(杭州内燃机缸垫有限公司，浙江 杭州 310004)

图1 由气缸垫引起的影响节能与减排的因素

0 前言

气缸垫是在高温高压和脉动负荷条件下工作的，其密封的流体(燃气、润滑油和冷却液)的物理性能和化学性能差别极大，所处的环境极其苛刻。气缸垫、发动机和密封流体三者之间的相互作用，相互制约的结果，会影响发动机的工作寿命。由于金属气缸垫结构先进、机械强度高，应力松弛微小，回弹力突出，密封性强，其应用变得越来越广泛。目前新开发的发动机，已经完全采用金属气缸垫。实践证明，只有应用金属气缸垫并通过严格的可靠性设计，才能保证发动机长期的可靠密封，达到国五、国六的排放要求。

1 由气缸垫引起的影响节能与减排的因素分析

在气缸垫设计过程中，工程师们通常以是否会经常出现故障、影响排放等因素来考虑问题，具体细节见图1。根据作者多年从事气缸垫设计工作的体会，只要严格按金属气缸垫设计规范进行可靠性设计，复合型气缸垫出现的问题完全可以彻底解决，并且达到排放的标准。

2 国五、国六阶段发动机上的气缸垫总体设计

气缸垫总体设计的核心是保证发动机密封的可靠性。设计气缸垫需要与发动机整体设计同步进行，便于根据发动机的特性和结构强度确定金属气缸垫类型(图2)和燃气密封结构(表1)，即确定整体设计方案，采用单缸垫或多缸垫，还是单层垫或多层垫，并确定采用金属积层型(MLS)，金属橡胶型(ME)，金属护圈型(MR)，金属压制花纹型(MCS)结构。然后计算与平衡面压，使发动机各相关部件机械变形减小，热负荷均匀，稳定可靠。同时也便于进行系列化设计。如将发动机的安装方向从纵向改为横向或扩缸增大功率，气缸垫则只需改变中间层板水孔和密封筋尺寸，设计制造可以系列化，降低开发成本。为防止燃烧室燃烧死区现象出现，燃烧室孔直径公差应控制在正值0.3～0.5 mm之间。

图2 气缸垫类型的确定

严格控制气缸垫压缩余隙。气缸垫上使用不锈钢带的厚度公差，国家标准规定在±0.02以内，其压紧厚度容易控制，从而压缩余隙值可以保证。

另外还需要消除缸套凸出量不一致造成的影响。多缸发动机的缸套凸出量，即便是用选配的方法也难保证其一致性。为此，设计燃烧室密封部位时，尤其是缸套台肩部位，要采用弹性密封筋，调整缸套凸出量的差异。

由于发动机设计时气缸体结构不均，运转时机械负荷和热负荷加剧了应力的不平衡，在螺栓压紧力和气缸垫的影响下，缸套和缸筒会产生变形现象。即便是加工后的静态气缸体，装上气缸垫并压紧之后也会产生缸套变形。因此，应注意调整螺栓受力状态，例如将两颗螺栓中间部位的密封筋变窄，缸套上螺栓的应力作用在机体上，从而减少变形。

当气缸盖被压紧时，其中间部位即发生微微向上翘曲现象。燃气爆发后将产生较大的翘曲，尤其是多缸发动机沿水平轴方向，在气缸盖的中间部位，翘曲更加明显。发动机也常常因受力不均出现气缸盖偏斜情形。设计时应对两端和偏斜一侧，增加防翘曲及防偏斜的密封筋、支撑块或辅助密封筋。

在对整体型水孔密封筋走向及水油孔密封的设计过程中，必须将气缸盖底视图和气缸体顶视图对正以后，沿气缸盖和气缸体水套外壁厚度的中线走向，增加1条整体型倾斜形水孔密封筋。各水孔油孔和回油孔包围在整体密封筋之内，部分放置其外，单独密封。油孔密封筋必须将气缸盖和气缸体上不在同一条垂线上的油孔完全封起来，水孔也同样如此。水油孔密封通常采用倾斜形、弧形密封筋，或用橡胶环密封。

排气管垫、EGR和增压器垫片等位置的密封垫片，应充分考虑其耐热耐压程度，选择高回弹能力的不锈钢材质及高弹力密封筋。

3 燃气密封结构设计及面压计算

3.1 燃气密封结构设计

燃气密封结构设计关键是建立起密封高压燃气的“密封带”，在密封带上形成的密封面压能充分地、持久地密封高压燃气，使排放达标。

MLS金属积层气缸垫是应用最普遍的一种结构[1-2]。图3中上板和下板为功能层板，用0.2～0.3 mm厚度的高强度不锈钢弹簧钢板制成。在燃烧室孔周围压制有高回弹性的弧形密封筋，俗称全筋。当全筋被压缩时储藏势能，使密封面上产生的动态间隙幅度减小，并且补偿燃烧室周围气缸盖刚性的差异。在水孔及相应孔处压有倾斜形密封筋。调整板由碳钢制成，用来调整气缸垫厚度。中板多为弹簧不锈钢板，用其翻边宽度形成密封限位片。

