157FMI发动机气缸盖结构强度研究

袁文华 申晓东 伏军 吴磊

摘要：以157FMI汽油机由进气道喷射改为缸内直喷过程中的技改关键技术之结构强度为切入点，以火花塞关于气缸轴线对称的位置为喷油器喷射点，建立气缸盖有限元模型，对气缸盖进行结构强度研究。研究结果表明：气缸盖喷油器孔位的最大应力为80.38MPa，也是整个气缸盖最大强度。通过强度和位移校核，低于材料的屈服强度和结构许用应力，最终结果满足缸盖的强度要求。

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.

关键词：摩托车;气缸盖;缸内直喷;结构强度

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

中图分类号：U472.43                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0030-03

0  引言

缸内直喷汽油机因其充气效率高、压缩比大、动态响应快、系统优化潜力大等优点得到广泛的应用[1]。传统摩托车燃油喷射系统为化油器式，燃油喷射量由节气门开度进行控制，以此达到改变发动机功率和转速的目的。针对国四排放标准更多的企业选择使用电控喷油系统，以此达到对燃油的精确控制，但是大多数电喷系统只适用于大缸径摩托车发动机，针对小型号摩托车发动机的解决办法更多的还是在化油器改进上，通过对其加装电子装置以达到对燃油精确控制的目的，尽管如此，此举并没有改变燃油喷射的本质，并不能更好的实现燃油雾化，实现最佳的空燃比，达到更好的燃烧[2]。同时，国四排放标准的制定更多的侧重于从燃油品质、燃油蒸发耐久性及新技术路线的成本进行考量，应对国四排放标准最为可靠的方案依然是结合新技术改革实现燃油充分混合燃烧[3]。为了满足国四对燃烧污染物的高要求许多先进技术如涡轮增压、电喷电控、稀薄燃烧、均质压燃、缸内直喷、可变气门正时、可变压缩比及停缸技术等适应时代的要求不断涌现出来[4]。缸内直喷技术在精确控制燃油喷射，充分雾化燃油，降低燃油消耗及排放，提高动力性方面的优势依然是蔚为可观的，得到了市场的广泛认可，并成为发动机的主流动力源。

同济大学的李萌萌[5]等人利用仿真软件研究了缸内直喷发动机单次喷油和二次喷油燃油过程，优化了喷油系统。中北大学柳青[6]研究了缸内直喷发动机喷油和点火过程，为优化均质燃烧提供了理论参考。天津大学卫海桥[7]等人对缸内直喷发动机进行了不同燃烧模式、不同燃料、不同喷油参数等研究，为缸内直喷的进一步研究积累了大量参考。湖南大学李园[8]运用试验与仿真相结合对一款高速汽油机进行了改造，研究了气道及燃烧室的流场，保证了工作的柔和度。一些车企，如一汽、奇瑞、吉利、长安等先后加入缸内直喷发动机研发，并取得一些成就。从现有的研究表明，采用缸内直喷技术将成为摩托车控制技术发展的必由之路，也是应对国IV排放法规最有效途径，对改善并提升其性能及实现节能减排具有重要的指导意义。

在对157FMI汽油机由进气道改缸内直喷时，为了减少加工成本和加工时间，采用原来发动机结构不对其进行改动。主要考虑喷油器在气缸盖的布置形式。考虑到摩托车发动机为小缸径汽油机，在气缸盖上空间位置有限，并且考虑到打孔时对其他零件会有干涉，所以在参照双火花塞点火系统基础上，尝试在原来火花塞相对气缸轴面对称位置打孔安装喷油器，如图1所示。

对157FMI缸内直喷发动机而言，气缸盖结构的强度是技改研究的首要关键问题，也是技改研究进行后续的前提，所以对气缸盖结构强度进行分析是必不可少的一环，因此必须在设计期间分析缸盖结构，从而确定设计方案的可行性。作为发动机的关键零件，缸盖的加工工艺复杂，加工精度要求高，加工质量直接影响发动机整体性能和质量[9]。本文通过Creo软件进行建模，求解设计打孔位置缸盖模型在各加工状态下的应力和位移，对比工件屈服強度以及加工位置公差，验证缸盖的强度及稳定性。

1  气缸盖有限元模型

1.1 有限元模型的建立

本文采用Creo软件搭建气缸盖三维模型，螺栓孔用圆孔代替，忽略缸盖上的铸造圆角及倒角，得到实体三维模型。气缸盖的三维模型如图2所示。

1.2 定义材料属性

有限元分析都需要输入材料属性。气缸盖选用材料为铝合金A356，本文是对三维气缸盖进行静力学分析，选用的是三维实体单元，特性参数为：密度ρ=2700kg/m3，屈服极限σs= 206MPa，泊松比μ=033。

1.3 网格划分

网格的划分是有限元分析计算的基础，也是最重要的一项工作，而且工作量大，耗时多，有限元模型的网格质量一定要良好。如果过差会导致软件在计算时运行中止，而一个质量优良网格的有限元模型得到的分析结果越接近实际。从理论上来说，网格越精密计算越精确，但网格数量越多，计算机求解所需要的时间越长。所以在划分网格时应该综合考虑网格质量以及计算机硬件条件。由于缸盖结构复杂，对模型采用四面体网格，保留缸盖模型细节，对开孔部位细化网格，其余部分采用满足条件的较大单位的网格，缸盖划分了95406单元，195603节点。网格生成如图3所示。

1.4 载荷和边界条件的确定

1.4.1 边界条件的确定

在预紧工况下，气缸盖应力场分析的边界条件包括位移边界条件和接触边界条件。

①位移边界条件。

位移边界条件有气缸盖的刚体位移约束，即在气缸盖剖开表面施加水平方向位移约束;根据实际情况，气缸垫气缸孔周围的凸纹受压后，极限状态应为被气缸盖压平，故在气缸垫底部凸纹处施加竖直方向位移约束，使其固定不动。

