趙世來，孫秀毅，張治國

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽 110141）

一種缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的設(shè)計(jì)

趙世來，孫秀毅，張治國

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽 110141）

發(fā)動(dòng)機(jī)采用缸內(nèi)直噴技術(shù)不僅能提高的動(dòng)力性，更重要會(huì)帶來節(jié)能減排的效應(yīng)；活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，其中燃燒室內(nèi)活塞頭部形狀起到關(guān)鍵性的作用。這里詳細(xì)地闡述一下活塞的設(shè)計(jì)方法。

活塞；發(fā)動(dòng)機(jī)；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(dāng)今汽車行業(yè)中，節(jié)能減排問題一直受到大家高度的關(guān)注，今后對(duì)其要求也越來越嚴(yán)格，為了解決此問題，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)就不得不斷開發(fā)新技術(shù)，優(yōu)化現(xiàn)有產(chǎn)品來滿足現(xiàn)狀的要求。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來說，缸內(nèi)直噴技術(shù)是目前主流技術(shù)。缸蓋與活塞形成一個(gè)封閉的空間，一起構(gòu)成了燃燒室，燃油直接噴到缸內(nèi)，完成燃料的燃燒。活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，需對(duì)其進(jìn)行全方面的升級(jí)，主要集中在活塞材料、減重，減摩擦、結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)（主要包括頂部、頭部、裙部）。這里詳細(xì)的介紹一款直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞。

1、活塞材料的選擇

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，發(fā)動(dòng)機(jī)向大爆發(fā)壓力，大壓縮比發(fā)現(xiàn)發(fā)展，所以活塞的材料也發(fā)生了巨大變化。某活塞廠的材料只能滿足原始設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，但是無法滿足直噴發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料的要求，活塞材料要較強(qiáng)的耐磨性、耐腐蝕性，較強(qiáng)的剛度和抗疲勞強(qiáng)度。所以活塞材料在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，增加了Cu、Mn、Ni的含量，提高了抗拉強(qiáng)度和耐高溫性能力。常溫（20℃）抗拉強(qiáng)度不小于200MPa, 高溫（300℃）抗拉強(qiáng)度不小于100MPa?；钊旧碜罡呖梢阅艹惺?50度的高溫。

2、活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

這里的活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要從燃燒室形狀、頭部形狀及裙部方面經(jīng)行闡述[1]。這些部位都采用先進(jìn)的技術(shù)，來適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展形勢(shì)。其他部位采用原始設(shè)計(jì)方案即可。

2.1 燃燒室設(shè)計(jì)

某發(fā)動(dòng)機(jī)研究院通過多次試驗(yàn)已證實(shí)，最常見的直噴活塞燃燒室結(jié)構(gòu)有一下兩種，即盆型、屋脊型結(jié)構(gòu)。見圖1、圖2?；钊螤顚?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量影響不大，這兩種形狀的燃燒室均可在點(diǎn)火時(shí)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(kuò)散，以及缸內(nèi)溫度和壓力的速度上升，燃燒室盆型，其燃燒效果明顯優(yōu)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(cè)排氣側(cè)凸起處會(huì)把氣流流向火花塞，同時(shí)在活塞中心處設(shè)計(jì)燃燒室的凹坑來控制油霧的發(fā)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(shè)計(jì)

1）頭部輕量化設(shè)計(jì)

位于活塞頭部油環(huán)岸的下沿與面窗交匯處，四處分別采用凹坑結(jié)構(gòu)形式，主要是實(shí)現(xiàn)減重，為了提高可靠性，進(jìn)行FEA分析后，每個(gè)凹坑大約能減少5g。4處大約減少20g，對(duì)于240g的活塞，減少20g已經(jīng)是做出了很大的貢獻(xiàn)。根據(jù)公式W=F.S。質(zhì)量減少后，這樣會(huì)減少了能量的損失。

圖3 減重結(jié)構(gòu)

2）頭部冷卻腔設(shè)計(jì)

