缸盖masking技术对发动机性能影响分析

2018-03-06叶鹏赵帅彭镇

汽车实用技术 2018年3期

叶鹏，赵帅，彭镇

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽合肥 230022）

前言

发动机燃烧室是发动机本体内燃料燃烧，并生成高温燃气的装置。该装置将燃料燃烧产生的热能转化为机械能。狭义的燃烧室特指气缸盖顶面铸有形状各异的凹坑；而广义上的燃烧室，是指气缸顶面凹坑、缸体、活塞共同形成的一个密闭区域。压缩比、滚流比/滚流强度、流量系数等设计参数均对发动机燃烧有影响，本文将通过对应用了masking技术的缸盖进行发动机性能试验分析，探讨该技术对发动机燃烧产生的影响，形成分析结论。

1 Masking技术的设计分析

1.1 Masking技术的结构设计

Masking技术是一种扰动发动机进、排气气流，改变发动机燃烧室内气流流动情况，从而改变发动机燃烧性能的一种缸盖设计技术。其在气道口的一侧设计一个180º环岸，以改变进气气流的滚流强度。下图1和2给出了masking技术的结构设计和外观效果。

图1 不带和带masking技术的外观差别

图2 缸盖气道口结构设计（加masking技术）

注：a——气门座圈高度 b——气门座圈高度/2

s——masking缺口距离h——masking高度

1.2 Masking技术的应用原理

Masking 技术的应用，会对气体的流动产生导向作用，特别是进气口的 Masking，与进气道形成一定弧度，会加强滚流，与排气侧的Masking一起，增强缸内滚流强度，但是会一定程度上降低流量系数。同时，排气侧的Masking会阻碍排气的顺畅程度，提升排气阻力。进排气的masking共同作用，使得缸内形成一个内部EGR循环，有利于燃油经济性的降低。

从不同的工况分析，masking缸盖主要具有以下两个优点：部分负荷（图3的左图），因为masking缸盖进气口和排气口的遮挡，对气体形成节流效果，增加燃烧室内部流动，即提高缸内滚流比，有利于低速动力性的提升；进、排气气门重叠开启时（图3的右图），masking对气流形成节流效果，气体从进气口溢出量降低，缸内形成EGR循环，有利于燃油消耗量的降低。

图3 带masking技术的燃烧室内气流流动示意图

图4 指示出了试验缸盖上masking技术所覆

盖的区域，同时，需要关注的是，masking技术可能会造成燃烧室内“死区”的形成。综上，Masking技术的效果需通过燃烧开发来验证，故策划如下试验进行性能影响分析。

2 试验方案策划

使用江淮自产 2.0T+汽油发动机，进行如下验证，分析Masking技术对发动机进气和发动机燃烧性能的影响，最终分析对发动机动力性、经济性、排放性带来的影响。试验采用带有Masking技术的缸盖和不带Masking技术的缸盖，匹配同一个发动机，进行对比分析，以下试验内容均为针对分别匹配两个缸盖的试验步骤。

2.1 前期准备

1）发动机的准备：调整发动机试制参数，将压缩比控制在发动机设计压缩比值(9.5±0.1)；进行发动机气道、油道、水道的清洗，确保没有明显的金属碎屑；缸盖气道结合面无划痕，平整度良好；

2）发动机磨合

（1）磨合工况如图5。发动机进行总计20小时的磨合，磨合工况共分三个阶段，分别为低负荷、工况、中负荷工况和高负荷工况。磨合过程按照《磨合试验规范》执行。

图5 2.0T+发动机磨合工况图

（2）样机磨合完成后，进行“三漏”，确保发动机本体不漏水、漏气、漏油。

2.2 发动机基本测量

（1）发动机泄气量的测量，发动机各缸泄气量处于较低范围，且一致性偏差在 10%以内，方可进行后续试验开发工作。

表1 发动机泄气量评价标准

（2）发动机摩擦功的测量

将发动机安装在试验台架上，并连接好进排气系统、水恒温系统、机油恒温系统。将发动机发动机机油温度稳定在100℃，用测功机反托发动机，从额转速 5000rpm一直到1000rpm，每个工况点节气门保持全开。

