强化燃烧是柴油机节能减排的基础技术手段之一。众所周知,柴油机燃烧强化增大了缸盖等关键受热承力零部件的热负荷和机械负荷,疲劳可靠性设计面临挑战。一方面,直接采用疲劳寿命指标开展产品试验考核的时间和费用成本都很高,难以适应工程实际的开发进度和成本控制要求。另一方面,数值仿真手段虽然已经普遍用于柴油机产品多方案比较、优选设计开发之中,并且成效明显,但是,由于我国在强化柴油机可靠性设计方面积累的产品数据还十分有限、系统的理论研究尚未深入,高水平产品方案的概念设计或者创新设计还是依赖国外咨询公司。随着我国柴油机产业的快速发展,以上可靠性设计瓶颈问题日益凸显,迫切需要自主建立基于可靠性目标、可以指导产品概念设计或创新设计、同时便于工程应用检验的设计理论。本文以柴油机缸盖为对象,面向强化燃烧背景下的热可靠性设计问题,以建立便于工程设计考核检验、设计参数驱动的可靠性评价理论为核心目标,开展了基于疲劳理论的缸盖热状态诊断参数模型研究,以此为基础,系统研究了燃烧强度、冷却组织方式和水套结构对缸盖热状态的影响,建立了设计参数驱动的缸盖热状态预测模型,并应用上述模型对不同燃烧强度下缸盖冷却组织和水套结构开展了正向设计,验证了预测模型的精度和诊断参数模型的应用效果。本文的主要研究内容和结论如下:1、基于疲劳理论的缸盖热状态诊断参数模型研究。通过理论推导缸盖疲劳失效危险区域热疲劳与缸盖温度分布的关系,建立基于温度分布的鼻梁区热应力应变和疲劳寿命计算模型。通过数值模拟方法获得某柴油机缸盖温度场、应力应变场及疲劳寿命,并根据仿真结果数据修正理论计算模型,建立基于疲劳理论的缸盖热状态诊断参数模型。2、柴油机燃烧强化对缸盖热状态影响研究。采用发动机热力过程计算模型研究功率密度提升对缸内传热强度和爆发压力的影响,并进一步研究缸内传热强度升高及底板厚度增大后缸盖热状态的变化规律,结果表明,在29~53kW/L的功率密度范围内,缸盖最高温度和关键区域温差随着功率密度升高呈准线性增大。3、冷却组织方式及水套结构对缸盖热状态影响研究。采用数值模拟方法研究冷却液流量、上水孔参数及反向冷却和分体冷却对缸盖热状态的影响规律,结果表明:冷却液流量与缸盖最高温度和缸盖底板关键区域温差之间呈对数关系;优化关键上水孔有利于降低缸盖最高温度;结合分体冷却和反向冷却的组织方式可以实现降低缸盖温度,改善缸盖和缸套温度分布,降低水套流阻功耗及冷却液热耗散量的目的;应用双层水套可降低缸盖最高温度和关键区域温差,提高低周疲劳寿命和高周疲劳安全系数。4、缸盖热状态预测模型建立与验证。应用响应曲面法建立双层水套结构参数及冷却组织方式对缸盖热状态的耦合影响模型。结果表明:下层水套无量纲高度与直径对缸盖热状态的影响存在交互作用;采用分体冷却和反向冷却结合的组织方式后,水套无量纲高度对最高温度和综合温差参数的影响最大。综合前述影响模型和规律研究,建立缸盖热状态预测模型,并通过某柴油机燃烧强化前后缸盖温度数据验证了预测模型精度。5、缸盖热状态预测模型与诊断参数模型综合应用。结合缸盖热状态预测模型和诊断参数模型,应用于燃烧强化柴油机中,进行缸盖冷却组织和结构正向设计。结果表明:各燃烧强度下的柴油机缸盖最高温度和关键区域温差的预测结果精度较高,通过冷却组织和结构设计后缸盖热疲劳寿命均满足设计要求。在缸盖冷却设计中,应用缸盖热状态诊断参数模型和热状态预测模型可高效实现可靠性设计目标,大幅提高了设计和分析效率。