157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

袁文華 申曉東 伏軍 吳磊

摘要：以157FMI汽油機(jī)由進(jìn)氣道噴射改為缸內(nèi)直噴過程中的技改關(guān)鍵技術(shù)之結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為切入點(diǎn)，以火花塞關(guān)于氣缸軸線對稱的位置為噴油器噴射點(diǎn)，建立氣缸蓋有限元模型，對氣缸蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究。研究結(jié)果表明：氣缸蓋噴油器孔位的最大應(yīng)力為80.38MPa，也是整個(gè)氣缸蓋最大強(qiáng)度。通過強(qiáng)度和位移校核，低于材料的屈服強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力，最終結(jié)果滿足缸蓋的強(qiáng)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(guān)鍵詞：摩托車;氣缸蓋;缸內(nèi)直噴;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

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

中圖分類號(hào)：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0030-03

0 ?引言

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)因其充氣效率高、壓縮比大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、系統(tǒng)優(yōu)化潛力大等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)摩托車燃油噴射系統(tǒng)為化油器式，燃油噴射量由節(jié)氣門開度進(jìn)行控制，以此達(dá)到改變發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的目的。針對國四排放標(biāo)準(zhǔn)更多的企業(yè)選擇使用電控噴油系統(tǒng)，以此達(dá)到對燃油的精確控制，但是大多數(shù)電噴系統(tǒng)只適用于大缸徑摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，針對小型號(hào)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的解決辦法更多的還是在化油器改進(jìn)上，通過對其加裝電子裝置以達(dá)到對燃油精確控制的目的，盡管如此，此舉并沒有改變?nèi)加蛧娚涞谋举|(zhì)，并不能更好的實(shí)現(xiàn)燃油霧化，實(shí)現(xiàn)最佳的空燃比，達(dá)到更好的燃燒[2]。同時(shí)，國四排放標(biāo)準(zhǔn)的制定更多的側(cè)重于從燃油品質(zhì)、燃油蒸發(fā)耐久性及新技術(shù)路線的成本進(jìn)行考量，應(yīng)對國四排放標(biāo)準(zhǔn)最為可靠的方案依然是結(jié)合新技術(shù)改革實(shí)現(xiàn)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(jìn)技術(shù)如渦輪增壓、電噴電控、稀薄燃燒、均質(zhì)壓燃、缸內(nèi)直噴、可變氣門正時(shí)、可變壓縮比及停缸技術(shù)等適應(yīng)時(shí)代的要求不斷涌現(xiàn)出來[4]。缸內(nèi)直噴技術(shù)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(dòng)力性方面的優(yōu)勢依然是蔚為可觀的，得到了市場的廣泛認(rèn)可，并成為發(fā)動(dòng)機(jī)的主流動(dòng)力源。

同濟(jì)大學(xué)的李萌萌[5]等人利用仿真軟件研究了缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)單次噴油和二次噴油燃油過程，優(yōu)化了噴油系統(tǒng)。中北大學(xué)柳青[6]研究了缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴油和點(diǎn)火過程，為優(yōu)化均質(zhì)燃燒提供了理論參考。天津大學(xué)衛(wèi)海橋[7]等人對缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了不同燃燒模式、不同燃料、不同噴油參數(shù)等研究，為缸內(nèi)直噴的進(jìn)一步研究積累了大量參考。湖南大學(xué)李園[8]運(yùn)用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合對一款高速汽油機(jī)進(jìn)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(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)，并取得一些成就。從現(xiàn)有的研究表明，采用缸內(nèi)直噴技術(shù)將成為摩托車控制技術(shù)發(fā)展的必由之路，也是應(yīng)對國IV排放法規(guī)最有效途徑，對改善并提升其性能及實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要的指導(dǎo)意義。

在對157FMI汽油機(jī)由進(jìn)氣道改缸內(nèi)直噴時(shí)，為了減少加工成本和加工時(shí)間，采用原來發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不對其進(jìn)行改動(dòng)。主要考慮噴油器在氣缸蓋的布置形式?？紤]到摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)為小缸徑汽油機(jī)，在氣缸蓋上空間位置有限，并且考慮到打孔時(shí)對其他零件會(huì)有干涉，所以在參照雙火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)基礎(chǔ)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(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)而言，氣缸蓋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是技改研究的首要關(guān)鍵問題，也是技改研究進(jìn)行后續(xù)的前提，所以對氣缸蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析是必不可少的一環(huán)，因此必須在設(shè)計(jì)期間分析缸蓋結(jié)構(gòu)，從而確定設(shè)計(jì)方案的可行性。作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，缸蓋的加工工藝復(fù)雜，加工精度要求高，加工質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能和質(zhì)量[9]。本文通過Creo軟件進(jìn)行建模，求解設(shè)計(jì)打孔位置缸蓋模型在各加工狀態(tài)下的應(yīng)力和位移，對比工件屈服強(qiáng)度以及加工位置公差，驗(yàn)證缸蓋的強(qiáng)度及穩(wěn)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(shí)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(jìn)行靜力學(xué)分析，選用的是三維實(shí)體單元，特性參數(shù)為：密度ρ=2700kg/m3，屈服極限σs= 206MPa，泊松比μ=033。