2.3 发动机工作边界的确认

（1）进气温度稳定在（25±5）℃之间，湿度恒定在50%～70%之间；

（2）汽油温度控制在（25±5）℃，进油压力控制在（400±10）℃；

（3）冷却液温度控制在（25±5）℃，中冷后进气温度控制在（20～60）℃；

（4）排气温度控制在≤930℃，催化器中心温度控制在≤950℃；

（5）增压器叶轮转速≤20W 转/min。

2.4 缸盖气道试验测试方案

1）缸盖装配上气门、火花塞，测试密封性能符合试验标准要求；

2）跟换气道试验台的板式流量计、模拟缸套、气阀送气方向，将气道试验台切换成滚流测试模式；

3）分别对缸盖的四个进气道进行滚流比、流量系数的测量；

4）分别对缸盖的四个排气道进行流量系数的测量。

图6 气道试验台布置

5）匹配发动机进气歧管，分别对缸盖的四个进气道进行滚流比、流量系数的测量。

2.5 发动机的燃烧性能试验方案

1）转速递增的外特性试验

调整ECU数据，使得发动机的动力性、经济性、排放性满足设计要求。

一般情况下，转速步长为 400 r/min，最大转速至少要比设计额定转速高10%。

在扭矩突变的工况附近，转速步长要适当减小；最大扭矩附近，转速步长要适当减小。

2）部分负荷工况（2000 r/min @ 2bar及客户需求的部分工况）性能试验：

调整ECU数据，通过扫点和选点的方式，依据平均有效指示压力的循环变动率（后简称 IMEP_COV），选择最优的状态。

发动机需在该工况的最优状态下，至少稳定5min以上，测量次数不少于10次，每次测量时间不少于30s。

3 试验结果及分析

3.1 发动机压缩比

实测压缩比在设计范围内，样机满足试验测试要求。

表2 压缩比测量结果

3.2 发动机泄气量

四个缸的泄气量存在一定差异，但都在泄气量较低的水平内，表明发动机各缸泄气量正常，符合燃烧开发对样机的需求标准。

表3 泄气量测量结果

3.3 发动机摩擦功

2.0T+发动机在机油温度为100℃的条件下，额定转速摩擦功为24.64kW，对应的发动机功率为134.7kW，机械效率为84.54%。1000rpm～3600rpm的机械效率均在90%以上，发动机的性能良好。带全附件，各转速点摩擦功低于江淮自产2.0T（GD034）机型。

图7 100℃时，发动机全负载状态的反拖摩擦功

3.4 气道试验开发结果

3.4.1 进气道的测量

从试验结果看，masking缸盖的滚流比较不带 masking缸盖的滚流比有所提升，滚流比可以达到1.96的均值，对于油气的充分混合，和低端动力性的爆发有一定好处。Masking缸盖的流量系数略微降低，但对于增压机型来说，1%的降幅不会对动力性产生明显影响。

表4 缸盖气道测试结果

从气门升程变化曲线来看，气门开启较小的时候（L≤6mm），进气道滚流比增强明显，流量略有降低，对发动机低速动力性会有较明显的提升。

图8 进气道滚流比和流量均值对比（随气门升程的变化曲线）

3.4.2 排气道的测量

因排气侧masking的节流效应，造成带masking技术的缸盖的排气道流量系数要比无Masking缸盖的偏小，特别是低气门升程的工况，差别略大；随着气门升程的增大，差异逐渐减小。

图9 排气道流量系数对比

3.5 发动机台架试验开发结果

（1）总体评价

发动机使用masking缸盖后的中高速动力性略有下降，但低速动力性得到大幅度提升；masking缸盖燃油经济性上与无masking缸盖的差异微弱，部分负荷的燃油消耗率略有降低；masking缸盖的燃烧速率变快，有利于充分燃烧。

表5 匹配masking缸盖和无masking缸盖的性能对比

（2）动力性

由于masking缸盖的节流作用，低速动力性有大幅度的提升，低端动力性提升了约6.7%，这对于整车低速、加速动力性上的表现都是非常有益的；

但也恰是节流作用，造成中高速的动力性偏差，使用masking缸盖，为了确保中高速的动力性可以满足设计要求，在设计允许的范围内，提升增压压力（如图3.4），但受排温和爆震系数的限制，额定功率和最大净功率都较无 masking缸盖的性能有略有下降；

（3）经济性

使用masking缸盖的燃烧速率变快（图3.5），理论上对经济性有益，但外特性油耗率的差异不明显，特别是外特性低速油耗率变差，这是因为低速动力性大幅提升，油耗量有所增加；额定点的燃油消耗率有所降低，这与masking技术在中高速的节流效果有关，节流效果可以理解为增加了内部EGR率，对于降低油耗率是有一定帮助的；

部分负荷油耗率（2bar@2000rpm）降低约 1%，这与masking缸盖在低负荷时对气体形成节流效果是相辅相成的，因为masking技术增加了燃烧室内部流动，提高缸内滚流比，燃烧速率更快。

图10 外特性区域燃油经济性对比

（4）燃烧状态

两个缸盖的爆震系数尽量保持一致，masking缸盖的A_I05差异很小，但A_I50和A_I90的差异就比较明显了，这说明使用masking缸盖的燃烧速率变快，从而使得放热速率提升；且 masking缸盖的燃烧稳定性（IMEPC）也要较无masking的缸盖优异。如图3.5，在爆震倾向（KP_PK）基本一致的状态下，使用带masking缸盖的燃烧速率（A_I50）要快，且使用Masking缸盖的燃烧稳定性相对较好。