关于某款三缸直喷汽油发动机鼻梁区温度测试的研究

张玉林+张大晴

摘 要：发动机的缸体和缸盖是内燃机中结构最复杂的构件之一，发动机在运转过程中常常发生鼻梁区部位产生疲劳裂纹失效，引起发动机不能正常工作的问题，本文主要结合某款三缸直喷汽油发动机对缸体缸盖鼻梁区温度进行实施测试，同时测量结果与CAE进行对比分析，评价缸体和缸盖以及缸垫设计是否满足实际发动机的使用要求。

关键词：缸体鼻梁区；缸盖鼻梁区；缸垫

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

0 引言

在对节能和环保要求日趋严格的今天，即使是多点燃油喷射也不能满足人们的要求，于是更为精准的燃油喷射技术诞生，那就是缸內直喷发动机。缸内直喷发动机可以实现缸内稀薄燃烧，燃烧效率提高，由此提升发动机效率，但是同时对发动机的各个零部件的要求也大大提升，比如缸体和缸盖鼻梁区位置设计。

本文通过实际测量鼻梁区各位置的温度，评价在极限条件下缸内燃烧温度通过传导到缸体和缸盖，确定是否达到材料承受的极限温度，同时检验发动机的冷却能力水套的设计以及缸垫水孔设计是否符合使用要求。

以下是针对某款三缸直喷发动机在台架试验进行缸体缸盖鼻梁区测试过程，及试验结果评价。

1 试验边界条件

1.1 发动机要求

（1）发动机装配前所有零部件尺寸公差必须符合图纸设计要求，拧紧力矩及相关间隙必须符合装配要求；

（2）除非开发工程师有特别要求，否则所有零部件必须为全新件；

（3）样机所用的冷却液和机油与生产状态一致，节温器保持全开。

1.2 设备要求

（1）功率、扭矩：误差不大于所测发动机最大扭矩的±0.5%，最大功率和最大扭矩大于发动机额定值的115%；

（2）转速：误差不大于所测值的±1%，最大转速大于发动机额定转速的130%；

（3）油耗仪：测量误差不大于所测量值的±0.5%；

（4）数据采集仪器：需要连续测量，测量频率不小于10Hz；

（5）冷却液恒温设备：冷却液的出口温度精确度控制在±5℃范围内；

（6）机油恒温设备：精确控制机油温度，控制误差在±2℃范围内；

（7）燃油恒温设备：柴油温度控制在33℃±5℃范围内，汽油温度控制在25℃±5 ℃；

（8）T分度（0～350℃）热电偶温度传感器20个，传感器测量频率大于10HZ。

1.3 传感器布置方案

（1）传感器安装位置均根据模拟计算CFD分析，确定发动机的最大温度分布。

（2）传感器的直径一般选用1.5mm±0.1，加工孔一般在1.65mm要求加工。缸盖共3个测量点，在机体鼻梁区上表面加工2个传感器，在缸体鼻梁区火力面下端70mm处同样加工2个测量传感器孔，发动机结构温度共布置7个温度传感器。

（3）传感器的探头需要和发动机的加工孔壁要充分接触，将传感器的测量端15mm处涂抹AB胶，将传感器插入φ1.6的孔中，等胶干以后，将表面整平。布置之前需要标定传感器测量精度。

（4）发动机装配之前要求将加工残留的铁屑清理干净，发动机按照正常的部件装配，上台架进行试验。

（5）传感器安装、密封处理，试漏并进行补漏处理。保证发动机在试验过程减少冲缸垫可能。

2 试验方法

2.1 试验要求

（1）将发动机装上台架，调整发动机安装角度和整车要求一致，布置整车冷却系统，如：散热器、暖风机等相关部件。

（2）将发动机的冷却系统装满冷却水，运转冷却水泵直到系统没有没有气泡。

（3）依据发动机台架试验：发动机磨合试验方法对发动机进行磨合。

（4）磨合试验后，进行发动机外特性测量，确保发动机性能（功率、扭矩）要在正常的范围之内，除试验开发工程师特殊要求除外。

（5）控制发动机出水温度TWO=115℃，发动机油门全开，发动机转速在SPEED（MAX）、5500、5000、4500…………1000r/min，发动机在各个工况需要将温度稳定后测量。

