一種缸內直噴發動機活塞的設計

趙世來，孫秀毅，張治國

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110141）

一種缸內直噴發動機活塞的設計

趙世來，孫秀毅，張治國

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110141）

發動機采用缸內直噴技術不僅能提高的動力性，更重要會帶來節能減排的效應；活塞是發動機的心臟，其中燃燒室內活塞頭部形狀起到關鍵性的作用。這里詳細地闡述一下活塞的設計方法。

活塞；發動機；輕量化；燃燒室

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-76-03

前言

在當今汽車行業中，節能減排問題一直受到大家高度的關注，今后對其要求也越來越嚴格，為了解決此問題，汽車發動機就不得不斷開發新技術，優化現有產品來滿足現狀的要求。對于發動機來說，缸內直噴技術是目前主流技術。缸蓋與活塞形成一個封閉的空間，一起構成了燃燒室，燃油直接噴到缸內，完成燃料的燃燒。活塞作為發動機的關鍵零部件，需對其進行全方面的升級，主要集中在活塞材料、減重，減摩擦、結構上的改進（主要包括頂部、頭部、裙部）。這里詳細的介紹一款直噴發動機的活塞。

1、活塞材料的選擇

為了提高發動機動力性和經濟性，發動機向大爆發壓力，大壓縮比發現發展，所以活塞的材料也發生了巨大變化。某活塞廠的材料只能滿足原始設計強度要求，但是無法滿足直噴發動機活塞材料的要求，活塞材料要較強的耐磨性、耐腐蝕性，較強的剛度和抗疲勞強度。所以活塞材料在原有的基礎上進行了優化升級，增加了Cu、Mn、Ni的含量，提高了抗拉強度和耐高溫性能力。常溫（20℃）抗拉強度不小于200MPa, 高溫（300℃）抗拉強度不小于100MPa。活塞本身最高可以能承受350度的高溫。

2、活塞結構設計

這里的活塞結構設計，主要從燃燒室形狀、頭部形狀及裙部方面經行闡述[1]。這些部位都采用先進的技術，來適應當前的發展形勢。其他部位采用原始設計方案即可。

2.1 燃燒室設計

某發動機研究院通過多次試驗已證實，最常見的直噴活塞燃燒室結構有一下兩種，即盆型、屋脊型結構。見圖1、圖2。活塞形狀對發動機的進氣量影響不大，這兩種形狀的燃燒室均可在點火時刻在火花塞附近形成紊流，形成可燃混合氣[2]。

活塞燃燒室A，盆型方案有利于燃燒速度的擴散，以及缸內溫度和壓力的速度上升，燃燒室盆型，其燃燒效果明顯優于平頂活塞，凹坑較大，氣流可以平滑掠過活塞頂，有利于紊流的形成，提高了燃料的利用率，有利于降低排放。例如大眾EA211活塞就是采用A方案。B方案，靠近右側排氣側凸起處會把氣流流向火花塞，同時在活塞中心處設計燃燒室的凹坑來控制油霧的發展，此方案類似與大眾EA111活塞。

圖1 燃燒室A

圖2 燃燒室B

2.2 頭部設計

1）頭部輕量化設計

位于活塞頭部油環岸的下沿與面窗交匯處，四處分別采用凹坑結構形式，主要是實現減重，為了提高可靠性，進行FEA分析后，每個凹坑大約能減少5g。4處大約減少20g，對于240g的活塞，減少20g已經是做出了很大的貢獻。根據公式W=F.S。質量減少后，這樣會減少了能量的損失。

圖3 減重結構

2）頭部冷卻腔設計

活塞頭部溫度關系活塞耐久性，也是提高燃油經濟性的一個重要因素。此設計理念就是在靠近活塞頭部上端增加內冷油孔設計，見圖4。利用曲軸的慣性，把機油飛濺到冷卻腔內，在工作運動中，機油在腔內流動，實現頭部冷卻的功能。活塞頭部降低25-30℃，爆震的風險減小了，同時又可以保持較高的結構強度。第一環槽內積碳的沉積減少，環的卡制想象消失，提高密封性；溫度降低，缸體和活塞的變形量減小，減少拉缸的風險。