②接触边界条件。

对于气缸盖底部的约束，需要考虑气缸垫的影响，在气缸盖螺栓的作用下，装配接触面上有接触效应。根据气缸盖与气缸垫间接触面的特点。气缸垫是主要变形体，且气缸盖较气缸垫刚度较大，所以采用了刚体-柔体的面接触类型，计算时，程序根据接触面间在变形后的接触状态，自动进行接触里的传递，由此完成接触模拟。

1.4.2 载荷的确定

在预紧工况下，发动机气缸盖主要承受紧固螺栓的预紧力和气缸内气体的爆发力。在确定紧固螺栓预紧力条件时，出于简化目的，首先假定发动机气缸垫均匀接触，所以预紧力均匀分布在螺栓垫片与气缸盖的接触面上，即采用直接在缸盖栓孔施加表面力的方式。根据所给定的气缸内的压强，可以得出发动机做功且气缸最大爆发力时的载荷大小，包括气缸壁上和气缸盖上的压力，这些压力为均布载荷。在发动机做功且气缸爆发力最大时缸内压力为6MPa。

2  计算结果处理分析

分别对原始气缸盖和安装喷油器气缸盖进行有限元模型求解，计算得到两种气缸盖的等效应力云图如图4（a）、图4（b）所示。根据图示分析结果可以看出最大应力出现在安装活塞孔处（见图4中标识），数值为80.38MPa。此处从应力分布云图可以看出，缸体的总体应力水平较低，大部分区域处在10MPa以下的低应力区，在等效应力分布云图上表示为深蓝色。缸盖螺栓孔和开孔处周围的黄绿色区域应力值较高，其应力值一般在20-50MPa的范围。两种打孔方案开孔处的应力都在22-35MPa之间。

气缸盖总变形云图如图5所示，由图可知两种方案最大变形量出现在气缸盖与气缸螺栓连接处，斜置方案最大位移数值为0.006mm，顶置方案最大位移数值为0.005mm。两种喷油器布置方案下气缸盖的最大变形和最大应力的区域均为螺栓孔周围，两种工作下的变形差为0.001mm，应力之差为5.241MPa;开孔处均为变形和压力较大的区域，变形之差为0.0012mm，压力之差为10.12MPa。

从材料力学可知，对于铝合金A356来说屈服极限为206MPa，在静载荷情况下，在应力云图上可以看出气缸盖开孔处应力值远远低于材料的许用应力，说明气缸盖在工作过程中不存在被破坏的可能性。从静态分析结果来看，我们可以认为缸盖开孔处周围的强度足够，同时变形均在形变范围之内，均满足设计要求。

3  结语

本文以157FMI汽油机为研究对象，对其尝试性的实施由进气道喷射改为缸内直喷技改，对气缸盖建立有限元模型，运用有限元软件对技改方案的摩托车发动机气缸盖强度进行了深入的讨论。本文研究的主要工作和结论如下：

①对157FMI汽油机气缸盖尝试性进行由进气道喷射改为缸内直喷，考虑气缸盖上空间位置有限，初步确定两种喷油器布置方案。

②应用Creo对气缸盖进行三维实体建模并对模型进行简化。有限元模型的所有单元采用实体单元并基于实体进行网格划分。缸盖划分了95406单元，195603节点。分析结果表明，所建模型可较好地模拟实际发动机缸盖。

③从有限语言的角度探讨发动机的气缸盖结构强度，通过对收集的数据进行分析，可获得如下分析结果。从计算结果可知，该气缸盖的设计满足强度要求和最大形变量要求，验证了结构设计的合理性。该研究为后续进一步研究提供一定的参考和借鉴价值。从研究意义可知，使用有限元法了解发动机气缸盖结构的相关内容之后，可以为气缸盖结构的改进和优化提供理论基础。而且有限元法的应用可以让人们获得更加准确的气缸盖结构应力数据。

参考文献：

[1]伏军，张爱国，孙振鹏.157FMI汽油机进气道喷射改缸内直喷燃烧特性研究[J].内燃机与配件，2021（07）：5-7.

[2]郭飞，郑光文，白凤梅，谢玲玲，陈铃.汽车发动机顶盖模具轻量化的结构分析[J].现代制造技术与装备，2011（01）：21-23.

[3]李海峰.汽车发动机连杆结构有限元分析方法探究[J].内燃机与配件，2021（07）：73-74.

[4]余熳烨，林颖.镁合金汽车发动机缸盖有限元分析[J].机械设计与制造，2010（10）：75-77.

[5]史彦敏，李卫民.汽车发动机气缸盖与气缸垫组合结构的有限元分析[J].工程图学学报，2009，30（02）：23-29.

[6]林大明.汽车发动机缸盖加工工艺分析[J].南方农机，2021，52（02）：189-190.

[7]杨彬，王德吉，李源源，张旭.基于ANSYS的活塞连杆强度分析[J].科技创新导报，2012（16）：72.

[8]段峰，舒歌群，李志锐，陈学飞，张苏.用有限元法对495汽油机气缸盖进行结构分析的研究[J].小型内燃机与摩托车，2004（04）：15-16.

基金项目：国家自然科学基金项目，微型自由活塞发动机HCCI催化燃烧稳定性机理与多场协同优化研究（52076141）;湖南省教育厅重点项目，临界条件下高强化柴油机喷雾与蒸发模型的研究（18A395）;湖南省研究生科研创新项目，157FMI汽油机改缸内直喷关键技术研究（CX2021SY039）。

作者简介：袁文华（1963-），男，湖南邵阳人，博士，教授，碩士研究生导师，从事内燃机排放控制与燃烧技术研究。