關于某款三缸直噴汽油發動機鼻梁區溫度測試的研究

張玉林+張大晴

摘 要：發動機的缸體和缸蓋是內燃機中結構最復雜的構件之一，發動機在運轉過程中常常發生鼻梁區部位產生疲勞裂紋失效，引起發動機不能正常工作的問題，本文主要結合某款三缸直噴汽油發動機對缸體缸蓋鼻梁區溫度進行實施測試，同時測量結果與CAE進行對比分析，評價缸體和缸蓋以及缸墊設計是否滿足實際發動機的使用要求。

關鍵詞：缸體鼻梁區；缸蓋鼻梁區；缸墊

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.001

0 引言

在對節能和環保要求日趨嚴格的今天，即使是多點燃油噴射也不能滿足人們的要求，于是更為精準的燃油噴射技術誕生，那就是缸內直噴發動機。缸內直噴發動機可以實現缸內稀薄燃燒，燃燒效率提高，由此提升發動機效率，但是同時對發動機的各個零部件的要求也大大提升，比如缸體和缸蓋鼻梁區位置設計。

本文通過實際測量鼻梁區各位置的溫度，評價在極限條件下缸內燃燒溫度通過傳導到缸體和缸蓋，確定是否達到材料承受的極限溫度，同時檢驗發動機的冷卻能力水套的設計以及缸墊水孔設計是否符合使用要求。

以下是針對某款三缸直噴發動機在臺架試驗進行缸體缸蓋鼻梁區測試過程，及試驗結果評價。

1 試驗邊界條件

1.1 發動機要求

（1）發動機裝配前所有零部件尺寸公差必須符合圖紙設計要求，擰緊力矩及相關間隙必須符合裝配要求；

（2）除非開發工程師有特別要求，否則所有零部件必須為全新件；

（3）樣機所用的冷卻液和機油與生產狀態一致，節溫器保持全開。

1.2 設備要求

（1）功率、扭矩：誤差不大于所測發動機最大扭矩的±0.5%，最大功率和最大扭矩大于發動機額定值的115%；

（2）轉速：誤差不大于所測值的±1%，最大轉速大于發動機額定轉速的130%；

（3）油耗儀：測量誤差不大于所測量值的±0.5%；

（4）數據采集儀器：需要連續測量，測量頻率不小于10Hz；

（5）冷卻液恒溫設備：冷卻液的出口溫度精確度控制在±5℃范圍內；

（6）機油恒溫設備：精確控制機油溫度，控制誤差在±2℃范圍內；

（7）燃油恒溫設備：柴油溫度控制在33℃±5℃范圍內，汽油溫度控制在25℃±5 ℃；

（8）T分度（0～350℃）熱電偶溫度傳感器20個，傳感器測量頻率大于10HZ。

1.3 傳感器布置方案

（1）傳感器安裝位置均根據模擬計算CFD分析，確定發動機的最大溫度分布。

（2）傳感器的直徑一般選用1.5mm±0.1，加工孔一般在1.65mm要求加工。缸蓋共3個測量點，在機體鼻梁區上表面加工2個傳感器，在缸體鼻梁區火力面下端70mm處同樣加工2個測量傳感器孔，發動機結構溫度共布置7個溫度傳感器。

（3）傳感器的探頭需要和發動機的加工孔壁要充分接觸，將傳感器的測量端15mm處涂抹AB膠，將傳感器插入φ1.6的孔中，等膠干以后，將表面整平。布置之前需要標定傳感器測量精度。

（4）發動機裝配之前要求將加工殘留的鐵屑清理干凈，發動機按照正常的部件裝配，上臺架進行試驗。

（5）傳感器安裝、密封處理，試漏并進行補漏處理。保證發動機在試驗過程減少沖缸墊可能。

2 試驗方法

2.1 試驗要求

（1）將發動機裝上臺架，調整發動機安裝角度和整車要求一致，布置整車冷卻系統，如：散熱器、暖風機等相關部件。

（2）將發動機的冷卻系統裝滿冷卻水，運轉冷卻水泵直到系統沒有沒有氣泡。

（3）依據發動機臺架試驗：發動機磨合試驗方法對發動機進行磨合。

（4）磨合試驗后，進行發動機外特性測量，確保發動機性能（功率、扭矩）要在正常的范圍之內，除試驗開發工程師特殊要求除外。

（5）控制發動機出水溫度TWO=115℃，發動機油門全開，發動機轉速在SPEED（MAX）、5500、5000、4500…………1000r/min，發動機在各個工況需要將溫度穩定后測量。

