157FMI發動機氣缸蓋結構強度研究

袁文華 申曉東 伏軍 吳磊

摘要：以157FMI汽油機由進氣道噴射改為缸內直噴過程中的技改關鍵技術之結構強度為切入點，以火花塞關于氣缸軸線對稱的位置為噴油器噴射點，建立氣缸蓋有限元模型，對氣缸蓋進行結構強度研究。研究結果表明：氣缸蓋噴油器孔位的最大應力為80.38MPa，也是整個氣缸蓋最大強度。通過強度和位移校核，低于材料的屈服強度和結構許用應力，最終結果滿足缸蓋的強度要求。

Abstract： Taking the structural strength of the key technology of the 157FMI gasoline engine in the process of changing from intake port injection to in-cylinder direct injection as the starting point， and taking the symmetrical position of the spark plug with respect to the cylinder axis as the injector injection point， a finite element model of the cylinder head is established. The structural strength of the cylinder head is studied. The research results show that the maximum stress of the cylinder head injector hole is 80.38MPa， which is also the maximum strength of the entire cylinder head. Through the strength and displacement check， it is lower than the yield strength of the material and the allowable stress of the structure， and the result meets the strength requirements of the cylinder head.

關鍵詞：摩托車;氣缸蓋;缸內直噴;結構強度

Key words： motorcycle;cylinder head;direct injection in the cylinder;structural strength

中圖分類號：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0030-03

0 ?引言

缸內直噴汽油機因其充氣效率高、壓縮比大、動態響應快、系統優化潛力大等優點得到廣泛的應用[1]。傳統摩托車燃油噴射系統為化油器式，燃油噴射量由節氣門開度進行控制，以此達到改變發動機功率和轉速的目的。針對國四排放標準更多的企業選擇使用電控噴油系統，以此達到對燃油的精確控制，但是大多數電噴系統只適用于大缸徑摩托車發動機，針對小型號摩托車發動機的解決辦法更多的還是在化油器改進上，通過對其加裝電子裝置以達到對燃油精確控制的目的，盡管如此，此舉并沒有改變燃油噴射的本質，并不能更好的實現燃油霧化，實現最佳的空燃比，達到更好的燃燒[2]。同時，國四排放標準的制定更多的側重于從燃油品質、燃油蒸發耐久性及新技術路線的成本進行考量，應對國四排放標準最為可靠的方案依然是結合新技術改革實現燃油充分混合燃燒[3]。為了滿足國四對燃燒污染物的高要求許多先進技術如渦輪增壓、電噴電控、稀薄燃燒、均質壓燃、缸內直噴、可變氣門正時、可變壓縮比及停缸技術等適應時代的要求不斷涌現出來[4]。缸內直噴技術在精確控制燃油噴射，充分霧化燃油，降低燃油消耗及排放，提高動力性方面的優勢依然是蔚為可觀的，得到了市場的廣泛認可，并成為發動機的主流動力源。

同濟大學的李萌萌[5]等人利用仿真軟件研究了缸內直噴發動機單次噴油和二次噴油燃油過程，優化了噴油系統。中北大學柳青[6]研究了缸內直噴發動機噴油和點火過程，為優化均質燃燒提供了理論參考。天津大學衛海橋[7]等人對缸內直噴發動機進行了不同燃燒模式、不同燃料、不同噴油參數等研究，為缸內直噴的進一步研究積累了大量參考。湖南大學李園[8]運用試驗與仿真相結合對一款高速汽油機進行了改造，研究了氣道及燃燒室的流場，保證了工作的柔和度。一些車企，如一汽、奇瑞、吉利、長安等先后加入缸內直噴發動機研發，并取得一些成就。從現有的研究表明，采用缸內直噴技術將成為摩托車控制技術發展的必由之路，也是應對國IV排放法規最有效途徑，對改善并提升其性能及實現節能減排具有重要的指導意義。