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分是有限元分析計(jì)算的基礎(chǔ)，也是最重要的一項(xiàng)工作，而且工作量大，耗時(shí)多，有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量一定要良好。如果過差會(huì)導(dǎo)致軟件在計(jì)算時(shí)運(yùn)行中止，而一個(gè)質(zhì)量優(yōu)良網(wǎng)格的有限元模型得到的分析結(jié)果越接近實(shí)際。從理論上來說，網(wǎng)格越精密計(jì)算越精確，但網(wǎng)格數(shù)量越多，計(jì)算機(jī)求解所需要的時(shí)間越長。所以在劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)該綜合考慮網(wǎng)格質(zhì)量以及計(jì)算機(jī)硬件條件。由于缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對模型采用四面體網(wǎng)格，保留缸蓋模型細(xì)節(jié)，對開孔部位細(xì)化網(wǎng)格，其余部分采用滿足條件的較大單位的網(wǎng)格，缸蓋劃分了95406單元，195603節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)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(yù)緊工況下，氣缸蓋應(yīng)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(jù)實(shí)際情況，氣缸墊氣缸孔周圍的凸紋受壓后，極限狀態(tài)應(yīng)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(dòng)。

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(yīng)。根據(jù)氣缸蓋與氣缸墊間接觸面的特點(diǎn)。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(jì)算時(shí)，程序根據(jù)接觸面間在變形后的接觸狀態(tài)，自動(dòng)進(jìn)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(yù)緊工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋主要承受緊固螺栓的預(yù)緊力和氣缸內(nèi)氣體的爆發(fā)力。在確定緊固螺栓預(yù)緊力條件時(shí)，出于簡化目的，首先假定發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊均勻接觸，所以預(yù)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(jù)所給定的氣缸內(nèi)的壓強(qiáng)，可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)做功且氣缸最大爆發(fā)力時(shí)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(fā)動(dòng)機(jī)做功且氣缸爆發(fā)力最大時(shí)缸內(nèi)壓力為6MPa。

2 ?計(jì)算結(jié)果處理分析

分別對原始?xì)飧咨w和安裝噴油器氣缸蓋進(jìn)行有限元模型求解，計(jì)算得到兩種氣缸蓋的等效應(yīng)力云圖如圖4（a）、圖4（b）所示。根據(jù)圖示分析結(jié)果可以看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在安裝活塞孔處（見圖4中標(biāo)識(shí)），數(shù)值為80.38MPa。此處從應(yīng)力分布云圖可以看出，缸體的總體應(yīng)力水平較低，大部分區(qū)域處在10MPa以下的低應(yīng)力區(qū)，在等效應(yīng)力分布云圖上表示為深藍(lán)色。缸蓋螺栓孔和開孔處周圍的黃綠色區(qū)域應(yīng)力值較高，其應(yīng)力值一般在20-50MPa的范圍。兩種打孔方案開孔處的應(yīng)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(xiàn)在氣缸蓋與氣缸螺栓連接處，斜置方案最大位移數(shù)值為0.006mm，頂置方案最大位移數(shù)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(yīng)力的區(qū)域均為螺栓孔周圍，兩種工作下的變形差為0.001mm，應(yīng)力之差為5.241MPa;開孔處均為變形和壓力較大的區(qū)域，變形之差為0.0012mm，壓力之差為10.12MPa。

從材料力學(xué)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(yīng)力云圖上可以看出氣缸蓋開孔處應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)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(tài)分析結(jié)果來看，我們可以認(rèn)為缸蓋開孔處周圍的強(qiáng)度足夠，同時(shí)變形均在形變范圍之內(nèi)，均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 ?結(jié)語

本文以157FMI汽油機(jī)為研究對象，對其嘗試性的實(shí)施由進(jìn)氣道噴射改為缸內(nèi)直噴技改，對氣缸蓋建立有限元模型，運(yùn)用有限元軟件對技改方案的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋強(qiáng)度進(jìn)行了深入的討論。本文研究的主要工作和結(jié)論如下：

①對157FMI汽油機(jī)氣缸蓋嘗試性進(jìn)行由進(jìn)氣道噴射改為缸內(nèi)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(yīng)用Creo對氣缸蓋進(jìn)行三維實(shí)體建模并對模型進(jìn)行簡化。有限元模型的所有單元采用實(shí)體單元并基于實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。缸蓋劃分了95406單元，195603節(jié)點(diǎn)。分析結(jié)果表明，所建模型可較好地模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋。

③從有限語言的角度探討發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可獲得如下分析結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果可知，該氣缸蓋的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求和最大形變量要求，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。該研究為后續(xù)進(jìn)一步研究提供一定的參考和借鑒價(jià)值。從研究意義可知，使用有限元法了解發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容之后，可以為氣缸蓋結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。而且有限元法的應(yīng)用可以讓人們獲得更加準(zhǔn)確的氣缸蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)。

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作者簡介：袁文華（1963-），男，湖南邵陽人，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，從事內(nèi)燃機(jī)排放控制與燃燒技術(shù)研究。