缸蓋masking技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響分析

葉鵬，趙帥，彭鎮(zhèn)

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230022）

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室是發(fā)動(dòng)機(jī)本體內(nèi)燃料燃燒，并生成高溫燃?xì)獾难b置。該裝置將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。狹義的燃燒室特指氣缸蓋頂面鑄有形狀各異的凹坑；而廣義上的燃燒室，是指氣缸頂面凹坑、缸體、活塞共同形成的一個(gè)密閉區(qū)域。壓縮比、滾流比/滾流強(qiáng)度、流量系數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)均對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒有影響，本文將通過(guò)對(duì)應(yīng)用了masking技術(shù)的缸蓋進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)分析，探討該技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的影響，形成分析結(jié)論。

1 Masking技術(shù)的設(shè)計(jì)分析

1.1 Masking技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Masking技術(shù)是一種擾動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣氣流，改變發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)氣流流動(dòng)情況，從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的一種缸蓋設(shè)計(jì)技術(shù)。其在氣道口的一側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)180o環(huán)岸，以改變進(jìn)氣氣流的滾流強(qiáng)度。 下圖1和2給出了masking技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外觀效果。

圖1 不帶和帶masking技術(shù)的外觀差別

圖2 缸蓋氣道口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（加masking技術(shù)）

注：a——?dú)忾T(mén)座圈高度 b——?dú)忾T(mén)座圈高度/2

s——masking缺口距離h——masking高度

1.2 Masking技術(shù)的應(yīng)用原理

Masking 技術(shù)的應(yīng)用，會(huì)對(duì)氣體的流動(dòng)產(chǎn)生導(dǎo)向作用，特別是進(jìn)氣口的 Masking，與進(jìn)氣道形成一定弧度，會(huì)加強(qiáng)滾流，與排氣側(cè)的Masking一起，增強(qiáng)缸內(nèi)滾流強(qiáng)度，但是會(huì)一定程度上降低流量系數(shù)。同時(shí)，排氣側(cè)的Masking會(huì)阻礙排氣的順暢程度，提升排氣阻力。進(jìn)排氣的masking共同作用，使得缸內(nèi)形成一個(gè)內(nèi)部EGR循環(huán)，有利于燃油經(jīng)濟(jì)性的降低。

從不同的工況分析，masking缸蓋主要具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：部分負(fù)荷（圖3的左圖），因?yàn)閙asking缸蓋進(jìn)氣口和排氣口的遮擋，對(duì)氣體形成節(jié)流效果，增加燃燒室內(nèi)部流動(dòng)，即提高缸內(nèi)滾流比，有利于低速動(dòng)力性的提升；進(jìn)、排氣氣門(mén)重疊開(kāi)啟時(shí)（圖3的右圖），masking對(duì)氣流形成節(jié)流效果，氣體從進(jìn)氣口溢出量降低，缸內(nèi)形成EGR循環(huán)，有利于燃油消耗量的降低。

圖3 帶masking技術(shù)的燃燒室內(nèi)氣流流動(dòng)示意圖

圖4 指示出了試驗(yàn)缸蓋上masking技術(shù)所覆

蓋的區(qū)域，同時(shí)，需要關(guān)注的是，masking技術(shù)可能會(huì)造成燃燒室內(nèi)“死區(qū)”的形成。綜上，Masking技術(shù)的效果需通過(guò)燃燒開(kāi)發(fā)來(lái)驗(yàn)證，故策劃如下試驗(yàn)進(jìn)行性能影響分析。

2 試驗(yàn)方案策劃

使用江淮自產(chǎn) 2.0T+汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行如下驗(yàn)證，分析Masking技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響，最終分析對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性帶來(lái)的影響。試驗(yàn)采用帶有Masking技術(shù)的缸蓋和不帶Masking技術(shù)的缸蓋，匹配同一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行對(duì)比分析，以下試驗(yàn)內(nèi)容均為針對(duì)分別匹配兩個(gè)缸蓋的試驗(yàn)步驟。

2.1 前期準(zhǔn)備

1）發(fā)動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)備：調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)試制參數(shù)，將壓縮比控制在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)壓縮比值(9.5±0.1)；進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)氣道、油道、水道的清洗，確保沒(méi)有明顯的金屬碎屑；缸蓋氣道結(jié)合面無(wú)劃痕，平整度良好；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)磨合

（1）磨合工況如圖5。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行總計(jì)20小時(shí)的磨合，磨合工況共分三個(gè)階段，分別為低負(fù)荷、工況、中負(fù)荷工況和高負(fù)荷工況。磨合過(guò)程按照《磨合試驗(yàn)規(guī)范》執(zhí)行。

圖5 2.0T+發(fā)動(dòng)機(jī)磨合工況圖

（2）樣機(jī)磨合完成后，進(jìn)行“三漏”，確保發(fā)動(dòng)機(jī)本體不漏水、漏氣、漏油。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)基本測(cè)量

