張玉林+張大晴

摘 要：發(fā)動機的缸體和缸蓋是內(nèi)燃機中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的構(gòu)件之一，發(fā)動機在運轉(zhuǎn)過程中常常發(fā)生鼻梁區(qū)部位產(chǎn)生疲勞裂紋失效，引起發(fā)動機不能正常工作的問題，本文主要結(jié)合某款三缸直噴汽油發(fā)動機對缸體缸蓋鼻梁區(qū)溫度進行實施測試，同時測量結(jié)果與CAE進行對比分析，評價缸體和缸蓋以及缸墊設(shè)計是否滿足實際發(fā)動機的使用要求。

關(guān)鍵詞：缸體鼻梁區(qū)；缸蓋鼻梁區(qū)；缸墊

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

0 引言

在對節(jié)能和環(huán)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(shù)誕生，那就是缸內(nèi)直噴發(fā)動機。缸內(nèi)直噴發(fā)動機可以實現(xiàn)缸內(nèi)稀薄燃燒，燃燒效率提高，由此提升發(fā)動機效率，但是同時對發(fā)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(qū)位置設(shè)計。

本文通過實際測量鼻梁區(qū)各位置的溫度，評價在極限條件下缸內(nèi)燃燒溫度通過傳導(dǎo)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(fā)動機的冷卻能力水套的設(shè)計以及缸墊水孔設(shè)計是否符合使用要求。

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

1 試驗邊界條件

1.1 發(fā)動機要求

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

（2）除非開發(fā)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(chǎn)狀態(tài)一致，節(jié)溫器保持全開。

1.2 設(shè)備要求

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

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

（3）油耗儀：測量誤差不大于所測量值的±0.5%；

（4）數(shù)據(jù)采集儀器：需要連續(xù)測量，測量頻率不小于10Hz；

（5）冷卻液恒溫設(shè)備：冷卻液的出口溫度精確度控制在±5℃范圍內(nèi)；

（6）機油恒溫設(shè)備：精確控制機油溫度，控制誤差在±2℃范圍內(nèi)；

（7）燃油恒溫設(shè)備：柴油溫度控制在33℃±5℃范圍內(nèi)，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(jù)模擬計算CFD分析，確定發(fā)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(qū)上表面加工2個傳感器，在缸體鼻梁區(qū)火力面下端70mm處同樣加工2個測量傳感器孔，發(fā)動機結(jié)構(gòu)溫度共布置7個溫度傳感器。

（3）傳感器的探頭需要和發(fā)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(fā)動機裝配之前要求將加工殘留的鐵屑清理干凈，發(fā)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(fā)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(fā)動機裝上臺架，調(diào)整發(fā)動機安裝角度和整車要求一致，布置整車冷卻系統(tǒng)，如：散熱器、暖風(fēng)機等相關(guān)部件。

（2）將發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)裝滿冷卻水，運轉(zhuǎn)冷卻水泵直到系統(tǒng)沒有沒有氣泡。

（3）依據(jù)發(fā)動機臺架試驗：發(fā)動機磨合試驗方法對發(fā)動機進行磨合。

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

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

2.2 試驗步驟

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

3 試驗評價

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

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

（2）缸體鼻梁區(qū)上側(cè)：當發(fā)動機出水為115℃時（最高持續(xù)溫度）

，測量得到1缸與2缸之間鼻梁區(qū)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(shè)計以及缸體水套冷卻效果滿足使用要求。

缸體鼻梁區(qū)上側(cè)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(jié)果約為193℃/4850rpm全負荷，實際測量數(shù)據(jù)高于與CAE分析結(jié)果，但趨勢基本相符。

（3）缸體鼻梁區(qū)下側(cè)：缸體鼻梁區(qū)下側(cè)傳感器距離火力面距離為70mm，當發(fā)動機出水為115℃時（最高持續(xù)溫度），測量得到1、2缸之間鼻梁區(qū)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(qū)溫度與CAE分析結(jié)果基本相符， 2、3缸之間的鼻梁區(qū)溫度略低于與CAE分析結(jié)果。

CAE計算缸體鼻梁區(qū)下側(cè)最高溫度應(yīng)該在40mm處，最高溫度為212℃， 根據(jù)推算實際缸體鼻梁區(qū)最高溫度應(yīng)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(jié)論

在最高持續(xù)出水溫度115℃@5500rpm/全負荷工況，缸蓋鼻梁區(qū)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(cè)鼻梁區(qū)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(qū)溫度滿足材料承受極限溫度要求，同時發(fā)動機水套以及缸墊水孔的設(shè)計滿足試驗要求。

5 結(jié)語

通過本文研究測試，得到了某三缸直噴汽油發(fā)動機穩(wěn)態(tài)條件下鼻梁區(qū)各溫度點的分布情況，為后續(xù)發(fā)動機缸體、缸蓋和缸墊設(shè)計及試驗奠定經(jīng)驗基礎(chǔ)。

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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(fā)動機試驗相關(guān)。endprint