2.2 試驗步驟

控制發動機出水溫度為90℃，110℃和115℃（最高持續水溫）發動機油門全開，發動機轉速在SPEED（MAX）、5500、5000、4500…………1000r/min，發動機在各個工況需要將溫度穩定后測量。

3 試驗評價

（1）缸蓋鼻梁區溫度：試驗中測量點在缸蓋內部燃燒室表面約4mm處，當發動機出水為115℃時（最高持續溫度），測得2缸排氣側溫度最高，溫度為187℃/4850rpm全負荷 、192℃/5500rpm全負荷，此處CAE分析結果約為175-190℃，實測值基本與CAE結果相符。

CAE分析缸蓋排氣側鼻梁區金屬表面溫度最高溫度為223℃/4850rpm全負荷，根據推算實際鼻梁區最高溫度應該在170-230℃，低于鋁合金缸蓋的耐溫極限260℃要求，缸墊設計以及缸蓋水套冷卻效果滿足使用要求。

（2）缸體鼻梁區上側：當發動機出水為115℃時（最高持續溫度）

，測量得到1缸與2缸之間鼻梁區溫度最高，溫度為228.8℃/5500rpm全負荷，低于機油碳化極限溫度240℃，缸墊設計以及缸體水套冷卻效果滿足使用要求。

缸體鼻梁區上側溫度均勻性良好，最大溫差不超過5℃；試驗測得溫度為223.6℃/4850rpm全負荷 、228.8℃/5500rpm全負荷，均位于一缸和二缸之間，此處CAE分析結果約為193℃/4850rpm全負荷，實際測量數據高于與CAE分析結果，但趨勢基本相符。

（3）缸體鼻梁區下側：缸體鼻梁區下側傳感器距離火力面距離為70mm，當發動機出水為115℃時（最高持續溫度），測量得到1、2缸之間鼻梁區溫度最高，溫度為193℃/4850rpm 全負荷、196.7℃/5500rpm全負荷，CAE計算該處溫度約為193℃/4850rpm全負荷；1、2缸之間的鼻梁區溫度與CAE分析結果基本相符， 2、3缸之間的鼻梁區溫度略低于與CAE分析結果。

CAE計算缸體鼻梁區下側最高溫度應該在40mm處，最高溫度為212℃， 根據推算實際缸體鼻梁區最高溫度應該在200-230℃，低于機油碳化極限溫度240℃要求，缸體水套冷卻效果滿足使用要求。

4 試驗驗證結論

在最高持續出水溫度115℃@5500rpm/全負荷工況，缸蓋鼻梁區2缸溫度最高，3缸溫度最低，最高溫度約為230℃，低于鋁合金缸蓋的耐熱極限260℃要求；缸體1、2#缸之間上側鼻梁區溫度最高，溫度為228.8℃，低于機油碳化極限溫度240℃要求；綜上，缸體、缸蓋鼻梁區溫度滿足材料承受極限溫度要求，同時發動機水套以及缸墊水孔的設計滿足試驗要求。

5 結語

通過本文研究測試，得到了某三缸直噴汽油發動機穩態條件下鼻梁區各溫度點的分布情況，為后續發動機缸體、缸蓋和缸墊設計及試驗奠定經驗基礎。

參考文獻：

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[2]全興信，李鐘福（譯）.內燃機性能測試.內燃機學[D].機械工業出版社，2015（10）.

[3]陳家瑞，馬天飛等.排氣機構[M].汽車構造（第五版上冊），2012.

作者簡介：張玉林（1984-），安徽合肥人，本科，性能試驗工程師，主要研究方向：發動機試驗相關。endprint