在對157FMI汽油機由進氣道改缸內直噴時，為了減少加工成本和加工時間，采用原來發動機結構不對其進行改動。主要考慮噴油器在氣缸蓋的布置形式。考慮到摩托車發動機為小缸徑汽油機，在氣缸蓋上空間位置有限，并且考慮到打孔時對其他零件會有干涉，所以在參照雙火花塞點火系統基礎上，嘗試在原來火花塞相對氣缸軸面對稱位置打孔安裝噴油器，如圖1所示。

對157FMI缸內直噴發動機而言，氣缸蓋結構的強度是技改研究的首要關鍵問題，也是技改研究進行后續的前提，所以對氣缸蓋結構強度進行分析是必不可少的一環，因此必須在設計期間分析缸蓋結構，從而確定設計方案的可行性。作為發動機的關鍵零件，缸蓋的加工工藝復雜，加工精度要求高，加工質量直接影響發動機整體性能和質量[9]。本文通過Creo軟件進行建模，求解設計打孔位置缸蓋模型在各加工狀態下的應力和位移，對比工件屈服強度以及加工位置公差，驗證缸蓋的強度及穩定性。

1 ?氣缸蓋有限元模型

1.1 有限元模型的建立

本文采用Creo軟件搭建氣缸蓋三維模型，螺栓孔用圓孔代替，忽略缸蓋上的鑄造圓角及倒角，得到實體三維模型。氣缸蓋的三維模型如圖2所示。

1.2 定義材料屬性

有限元分析都需要輸入材料屬性。氣缸蓋選用材料為鋁合金A356，本文是對三維氣缸蓋進行靜力學分析，選用的是三維實體單元，特性參數為：密度ρ=2700kg/m3，屈服極限σs= 206MPa，泊松比μ=033。

1.3 網格劃分

網格的劃分是有限元分析計算的基礎，也是最重要的一項工作，而且工作量大，耗時多，有限元模型的網格質量一定要良好。如果過差會導致軟件在計算時運行中止，而一個質量優良網格的有限元模型得到的分析結果越接近實際。從理論上來說，網格越精密計算越精確，但網格數量越多，計算機求解所需要的時間越長。所以在劃分網格時應該綜合考慮網格質量以及計算機硬件條件。由于缸蓋結構復雜，對模型采用四面體網格，保留缸蓋模型細節，對開孔部位細化網格，其余部分采用滿足條件的較大單位的網格，缸蓋劃分了95406單元，195603節點。網格生成如圖3所示。

1.4 載荷和邊界條件的確定

1.4.1 邊界條件的確定

在預緊工況下，氣缸蓋應力場分析的邊界條件包括位移邊界條件和接觸邊界條件。

①位移邊界條件。

位移邊界條件有氣缸蓋的剛體位移約束，即在氣缸蓋剖開表面施加水平方向位移約束;根據實際情況，氣缸墊氣缸孔周圍的凸紋受壓后，極限狀態應為被氣缸蓋壓平，故在氣缸墊底部凸紋處施加豎直方向位移約束，使其固定不動。

②接觸邊界條件。

對于氣缸蓋底部的約束，需要考慮氣缸墊的影響，在氣缸蓋螺栓的作用下，裝配接觸面上有接觸效應。根據氣缸蓋與氣缸墊間接觸面的特點。氣缸墊是主要變形體，且氣缸蓋較氣缸墊剛度較大，所以采用了剛體-柔體的面接觸類型，計算時，程序根據接觸面間在變形后的接觸狀態，自動進行接觸里的傳遞，由此完成接觸模擬。

1.4.2 載荷的確定

在預緊工況下，發動機氣缸蓋主要承受緊固螺栓的預緊力和氣缸內氣體的爆發力。在確定緊固螺栓預緊力條件時，出于簡化目的，首先假定發動機氣缸墊均勻接觸，所以預緊力均勻分布在螺栓墊片與氣缸蓋的接觸面上，即采用直接在缸蓋栓孔施加表面力的方式。根據所給定的氣缸內的壓強，可以得出發動機做功且氣缸最大爆發力時的載荷大小，包括氣缸壁上和氣缸蓋上的壓力，這些壓力為均布載荷。在發動機做功且氣缸爆發力最大時缸內壓力為6MPa。

