一种缸内直喷发动机活塞的设计

赵世来，孙秀毅，张治国

（华晨汽车工程研究院动力总成设计处，辽宁 沈阳 110141）

一种缸内直喷发动机活塞的设计

赵世来，孙秀毅，张治国

（华晨汽车工程研究院动力总成设计处，辽宁 沈阳 110141）

发动机采用缸内直喷技术不仅能提高的动力性，更重要会带来节能减排的效应；活塞是发动机的心脏，其中燃烧室内活塞头部形状起到关键性的作用。这里详细地阐述一下活塞的设计方法。

活塞；发动机；轻量化；燃烧室

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

前言

在当今汽车行业中，节能减排问题一直受到大家高度的关注，今后对其要求也越来越严格，为了解决此问题，汽车发动机就不得不断开发新技术，优化现有产品来满足现状的要求。对于发动机来说，缸内直喷技术是目前主流技术。缸盖与活塞形成一个封闭的空间，一起构成了燃烧室，燃油直接喷到缸内，完成燃料的燃烧。活塞作为发动机的关键零部件，需对其进行全方面的升级，主要集中在活塞材料、减重，减摩擦、结构上的改进（主要包括顶部、头部、裙部）。这里详细的介绍一款直喷发动机的活塞。

1、活塞材料的选择

为了提高发动机动力性和经济性，发动机向大爆发压力，大压缩比发现发展，所以活塞的材料也发生了巨大变化。某活塞厂的材料只能满足原始设计强度要求，但是无法满足直喷发动机活塞材料的要求，活塞材料要较强的耐磨性、耐腐蚀性，较强的刚度和抗疲劳强度。所以活塞材料在原有的基础上进行了优化升级，增加了Cu、Mn、Ni的含量，提高了抗拉强度和耐高温性能力。常温（20℃）抗拉强度不小于200MPa, 高温（300℃）抗拉强度不小于100MPa。活塞本身最高可以能承受350度的高温。

2、活塞结构设计

这里的活塞结构设计，主要从燃烧室形状、头部形状及裙部方面经行阐述[1]。这些部位都采用先进的技术，来适应当前的发展形势。其他部位采用原始设计方案即可。

2.1 燃烧室设计

某发动机研究院通过多次试验已证实，最常见的直喷活塞燃烧室结构有一下两种，即盆型、屋脊型结构。见图1、图2。活塞形状对发动机的进气量影响不大，这两种形状的燃烧室均可在点火时刻在火花塞附近形成紊流，形成可燃混合气[2]。

活塞燃烧室A，盆型方案有利于燃烧速度的扩散，以及缸内温度和压力的速度上升，燃烧室盆型，其燃烧效果明显优于平顶活塞，凹坑较大，气流可以平滑掠过活塞顶，有利于紊流的形成，提高了燃料的利用率，有利于降低排放。例如大众EA211活塞就是采用A方案。B方案，靠近右侧排气侧凸起处会把气流流向火花塞，同时在活塞中心处设计燃烧室的凹坑来控制油雾的发展，此方案类似与大众EA111活塞。

图1 燃烧室A

图2 燃烧室B

2.2 头部设计

1）头部轻量化设计

位于活塞头部油环岸的下沿与面窗交汇处，四处分别采用凹坑结构形式，主要是实现减重，为了提高可靠性，进行FEA分析后，每个凹坑大约能减少5g。4处大约减少20g，对于240g的活塞，减少20g已经是做出了很大的贡献。根据公式W=F.S。质量减少后，这样会减少了能量的损失。

图3 减重结构

2）头部冷却腔设计

活塞头部温度关系活塞耐久性，也是提高燃油经济性的一个重要因素。此设计理念就是在靠近活塞头部上端增加内冷油孔设计，见图4。利用曲轴的惯性，把机油飞溅到冷却腔内，在工作运动中，机油在腔内流动，实现头部冷却的功能。活塞头部降低25-30℃，爆震的风险减小了，同时又可以保持较高的结构强度。第一环槽内积碳的沉积减少，环的卡制想象消失，提高密封性；温度降低，缸体和活塞的变形量减小，减少拉缸的风险。

图4 冷却结构

3）内腔设计

内腔采用梯形结构，减少销孔处的面压。销孔采用减压槽设计，不仅能减少应力集中，而且还会储存润滑油，起到润滑作用。

图5 内腔

2.3 裙部设计

试验证明，活塞裙部表面是影响阻力的主要因素之一，通过更改加工工艺，改善裙部形状和表面处理方法可以减少磨损。

1）裙部结构改进

采用短裙结构，不仅能减少了活塞本体的质量，而且还会降低活塞的惯性力。采用窄的裙部，减少与缸体的接触面积，减少摩擦损失。如图6

2）低摩擦涂层

目前活塞裙部最常用的涂层为石墨涂层，此涂层主要是增减润滑能力，减少新发动机初期启动时的磨损，对于后期，就失去了润滑的作用。而采用树脂涂层，采用如图7所示的印刷工艺，不仅仅能减少初期的磨损，凹坑处会存有机油，而且还对后期润滑还会起到很大作用 ，目前此结构还能实现减摩擦的作用。

图6 低摩擦涂层

3）合理配缸间隙

配缸间隙为缸孔直径与活塞裙部大点直径的差，考虑到缸体和活塞公差后，所以间隙就是一个范围值，间隙加大后，摩擦是减少了，但是换向时会出现硬接触，会出现敲缸的声音，严重者会导致头部断裂，针对于直喷发动机，一般配缸间隙范围在0.05-0.08之间（缸径＜ 100mm）。

3、模拟结果与分析

在经行有限元计算时，输入发动机的基本信息，例如功率、扭矩，排量、最大爆发压力等等一系列的与计算有关的参数[3]。

有限元信息，考虑到活塞的对称，取活塞、活塞销和连杆小头的二分之一模型为有限元分析模型。在发动机每个循环过程中，假定活塞温度分布基本稳定，进行网格生成。边界条件燃气最大爆发压力X bar。铸造方式为重力铸造，设定循环次数108。

分析结果

在分析时，包括燃烧室（图7），内顶面、销孔端面、直槽（图8），销座加强筋TH侧、销座加强筋TH侧、（中间）、销座加强筋ATh、面窗下端(图9),轻量化th侧、轻量化ATh 侧(图10)，计算结果见表1，即汇总了实际计算的结果，又给出了评价的标准。经分析活塞最高温度发生在排气侧避让坑处。最高温度为276℃(图11)，本活塞能承受的最高温度为330℃。在计算分析方面评价无论强度，还是温度，都是满足使用要求。

图7

图8

图9

图10

图11

表1

4、试验验证

对于以上计算分析，其实是在做样件前的一种评估，实际过程，我们还需要对模具活塞样件在全负荷时进行温度场试验，验证活塞工作时能承受最高实际温度，还要进行热磨损试验（拉缸试验），耐久试验，所用试验通过后才能够批产。

5、结论

以上是从活塞设计方面进行的详细论述设一款发动机的设计，是需要反复进行优化，发现问题，及时分析，及时解决，及时验证，直到批产。

[1] 周龙保,等.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2] 万欣,林大渊.内燃机设计[M].天津：天津大学出版社,1989.

[3] Zienkiewica O C,Taylor R L.有限元方法基本原理[M].北京：清华大学出版社.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

赵世来，工程师，就职于华晨汽车工程研究院，主要从事发动机设计工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.026