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)泄氣量的測(cè)量，發(fā)動(dòng)機(jī)各缸泄氣量處于較低范圍，且一致性偏差在 10%以內(nèi)，方可進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)工作。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)泄氣量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功的測(cè)量

將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，并連接好進(jìn)排氣系統(tǒng)、水恒溫系統(tǒng)、機(jī)油恒溫系統(tǒng)。將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度穩(wěn)定在100℃，用測(cè)功機(jī)反托發(fā)動(dòng)機(jī)，從額轉(zhuǎn)速 5000rpm一直到1000rpm，每個(gè)工況點(diǎn)節(jié)氣門(mén)保持全開(kāi)。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)工作邊界的確認(rèn)

（1）進(jìn)氣溫度穩(wěn)定在（25±5）℃之間，濕度恒定在50%～70%之間；

（2）汽油溫度控制在（25±5）℃，進(jìn)油壓力控制在（400±10）℃；

（3）冷卻液溫度控制在（25±5）℃，中冷后進(jìn)氣溫度控制在（20～60）℃；

（4）排氣溫度控制在≤930℃，催化器中心溫度控制在≤950℃；

（5）增壓器葉輪轉(zhuǎn)速≤20W 轉(zhuǎn)/min。

2.4 缸蓋氣道試驗(yàn)測(cè)試方案

1）缸蓋裝配上氣門(mén)、火花塞，測(cè)試密封性能符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求；

2）跟換氣道試驗(yàn)臺(tái)的板式流量計(jì)、模擬缸套、氣閥送氣方向，將氣道試驗(yàn)臺(tái)切換成滾流測(cè)試模式；

3）分別對(duì)缸蓋的四個(gè)進(jìn)氣道進(jìn)行滾流比、流量系數(shù)的測(cè)量；

4）分別對(duì)缸蓋的四個(gè)排氣道進(jìn)行流量系數(shù)的測(cè)量。

圖6 氣道試驗(yàn)臺(tái)布置

5）匹配發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管，分別對(duì)缸蓋的四個(gè)進(jìn)氣道進(jìn)行滾流比、流量系數(shù)的測(cè)量。

2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能試驗(yàn)方案

1）轉(zhuǎn)速遞增的外特性試驗(yàn)

調(diào)整ECU數(shù)據(jù)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性滿足設(shè)計(jì)要求。

一般情況下，轉(zhuǎn)速步長(zhǎng)為 400 r/min，最大轉(zhuǎn)速至少要比設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速高10%。

在扭矩突變的工況附近，轉(zhuǎn)速步長(zhǎng)要適當(dāng)減小；最大扭矩附近，轉(zhuǎn)速步長(zhǎng)要適當(dāng)減小。

2）部分負(fù)荷工況（2000 r/min @ 2bar及客戶需求的部分工況）性能試驗(yàn)：

調(diào)整ECU數(shù)據(jù)，通過(guò)掃點(diǎn)和選點(diǎn)的方式，依據(jù)平均有效指示壓力的循環(huán)變動(dòng)率（后簡(jiǎn)稱 IMEP_COV），選擇最優(yōu)的狀態(tài)。

發(fā)動(dòng)機(jī)需在該工況的最優(yōu)狀態(tài)下，至少穩(wěn)定5min以上，測(cè)量次數(shù)不少于10次，每次測(cè)量時(shí)間不少于30s。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比

實(shí)測(cè)壓縮比在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，樣機(jī)滿足試驗(yàn)測(cè)試要求。

表2 壓縮比測(cè)量結(jié)果

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)泄氣量

四個(gè)缸的泄氣量存在一定差異，但都在泄氣量較低的水平內(nèi)，表明發(fā)動(dòng)機(jī)各缸泄氣量正常，符合燃燒開(kāi)發(fā)對(duì)樣機(jī)的需求標(biāo)準(zhǔn)。

表3 泄氣量測(cè)量結(jié)果

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功

2.0T+發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)油溫度為100℃的條件下，額定轉(zhuǎn)速摩擦功為24.64kW，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為134.7kW，機(jī)械效率為84.54%。1000rpm～3600rpm的機(jī)械效率均在90%以上，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能良好。帶全附件，各轉(zhuǎn)速點(diǎn)摩擦功低于江淮自產(chǎn)2.0T（GD034）機(jī)型。

圖7 100℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)載狀態(tài)的反拖摩擦功

3.4 氣道試驗(yàn)開(kāi)發(fā)結(jié)果

3.4.1 進(jìn)氣道的測(cè)量

從試驗(yàn)結(jié)果看，masking缸蓋的滾流比較不帶 masking缸蓋的滾流比有所提升，滾流比可以達(dá)到1.96的均值，對(duì)于油氣的充分混合，和低端動(dòng)力性的爆發(fā)有一定好處。Masking缸蓋的流量系數(shù)略微降低，但對(duì)于增壓機(jī)型來(lái)說(shuō)，1%的降幅不會(huì)對(duì)動(dòng)力性產(chǎn)生明顯影響。