圖4 冷卻結構

3）內腔設計

內腔采用梯形結構，減少銷孔處的面壓。銷孔采用減壓槽設計，不僅能減少應力集中，而且還會儲存潤滑油，起到潤滑作用。

圖5 內腔

2.3 裙部設計

試驗證明，活塞裙部表面是影響阻力的主要因素之一，通過更改加工工藝，改善裙部形狀和表面處理方法可以減少磨損。

1）裙部結構改進

采用短裙結構，不僅能減少了活塞本體的質量，而且還會降低活塞的慣性力。采用窄的裙部，減少與缸體的接觸面積，減少摩擦損失。如圖6

2）低摩擦涂層

目前活塞裙部最常用的涂層為石墨涂層，此涂層主要是增減潤滑能力，減少新發動機初期啟動時的磨損，對于后期，就失去了潤滑的作用。而采用樹脂涂層，采用如圖7所示的印刷工藝，不僅僅能減少初期的磨損，凹坑處會存有機油，而且還對后期潤滑還會起到很大作用 ，目前此結構還能實現減摩擦的作用。

圖6 低摩擦涂層

3）合理配缸間隙

配缸間隙為缸孔直徑與活塞裙部大點直徑的差，考慮到缸體和活塞公差后，所以間隙就是一個范圍值，間隙加大后，摩擦是減少了，但是換向時會出現硬接觸，會出現敲缸的聲音，嚴重者會導致頭部斷裂，針對于直噴發動機，一般配缸間隙范圍在0.05-0.08之間（缸徑＜ 100mm）。

3、模擬結果與分析

在經行有限元計算時，輸入發動機的基本信息，例如功率、扭矩，排量、最大爆發壓力等等一系列的與計算有關的參數[3]。

有限元信息，考慮到活塞的對稱，取活塞、活塞銷和連桿小頭的二分之一模型為有限元分析模型。在發動機每個循環過程中，假定活塞溫度分布基本穩定，進行網格生成。邊界條件燃氣最大爆發壓力X bar。鑄造方式為重力鑄造，設定循環次數108。

分析結果

在分析時，包括燃燒室（圖7），內頂面、銷孔端面、直槽（圖8），銷座加強筋TH側、銷座加強筋TH側、（中間）、銷座加強筋ATh、面窗下端(圖9),輕量化th側、輕量化ATh 側(圖10)，計算結果見表1，即匯總了實際計算的結果，又給出了評價的標準。經分析活塞最高溫度發生在排氣側避讓坑處。最高溫度為276℃(圖11)，本活塞能承受的最高溫度為330℃。在計算分析方面評價無論強度，還是溫度，都是滿足使用要求。

圖7

圖8

圖9

圖10

圖11

表1

4、試驗驗證

對于以上計算分析，其實是在做樣件前的一種評估，實際過程，我們還需要對模具活塞樣件在全負荷時進行溫度場試驗，驗證活塞工作時能承受最高實際溫度，還要進行熱磨損試驗（拉缸試驗），耐久試驗，所用試驗通過后才能夠批產。

5、結論

以上是從活塞設計方面進行的詳細論述設一款發動機的設計，是需要反復進行優化，發現問題，及時分析，及時解決，及時驗證，直到批產。

[1] 周龍保,等.內燃機學[M].北京:機械工業出版社,2005.

[2] 萬欣,林大淵.內燃機設計[M].天津：天津大學出版社,1989.

[3] Zienkiewica O C,Taylor R L.有限元方法基本原理[M].北京：清華大學出版社.2008：5-198.

The Engine Piston Design Of Direct Injection Cylinder

Zhao Shilai, Sun Xiuyi, Zhang Zhiguo
( Brilliance Auto R＆D Center Power Train Design section, Liaoning Shenyang 110141 )

Engine direct injection (GDI) technology can not only improve the dynamic performance, More important will bring the effect of energy saving and emission reduction; The piston is the heart of the engine. The shape of the piston head plays a key role in the combustion chamber. The detailed description of the design of the piston.

Piston; Engine; Light weight; The combustion chamber

U462.1

A

1671-7988 (2017)08-76-03

趙世來，工程師，就職于華晨汽車工程研究院，主要從事發動機設計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.026