图3 MLS金属积层型气缸垫结构示意图

密封限位片在气缸垫密封结构中有两种作用，一是密封，用于密封高压燃气；二是限位，限制了弧形密封筋的变形高度，保护其不被“压死”，增强耐久性。如果与弧形密封筋重叠放置(形成图3密封片)就没有“限位”的作用了，应称其为缸孔环形密封片或密封片。受力情况如图4所示，由于上下板的密封筋与密封片重叠，有较高的回弹率，当气缸盖被爆发力向上顶起，产生较大间隙时，能快速予以补偿，保证密封的可靠性。弧形密封筋为第二条密封带。密封筋受力状态见图4。

表1 金属气缸垫型号和基本结构

MCS花纹型金属气缸垫是20世纪末期新出现的一种在MLS型基础改进的气缸垫，其特点是在原密封限位片处的功能层板上压制各种花纹型密封筋，图5所示为目前最常用的一种，其省掉了中板和密封限位片或密封片，节约了材料，而且加工工艺也较曲纹型密封筋简单。该密封筋刚度好，适应较高的压力，最高应力可达20.58 MPa。具体密封筋形状可视工况而定。

图4 密封筋受力图

弧形筋用于中高压密封，适用于燃气密封。斜形筋用于中低压密封，适用于水油孔密封。当燃气爆发压力较高、密封面垂直运动量增大、形成较大间隙时，密封筋层数应增加。ME型金属气缸垫多为单层金属气缸垫。用燃气密封筋密封燃气，用弹性体密封水油孔，弹性体硬度为(70±2)HS，变形量约为20%～30%[3]。

图5 MCS波浪形金属气缸垫结构示意图

MR型金属气缸垫采用在缸口处用上板翻边形成的护圈密封高压燃气，多数在中板的燃烧室孔处压有弧形或锯齿状密封筋。水油孔用弧形或倾斜型密封筋、护圈及橡胶密封环密封。气缸垫的周边或在适当均衡位置处采用弧形筋和设置支承块，以确保气缸垫受力的平衡。采用铆钉、护圈或舌形压条将各层固定。

3.2 燃气密封面压的计算

在确定燃气密封结构并确定燃气密封安全系数之后，进行燃气密封面压的计算与结构的校核。作为总密封力的缸盖螺栓预紧力作用在气缸体与气缸盖的结合面上，实现了气缸垫的总体密封。总密封力的平衡如式(1)所示。

FB=EC+FW+FO+FQ

(1)

式中，FW为水孔密封力；FO为油孔密封力；FQ为其他密封力。通常，燃气密封力约占螺栓总压紧力的60%～70%，设计时要对密封面压分布的均匀性进行校对。对于面压偏低需要强化的部位要变换密封面的宽度和厚度，予以增强和调整。当设计计算时，气缸垫总密封力应与实际密封力相等或小于实际密封力才是安全的。

燃气密封面压，即为密封高压燃气在发动机燃气密封带单位面积上所施加的力，或是在单位燃气密封面积上应具有的密封力。在长期的设计实践中，人们积累了各密封部位的密封面压值，该值即近似为“许用”密封面压值，只有符合该值，才能比较好的实现密封性能，否则就要调整密封面积Acz。燃气密封面压σc(MPa)的计算公式如式(2)所示。

σc=(FBCC-σczLcz)/100Acz

(2)

式中，Cc为燃气密封力系数，约60%～70%；σcz为燃气密封线压，汽油机燃气密封线压大于等于700 N/cm；柴油机燃气密封线压大于等于1 000 N/cm；Lcz为燃气密封线总线长；Acz为燃气密封总面积。

根据实测的燃气密封面压参考值，见表2。有的学者用σc/Pm来确定面压值，对于较高应力、高应力及普通应力的汽油机与柴油机，该比值已分别增至20、25、30和25、30、35[5]。

表2 密封面压参考值

为了解决同一发动机的密封，可以有多个设计方案，多个密封模型，要注意进行方案的比较，并进行技术分析，最终选择最佳方案。

应对气缸套进行机体变形试验，对气缸垫样品进行压紧厚度试验，应用FPD-8010E软件进行面压试验，水压试验等静态试验，再根据试验结果进行改进设计。

4 密封涂料

多层金属气缸垫两层金属板之间需有一侧涂以密封涂料，通常用丁腈橡胶、硅橡胶和氟橡胶，以密封金属钢带的微观不平度，防止流体微观泄漏。而气缸垫的外表面由于与比较粗糙的气缸体、气缸盖表面接触，更应涂以密封涂料，在燃烧室孔密封筋及水油孔密封筋处通常用印刷氟橡胶密封。

5 结语

根据作者实际设计经验对国五、国六排放阶段发动机上金属气缸垫的设计做出了简要介绍，基本原则同样适用于绿色环保、节能、零污染、零排放的空气动力发动机的气缸垫设计。

参 考 文 献

[1]Cylinder-Head Gaskets for Commercial Vehicles[EB/OL].http://www.reinz.com/pictures/39-00330-01CHG-Commercial-Vehicles-e-lowA4.pdf 2009 DANA. 2010-03-06.

[2]Elringklinger.Metalflexmetallayercylinder-headgask[EB/OL].http://www.wilmink.nl/wilmink/product/Elring_zkd_metaloflox_gb.2009-01-09.

[3]Steven K, Colin C, Steve N, et al. Edge molded metal plate(EMMP) cylineder head gaskets[C]. SAE paper 950327.

[4]机械设计手册编委会. 机械设计手册(第三版)[M].北京：机械工业出版社，2004.

[5]Daniel E，Czern K.高性能气缸盖垫片的探讨[J]. 国外内燃机，1986(5)：46-49.