活塞頭部溫度關(guān)系活塞耐久性，也是提高燃油經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要因素。此設(shè)計(jì)理念就是在靠近活塞頭部上端增加內(nèi)冷油孔設(shè)計(jì)，見圖4。利用曲軸的慣性，把機(jī)油飛濺到冷卻腔內(nèi)，在工作運(yùn)動(dòng)中，機(jī)油在腔內(nèi)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)頭部冷卻的功能?；钊^部降低25-30℃，爆震的風(fēng)險(xiǎn)減小了，同時(shí)又可以保持較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。第一環(huán)槽內(nèi)積碳的沉積減少，環(huán)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(fēng)險(xiǎn)。

圖4 冷卻結(jié)構(gòu)

3）內(nèi)腔設(shè)計(jì)

內(nèi)腔采用梯形結(jié)構(gòu)，減少銷孔處的面壓。銷孔采用減壓槽設(shè)計(jì)，不僅能減少應(yīng)力集中，而且還會(huì)儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，起到潤(rùn)滑作用。

圖5 內(nèi)腔

2.3 裙部設(shè)計(jì)

試驗(yàn)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(jié)構(gòu)改進(jìn)

采用短裙結(jié)構(gòu)，不僅能減少了活塞本體的質(zhì)量，而且還會(huì)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(rùn)滑能力，減少新發(fā)動(dòng)機(jī)初期啟動(dòng)時(shí)的磨損，對(duì)于后期，就失去了潤(rùn)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(huì)存有機(jī)油，而且還對(duì)后期潤(rùn)滑還會(huì)起到很大作用 ，目前此結(jié)構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)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(diǎn)直徑的差，考慮到缸體和活塞公差后，所以間隙就是一個(gè)范圍值，間隙加大后，摩擦是減少了，但是換向時(shí)會(huì)出現(xiàn)硬接觸，會(huì)出現(xiàn)敲缸的聲音，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致頭部斷裂，針對(duì)于直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，一般配缸間隙范圍在0.05-0.08之間（缸徑＜ 100mm）。

3、模擬結(jié)果與分析

在經(jīng)行有限元計(jì)算時(shí)，輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的基本信息，例如功率、扭矩，排量、最大爆發(fā)壓力等等一系列的與計(jì)算有關(guān)的參數(shù)[3]。

有限元信息，考慮到活塞的對(duì)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(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)循環(huán)過程中，假定活塞溫度分布基本穩(wěn)定，進(jìn)行網(wǎng)格生成。邊界條件燃?xì)庾畲蟊l(fā)壓力X bar。鑄造方式為重力鑄造，設(shè)定循環(huán)次數(shù)108。

分析結(jié)果

在分析時(shí)，包括燃燒室（圖7），內(nèi)頂面、銷孔端面、直槽（圖8），銷座加強(qiáng)筋TH側(cè)、銷座加強(qiáng)筋TH側(cè)、（中間）、銷座加強(qiáng)筋A(yù)Th、面窗下端(圖9),輕量化th側(cè)、輕量化ATh 側(cè)(圖10)，計(jì)算結(jié)果見表1，即匯總了實(shí)際計(jì)算的結(jié)果，又給出了評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)分析活塞最高溫度發(fā)生在排氣側(cè)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(jì)算分析方面評(píng)價(jià)無論強(qiáng)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(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于以上計(jì)算分析，其實(shí)是在做樣件前的一種評(píng)估，實(shí)際過程，我們還需要對(duì)模具活塞樣件在全負(fù)荷時(shí)進(jìn)行溫度場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證活塞工作時(shí)能承受最高實(shí)際溫度，還要進(jìn)行熱磨損試驗(yàn)（拉缸試驗(yàn)），耐久試驗(yàn)，所用試驗(yàn)通過后才能夠批產(chǎn)。

5、結(jié)論

以上是從活塞設(shè)計(jì)方面進(jìn)行的詳細(xì)論述設(shè)一款發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，是需要反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)分析，及時(shí)解決，及時(shí)驗(yàn)證，直到批產(chǎn)。

[1] 周龍保,等.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 萬欣,林大淵.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].天津：天津大學(xué)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(xué)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(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.026