2.2 试验步骤

控制发动机出水温度为90℃，110℃和115℃（最高持续水温）发动机油门全开，发动机转速在SPEED（MAX）、5500、5000、4500…………1000r/min，发动机在各个工况需要将温度稳定后测量。

3 试验评价

（1）缸盖鼻梁区温度：试验中测量点在缸盖内部燃烧室表面约4mm处，当发动机出水为115℃时（最高持续温度），测得2缸排气侧温度最高，温度为187℃/4850rpm全负荷 、192℃/5500rpm全负荷，此处CAE分析结果约为175-190℃，实测值基本与CAE结果相符。

CAE分析缸盖排气侧鼻梁区金属表面温度最高温度为223℃/4850rpm全负荷，根据推算实际鼻梁区最高温度应该在170-230℃，低于铝合金缸盖的耐温极限260℃要求，缸垫设计以及缸盖水套冷却效果满足使用要求。

（2）缸体鼻梁区上侧：当发动机出水为115℃时（最高持续温度）

，测量得到1缸与2缸之间鼻梁区温度最高，温度为228.8℃/5500rpm全负荷，低于机油碳化极限温度240℃，缸垫设计以及缸体水套冷却效果满足使用要求。

缸体鼻梁区上侧温度均匀性良好，最大温差不超过5℃；试验测得温度为223.6℃/4850rpm全负荷 、228.8℃/5500rpm全负荷，均位于一缸和二缸之间，此处CAE分析结果约为193℃/4850rpm全负荷，实际测量数据高于与CAE分析结果，但趋势基本相符。

（3）缸体鼻梁区下侧：缸体鼻梁区下侧传感器距离火力面距离为70mm，当发动机出水为115℃时（最高持续温度），测量得到1、2缸之间鼻梁区温度最高，温度为193℃/4850rpm 全负荷、196.7℃/5500rpm全负荷，CAE计算该处温度约为193℃/4850rpm全负荷；1、2缸之间的鼻梁区温度与CAE分析结果基本相符， 2、3缸之间的鼻梁区温度略低于与CAE分析结果。

CAE计算缸体鼻梁区下侧最高温度应该在40mm处，最高温度为212℃， 根据推算实际缸体鼻梁区最高温度应该在200-230℃，低于机油碳化极限温度240℃要求，缸体水套冷却效果满足使用要求。

4 试验验证结论

在最高持续出水温度115℃@5500rpm/全负荷工况，缸盖鼻梁区2缸温度最高，3缸温度最低，最高温度约为230℃，低于铝合金缸盖的耐热极限260℃要求；缸体1、2#缸之间上侧鼻梁区温度最高，温度为228.8℃，低于机油碳化极限温度240℃要求；综上，缸体、缸盖鼻梁区温度满足材料承受极限温度要求，同时发动机水套以及缸垫水孔的设计满足试验要求。

5 结语

通过本文研究测试，得到了某三缸直喷汽油发动机稳态条件下鼻梁区各温度点的分布情况，为后续发动机缸体、缸盖和缸垫设计及试验奠定经验基础。

参考文献：

[1]张志沛.内燃机换气过程[J].汽车发动机原理（第三版），2011（03）.

[2]全兴信，李钟福（译）.内燃机性能测试.内燃机学[D].机械工业出版社，2015（10）.

[3]陈家瑞，马天飞等.排气机构[M].汽车构造（第五版上册），2012.

作者简介：张玉林（1984-），安徽合肥人，本科，性能试验工程师，主要研究方向：发动机试验相关。endprint