16-22)，所以壓縮終了時氣缸內空氣壓力可達3.5-4.5MPa，同時溫度高達750-1000K(而汽油機在此時的混合氣壓力會為0.6-1.2MPa，溫度達600-700K)，大大超過柴油的自燃溫度。因此柴油在噴入氣缸后，在很短時間內與空氣混合后便立即自行發火燃燒。氣缸內的氣壓急速上升到6-9MPa，溫度也升到2000-2500K。在高壓氣體推動下，活塞向下運動并帶動曲軸旋轉而作功，廢氣同樣經排氣管排入大氣中。
普通柴油機的是由發動機凸輪軸驅動，借助于高壓油泵將柴油輸送到各缸燃油室。這種供油方式要隨發動機轉速的變化而變化，做不到各種轉速下的最佳供油量。
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