为解决摩擦功、油耗等问题，在混动发动机机体的设计开发过程中，高刚度低变形机体的研究一直是一项关键技术，其中控制缸孔变形对于发动机油耗具有特别重要的工程意义。本文通过仿真与试验的全面精细化对标，研究改善缸孔变形的方法，基于缸孔变形仿真结果完成机体优化设计，实现降低摩擦功和节省油耗的目标。

 

2. 整机温度场计算

2.1 热传导计算

将 CFD 计算出的气体热膜温度及传热系数作为边界条件通过 Abaqus 软件中的surface 方法插值到 FEA 热传导计算模型中，设置各部件之间的连接关系及其导热参数。 传热计算公式为：

 

 

 

 

 

FEA 热传导计算的工况按照发动机 WOT 运行工况进行模拟，热传导计算和变形计算

模型如图 1 所示。

 

 

图 1. 整机温度场计算模型图.

 

2.2 温度场结果

图 2 为 Reted power 工况下的机体和缸套温度场结果，最高温度点位于两缸缸间位置。

 

 

图 2. 机体与缸套温度场分布.

 

2.3 仿真与试验温度场结果对比

如图 3 所示，仿真分析得到与实际测试相近的机体温度场结果，为后续流固耦合计算

提供较为精确的边界条件。

 

 

图 3 机体最高温度测试结果与仿真结果对比

 

3. 缸孔变形计算

以热传导所得到的温度场结果为边界条件，插值应力计算模型中，叠加该模型中所受

到的机械载荷，进行流固耦合计算，其基本方程为：

 

 

 

3.1 计算模型

与温度场计算模型相同，缸孔变形计算模型包括缸盖、气门座圈、气门导管、汽缸垫片、机体以及螺栓。

 

3.2 计算结果

如图 4 所示，分别得到装配和工作两个工况下的缸孔变形结果。装配工况结果，从变形趋势来看，由于缸口承担了大部分的螺栓装配力，缸套部分下沉；而螺栓则把机体外围部分向上提拉，同时通过水套底部把螺栓力传递到缸孔内侧。另外，螺栓的螺纹处受力主要集中在前几个螺牙，尽量把螺栓沉孔底部高度与水套底部高度隔离，可以有效降低缸孔的变形。

 

工作工况结果，除了装配力，还受机体温度的极值和温度分布的影响，对于混动发动机，建议缸间设计钻孔，以减小机体的最高温度，同时优化钻孔高度，尽可能保证机体上下的温度均匀分布，这样可以得到理想的缸孔变形结果，实现降低摩擦功和减小油耗的目标。

 

 

图 4. 装配工况和工作工况的变形结果放大图

 

3.3 变形结果后处理

缸孔变形后的截面几何形状表达式可以通过快速傅里叶变换，分解为简单的各阶几何形状的叠加，提取出装配工况和工作工况下对应的缸孔变形值，对变形进行评估。缸孔变形后截面内壁半径变化可以表述成下列傅里叶级数的形式。

 

 

 

4. 设计优化

随着发动机油耗和排放要求日趋严格，机体缸孔变形的设计限值也不断下降，对于具体各阶次变形来说，2 阶和 3 阶变形通常可以通过活塞环自身来弥补，因此重点考核落在缸孔的 4 阶变形值。

 

某混动发动机在开发初期，计算并分解得到的缸孔各阶次变形如图 5 所示， 工作状态4 阶缸孔变形值在 guideline 范围内，但希望通过设计优化降低该数值。

 

 

图 5. 设计初期发动机的工作工况缸孔变形

 

针对装配工况下螺栓力分配、缸孔变形趋势以及工作工况下温度场分布，通过调节水套深度、缸盖螺栓沉孔、缸间钻孔高度、外围加强筋分布等一系列措施，设计最终版的缸孔变形大大改善，下降幅度超过 50%，具体数值见图 6。

 

 

图 6. 最终设计发动机的工作工况缸孔变形

 

5. 仿真试验对比

设计优化以及缸盖机体样件完成之后，对缸孔变形进行了实际测量，以 4 阶变形值为例，分别取两个不同螺栓夹持力对应的装配工况变形值进行了对比，数据如图 7：

 

 

图 7. 缸孔变形值的仿真与试验对比

 

仿真与测试的数值对比可以看出，除了 2 阶，其它阶次两者的数值比较一致，特别是4 阶和 6 阶变形值，仿真与测试有非常好的一致性。

 

6. 小结

本文采用 Abaqus 有限元软件，对某款车用混动发动机缸孔变形进行分析研究，在设计开发初期对缸孔变形进行分析校核并为方案优化提供了有效指导；结合试验测试结果，验证了仿真结果的置信度，凸显了 CAE 可有效缩短开发周期的优势，充分体现了快速响应设计的理念。

 

资料来源：达索官方