關(guān)于某款三缸直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)鼻梁區(qū)溫度測(cè)試的研究

張玉林+張大晴

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和缸蓋是內(nèi)燃機(jī)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的構(gòu)件之一，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(dòng)機(jī)不能正常工作的問(wèn)題，本文主要結(jié)合某款三缸直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)缸體缸蓋鼻梁區(qū)溫度進(jìn)行實(shí)施測(cè)試，同時(shí)測(cè)量結(jié)果與CAE進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)缸體和缸蓋以及缸墊設(shè)計(jì)是否滿足實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)節(jié)能和環(huán)保要求日趨嚴(yán)格的今天，即使是多點(diǎn)燃油噴射也不能滿足人們的要求，于是更為精準(zhǔn)的燃油噴射技術(shù)誕生，那就是缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)稀薄燃燒，燃燒效率提高，由此提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率，但是同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)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(jì)。

本文通過(guò)實(shí)際測(cè)量鼻梁區(qū)各位置的溫度，評(píng)價(jià)在極限條件下缸內(nèi)燃燒溫度通過(guò)傳導(dǎo)到缸體和缸蓋，確定是否達(dá)到材料承受的極限溫度，同時(shí)檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻能力水套的設(shè)計(jì)以及缸墊水孔設(shè)計(jì)是否符合使用要求。

以下是針對(duì)某款三缸直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行缸體缸蓋鼻梁區(qū)測(cè)試過(guò)程，及試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)邊界條件

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)要求

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)裝配前所有零部件尺寸公差必須符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)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(jī)所用的冷卻液和機(jī)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(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩的±0.5%，最大功率和最大扭矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)額定值的115%；

（2）轉(zhuǎn)速：誤差不大于所測(cè)值的±1%，最大轉(zhuǎn)速大于發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的130%；

（3）油耗儀：測(cè)量誤差不大于所測(cè)量值的±0.5%；

（4）數(shù)據(jù)采集儀器：需要連續(xù)測(cè)量，測(cè)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(jī)油恒溫設(shè)備：精確控制機(jī)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(gè)，傳感器測(cè)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(jì)算CFD分析，確定發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)測(cè)量點(diǎn)，在機(jī)體鼻梁區(qū)上表面加工2個(gè)傳感器，在缸體鼻梁區(qū)火力面下端70mm處同樣加工2個(gè)測(cè)量傳感器孔，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)溫度共布置7個(gè)溫度傳感器。

（3）傳感器的探頭需要和發(fā)動(dòng)機(jī)的加工孔壁要充分接觸，將傳感器的測(cè)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(biāo)定傳感器測(cè)量精度。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)裝配之前要求將加工殘留的鐵屑清理干凈，發(fā)動(dòng)機(jī)按照正常的部件裝配，上臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)。

（5）傳感器安裝、密封處理，試漏并進(jìn)行補(bǔ)漏處理。保證發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程減少?zèng)_缸墊可能。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)要求

（1）將發(fā)動(dòng)機(jī)裝上臺(tái)架，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)安裝角度和整車要求一致，布置整車?yán)鋮s系統(tǒng)，如：散熱器、暖風(fēng)機(jī)等相關(guān)部件。

（2）將發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)裝滿冷卻水，運(yùn)轉(zhuǎn)冷卻水泵直到系統(tǒng)沒(méi)有沒(méi)有氣泡。

（3）依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)：發(fā)動(dòng)機(jī)磨合試驗(yàn)方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行磨合。

（4）磨合試驗(yàn)后，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)外特性測(cè)量，確保發(fā)動(dòng)機(jī)性能（功率、扭矩）要在正常的范圍之內(nèi)，除試驗(yàn)開發(fā)工程師特殊要求除外。

（5）控制發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度TWO=115℃，發(fā)動(dòng)機(jī)油門全開，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在SPEED（MAX）、5500、5000、4500…………1000r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)工況需要將溫度穩(wěn)定后測(cè)量。

2.2 試驗(yàn)步驟

控制發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為90℃，110℃和115℃（最高持續(xù)水溫）發(fā)動(dòng)機(jī)油門全開，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在SPEED（MAX）、5500、5000、4500…………1000r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)工況需要將溫度穩(wěn)定后測(cè)量。

3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)

（1）缸蓋鼻梁區(qū)溫度：試驗(yàn)中測(cè)量點(diǎn)在缸蓋內(nèi)部燃燒室表面約4mm處，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水為115℃時(shí)（最高持續(xù)溫度），測(cè)得2缸排氣側(cè)溫度最高，溫度為187℃/4850rpm全負(fù)荷 、192℃/5500rpm全負(fù)荷，此處CAE分析結(jié)果約為175-190℃，實(shí)測(cè)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(fù)荷，根據(jù)推算實(shí)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(jì)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水為115℃時(shí)（最高持續(xù)溫度）

，測(cè)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(fù)荷，低于機(jī)油碳化極限溫度240℃，缸墊設(shè)計(jì)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(guò)5℃；試驗(yàn)測(cè)得溫度為223.6℃/4850rpm全負(fù)荷 、228.8℃/5500rpm全負(fù)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(fù)荷，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)高于與CAE分析結(jié)果，但趨勢(shì)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水為115℃時(shí)（最高持續(xù)溫度），測(cè)量得到1、2缸之間鼻梁區(qū)溫度最高，溫度為193℃/4850rpm 全負(fù)荷、196.7℃/5500rpm全負(fù)荷，CAE計(jì)算該處溫度約為193℃/4850rpm全負(fù)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(jì)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(shí)際缸體鼻梁區(qū)最高溫度應(yīng)該在200-230℃，低于機(jī)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(yàn)驗(yàn)證結(jié)論

在最高持續(xù)出水溫度115℃@5500rpm/全負(fù)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(jī)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(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)水套以及缸墊水孔的設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文研究測(cè)試，得到了某三缸直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)條件下鼻梁區(qū)各溫度點(diǎn)的分布情況，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋和缸墊設(shè)計(jì)及試驗(yàn)奠定經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：張玉林（1984-），安徽合肥人，本科，性能試驗(yàn)工程師，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)相關(guān)。endprint