葉鵬，趙帥，彭鎮(zhèn)

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

前言

發(fā)動機(jī)燃燒室是發(fā)動機(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)計參數(shù)均對發(fā)動機(jī)燃燒有影響，本文將通過對應(yīng)用了masking技術(shù)的缸蓋進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能試驗分析，探討該技術(shù)對發(fā)動機(jī)燃燒產(chǎn)生的影響，形成分析結(jié)論。

1 Masking技術(shù)的設(shè)計分析

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

Masking技術(shù)是一種擾動發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣氣流，改變發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)氣流流動情況，從而改變發(fā)動機(jī)燃燒性能的一種缸蓋設(shè)計技術(shù)。其在氣道口的一側(cè)設(shè)計一個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（加masking技術(shù)）

注：a——?dú)忾T座圈高度 b——?dú)忾T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，會對氣體的流動產(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，但是會一定程度上降低流量系數(shù)。同時，排氣側(cè)的Masking會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優(yōu)點(diǎn)：部分負(fù)荷（圖3的左圖），因為masking缸蓋進(jìn)氣口和排氣口的遮擋，對氣體形成節(jié)流效果，增加燃燒室內(nèi)部流動，即提高缸內(nèi)滾流比，有利于低速動力性的提升；進(jìn)、排氣氣門重疊開啟時（圖3的右圖），masking對氣流形成節(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)氣流流動示意圖

圖4 指示出了試驗缸蓋上masking技術(shù)所覆

蓋的區(qū)域，同時，需要關(guān)注的是，masking技術(shù)可能會造成燃燒室內(nèi)“死區(qū)”的形成。綜上，Masking技術(shù)的效果需通過燃燒開發(fā)來驗證，故策劃如下試驗進(jìn)行性能影響分析。

2 試驗方案策劃

使用江淮自產(chǎn) 2.0T+汽油發(fā)動機(jī)，進(jìn)行如下驗證，分析Masking技術(shù)對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣和發(fā)動機(jī)燃燒性能的影響，最終分析對發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性帶來的影響。試驗采用帶有Masking技術(shù)的缸蓋和不帶Masking技術(shù)的缸蓋，匹配同一個發(fā)動機(jī)，進(jìn)行對比分析，以下試驗內(nèi)容均為針對分別匹配兩個缸蓋的試驗步驟。

2.1 前期準(zhǔn)備

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

2）發(fā)動機(jī)磨合

（1）磨合工況如圖5。發(fā)動機(jī)進(jìn)行總計20小時的磨合，磨合工況共分三個階段，分別為低負(fù)荷、工況、中負(fù)荷工況和高負(fù)荷工況。磨合過程按照《磨合試驗規(guī)范》執(zhí)行。

圖5 2.0T+發(fā)動機(jī)磨合工況圖

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

2.2 發(fā)動機(jī)基本測量

（1）發(fā)動機(jī)泄氣量的測量，發(fā)動機(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)試驗開發(fā)工作。

表1 發(fā)動機(jī)泄氣量評價標(biāo)準(zhǔn)

（2）發(fā)動機(jī)摩擦功的測量

將發(fā)動機(jī)安裝在試驗臺架上，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)動機(jī)發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度穩(wěn)定在100℃，用測功機(jī)反托發(fā)動機(jī)，從額轉(zhuǎn)速 5000rpm一直到1000rpm，每個工況點(diǎn)節(jié)氣門保持全開。

2.3 發(fā)動機(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 缸蓋氣道試驗測試方案

1）缸蓋裝配上氣門、火花塞，測試密封性能符合試驗標(biāo)準(zhǔn)要求；

2）跟換氣道試驗臺的板式流量計、模擬缸套、氣閥送氣方向，將氣道試驗臺切換成滾流測試模式；

3）分別對缸蓋的四個進(jìn)氣道進(jìn)行滾流比、流量系數(shù)的測量；

4）分別對缸蓋的四個排氣道進(jìn)行流量系數(shù)的測量。

圖6 氣道試驗臺布置

5）匹配發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管，分別對缸蓋的四個進(jìn)氣道進(jìn)行滾流比、流量系數(shù)的測量。

2.5 發(fā)動機(jī)的燃燒性能試驗方案

1）轉(zhuǎn)速遞增的外特性試驗

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

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

在扭矩突變的工況附近，轉(zhuǎn)速步長要適當(dāng)減??；最大扭矩附近，轉(zhuǎn)速步長要適當(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：

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

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

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 發(fā)動機(jī)壓縮比

實測壓縮比在設(shè)計范圍內(nèi)，樣機(jī)滿足試驗測試要求。

表2 壓縮比測量結(jié)果

3.2 發(fā)動機(jī)泄氣量

四個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)動機(jī)各缸泄氣量正常，符合燃燒開發(fā)對樣機(jī)的需求標(biāo)準(zhǔn)。

表3 泄氣量測量結(jié)果

3.3 發(fā)動機(jī)摩擦功

2.0T+發(fā)動機(jī)在機(jī)油溫度為100℃的條件下，額定轉(zhuǎn)速摩擦功為24.64kW，對應(yīng)的發(fā)動機(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，發(fā)動機(jī)全負(fù)載狀態(tài)的反拖摩擦功

3.4 氣道試驗開發(fā)結(jié)果

3.4.1 進(jìn)氣道的測量

從試驗結(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，對于油氣的充分混合，和低端動力性的爆發(fā)有一定好處。Masking缸蓋的流量系數(shù)略微降低，但對于增壓機(jī)型來說，1%的降幅不會對動力性產(chǎn)生明顯影響。

表4 缸蓋氣道測試結(jié)果

從氣門升程變化曲線來看，氣門開啟較小的時候（L≤6mm），進(jìn)氣道滾流比增強(qiáng)明顯，流量略有降低，對發(fā)動機(jī)低速動力性會有較明顯的提升。

圖8 進(jìn)氣道滾流比和流量均值對比（隨氣門升程的變化曲線）

3.4.2 排氣道的測量

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Masking缸蓋的偏小，特別是低氣門升程的工況，差別略大；隨著氣門升程的增大，差異逐漸減小。

圖9 排氣道流量系數(shù)對比

3.5 發(fā)動機(jī)臺架試驗開發(fā)結(jié)果

（1）總體評價

發(fā)動機(jī)使用masking缸蓋后的中高速動力性略有下降，但低速動力性得到大幅度提升；masking缸蓋燃油經(jīng)濟(jì)性上與無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masking缸蓋的性能對比

（2）動力性

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

但也恰是節(jié)流作用，造成中高速的動力性偏差，使用masking缸蓋，為了確保中高速的動力性可以滿足設(shè)計要求，在設(shè)計允許的范圍內(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 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，這是因為低速動力性大幅提升，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)荷時對氣體形成節(jié)流效果是相輔相成的，因為masking技術(shù)增加了燃燒室內(nèi)部流動，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)性對比

（4）燃燒狀態(tài)

兩個缸蓋的爆震系數(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)定性相對較好。

圖11 燃燒性能對比結(jié)果

4 結(jié)論

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

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

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

（4）排氣氣道的masking設(shè)計增加了排氣阻力，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.汽車設(shè)計.[M]機(jī)械工業(yè)出版社 p174-190.

[2] 劉惟信.汽車設(shè)計.[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.