表4 缸蓋氣道測(cè)試結(jié)果

從氣門(mén)升程變化曲線來(lái)看，氣門(mén)開(kāi)啟較小的時(shí)候（L≤6mm），進(jìn)氣道滾流比增強(qiáng)明顯，流量略有降低，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低速動(dòng)力性會(huì)有較明顯的提升。

圖8 進(jìn)氣道滾流比和流量均值對(duì)比（隨氣門(mén)升程的變化曲線）

3.4.2 排氣道的測(cè)量

因排氣側(cè)masking的節(jié)流效應(yīng)，造成帶masking技術(shù)的缸蓋的排氣道流量系數(shù)要比無(wú)Masking缸蓋的偏小，特別是低氣門(mén)升程的工況，差別略大；隨著氣門(mén)升程的增大，差異逐漸減小。

圖9 排氣道流量系數(shù)對(duì)比

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)開(kāi)發(fā)結(jié)果

（1）總體評(píng)價(jià)

發(fā)動(dòng)機(jī)使用masking缸蓋后的中高速動(dòng)力性略有下降，但低速動(dòng)力性得到大幅度提升；masking缸蓋燃油經(jīng)濟(jì)性上與無(wú)masking缸蓋的差異微弱，部分負(fù)荷的燃油消耗率略有降低；masking缸蓋的燃燒速率變快，有利于充分燃燒。

表5 匹配masking缸蓋和無(wú)masking缸蓋的性能對(duì)比

（2）動(dòng)力性

由于masking缸蓋的節(jié)流作用，低速動(dòng)力性有大幅度的提升，低端動(dòng)力性提升了約6.7%，這對(duì)于整車(chē)低速、加速動(dòng)力性上的表現(xiàn)都是非常有益的；

但也恰是節(jié)流作用，造成中高速的動(dòng)力性偏差，使用masking缸蓋，為了確保中高速的動(dòng)力性可以滿足設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，提升增壓壓力（如圖3.4），但受排溫和爆震系數(shù)的限制，額定功率和最大凈功率都較無(wú) masking缸蓋的性能有略有下降；

（3）經(jīng)濟(jì)性

使用masking缸蓋的燃燒速率變快（圖3.5），理論上對(duì)經(jīng)濟(jì)性有益，但外特性油耗率的差異不明顯，特別是外特性低速油耗率變差，這是因?yàn)榈退賱?dòng)力性大幅提升，油耗量有所增加；額定點(diǎn)的燃油消耗率有所降低，這與masking技術(shù)在中高速的節(jié)流效果有關(guān)，節(jié)流效果可以理解為增加了內(nèi)部EGR率，對(duì)于降低油耗率是有一定幫助的；

部分負(fù)荷油耗率（2bar@2000rpm）降低約 1%，這與masking缸蓋在低負(fù)荷時(shí)對(duì)氣體形成節(jié)流效果是相輔相成的，因?yàn)閙asking技術(shù)增加了燃燒室內(nèi)部流動(dòng)，提高缸內(nèi)滾流比，燃燒速率更快。

圖10 外特性區(qū)域燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

（4）燃燒狀態(tài)

兩個(gè)缸蓋的爆震系數(shù)盡量保持一致，masking缸蓋的A_I05差異很小，但A_I50和A_I90的差異就比較明顯了，這說(shuō)明使用masking缸蓋的燃燒速率變快，從而使得放熱速率提升；且 masking缸蓋的燃燒穩(wěn)定性（IMEPC）也要較無(wú)masking的缸蓋優(yōu)異。如圖3.5，在爆震傾向（KP_PK）基本一致的狀態(tài)下，使用帶masking缸蓋的燃燒速率（A_I50）要快，且使用Masking缸蓋的燃燒穩(wěn)定性相對(duì)較好。

圖11 燃燒性能對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論

（1）masking缸蓋的進(jìn)氣道滾流比較無(wú)masking缸蓋的有所提升，表現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的低速動(dòng)力性（@1000rpm）有6.7%的提升；

（2）masking缸蓋的燃燒穩(wěn)定性相對(duì)較好，masking技術(shù)形成的缸內(nèi)EGR對(duì)排放的影響沒(méi)有明顯表征，排放無(wú)明顯惡化；

（3）Masking缸蓋在部分負(fù)荷油耗率有1%的降低，對(duì)外特性工況的燃油經(jīng)濟(jì)性無(wú)明顯影響；

（4）排氣氣道的masking設(shè)計(jì)增加了排氣阻力，加大泵氣損失，建議去除或部分去除排氣氣道的masking。

[1] 王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì).[M]機(jī)械工業(yè)出版社 p174-190.

[2] 劉惟信.汽車(chē)設(shè)計(jì).[M] 清華大學(xué)出版社 p431-482.

[3] 孫建新.內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與原理.[M]人民交通出版社P35-P112.