2 ?計算結果處理分析

分別對原始氣缸蓋和安裝噴油器氣缸蓋進行有限元模型求解，計算得到兩種氣缸蓋的等效應力云圖如圖4（a）、圖4（b）所示。根據圖示分析結果可以看出最大應力出現在安裝活塞孔處（見圖4中標識），數值為80.38MPa。此處從應力分布云圖可以看出，缸體的總體應力水平較低，大部分區域處在10MPa以下的低應力區，在等效應力分布云圖上表示為深藍色。缸蓋螺栓孔和開孔處周圍的黃綠色區域應力值較高，其應力值一般在20-50MPa的范圍。兩種打孔方案開孔處的應力都在22-35MPa之間。

氣缸蓋總變形云圖如圖5所示，由圖可知兩種方案最大變形量出現在氣缸蓋與氣缸螺栓連接處，斜置方案最大位移數值為0.006mm，頂置方案最大位移數值為0.005mm。兩種噴油器布置方案下氣缸蓋的最大變形和最大應力的區域均為螺栓孔周圍，兩種工作下的變形差為0.001mm，應力之差為5.241MPa;開孔處均為變形和壓力較大的區域，變形之差為0.0012mm，壓力之差為10.12MPa。

從材料力學可知，對于鋁合金A356來說屈服極限為206MPa，在靜載荷情況下，在應力云圖上可以看出氣缸蓋開孔處應力值遠遠低于材料的許用應力，說明氣缸蓋在工作過程中不存在被破壞的可能性。從靜態分析結果來看，我們可以認為缸蓋開孔處周圍的強度足夠，同時變形均在形變范圍之內，均滿足設計要求。

3 ?結語

本文以157FMI汽油機為研究對象，對其嘗試性的實施由進氣道噴射改為缸內直噴技改，對氣缸蓋建立有限元模型，運用有限元軟件對技改方案的摩托車發動機氣缸蓋強度進行了深入的討論。本文研究的主要工作和結論如下：

①對157FMI汽油機氣缸蓋嘗試性進行由進氣道噴射改為缸內直噴，考慮氣缸蓋上空間位置有限，初步確定兩種噴油器布置方案。

②應用Creo對氣缸蓋進行三維實體建模并對模型進行簡化。有限元模型的所有單元采用實體單元并基于實體進行網格劃分。缸蓋劃分了95406單元，195603節點。分析結果表明，所建模型可較好地模擬實際發動機缸蓋。

③從有限語言的角度探討發動機的氣缸蓋結構強度，通過對收集的數據進行分析，可獲得如下分析結果。從計算結果可知，該氣缸蓋的設計滿足強度要求和最大形變量要求，驗證了結構設計的合理性。該研究為后續進一步研究提供一定的參考和借鑒價值。從研究意義可知，使用有限元法了解發動機氣缸蓋結構的相關內容之后，可以為氣缸蓋結構的改進和優化提供理論基礎。而且有限元法的應用可以讓人們獲得更加準確的氣缸蓋結構應力數據。

參考文獻：

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基金項目：國家自然科學基金項目，微型自由活塞發動機HCCI催化燃燒穩定性機理與多場協同優化研究（52076141）;湖南省教育廳重點項目，臨界條件下高強化柴油機噴霧與蒸發模型的研究（18A395）;湖南省研究生科研創新項目，157FMI汽油機改缸內直噴關鍵技術研究（CX2021SY039）。

作者簡介：袁文華（1963-），男，湖南邵陽人，博士，教授，碩士研究生導師，從事內燃機排放控制與燃燒技術研究。