天然气发动机气缸盖冷热冲击试验方法研究

李徐东，吴宇波，李朝阳

(上海新动力汽车科技股份有限公司，上海 200438)

0 前言

天然气由于燃烧污染小、储量丰富等特点，被认为是传统汽车燃料的替代品之一，美国、德国、日本等国家都相继制订了天然气动力应用的发展规划。针对天然气发动机的燃烧和排放特性[1]、稀薄燃烧技术和天然气喷射技术[2]等，国内外学者展开了大量理论和试验研究。

目前，市场上大部分天然气发动机都是在现有柴油机平台上进行开发，而气缸盖作为柴油机的易损部件[3]，在周期性热机械负荷作用下，气缸盖内壁会出现裂纹，裂纹向外表面扩展最终导致缸盖失效[4-6]。吴飞等[7-8]通过仿真模拟气缸盖温度场，探究气缸盖火力面的热负荷分布，为发动机热机耦合分析提供了传热边界条件。Grieb等[9]研究了柴油机上不同材料气缸盖的热机械寿命预测模型。大部分文献只针对柴油机气缸盖失效进行探究，而对天然气发动机的气缸盖试验研究较少。

由于天然气发动机的缸内燃烧温度较柴油机更高，气缸盖会承受更大的热负荷，一般的可靠性试验方法无法充分评估天然气发动机气缸盖的开裂风险[10]。为此，本文在某型号天然气发动机气缸盖上加装热电偶传感器，分析冷热冲击耐久循环工况中气缸盖温度场的变化，以期为天然气发动机气缸盖冷热冲击耐久考核提供有效参考。

1 冷热冲击试验设计

目前，对于乘用车、商用车的水冷天然气发动机一般都采用《汽车发动机性能试验方法》(GB/T 19055—2003)中的可靠性试验方法进行零部件耐久考核[10]。可靠性试验方法包括负荷试验和冷热冲击试验，冷热冲击试验是考核发动机可靠性的重要方法，受到各大汽车厂商的重视[11]。

1.1 试验设计

冷热冲击试验设计如图1所示，其中实线表示油门全开。单个循环时间为6 min，共分为4个阶段。第1阶段，发动机通过自行加热，达到规定的冷却水出口温度tp(一般为发动机制造厂自行规定的温度)，并达到最大净功率转速np，此时油门全开；第2阶段，发动机转速下降至怠速ni，此时不加载负荷，持续15 s，期间冷却水出口温度自然上升；第3阶段，发动机停机15 s；第4阶段，发动机启动，不加载负荷，转速快速拉升到np或者高怠速nhi，直到单个循环结束。

图1 发动机冷热冲击工况示意图

在上述冷热冲击试验中，第1阶段(热冲击)以冷却水出口温度作为判定条件，由于气缸盖没有经过充分的加热，第2阶段和第3阶段的怠速和停机使得第4阶段(冷冲击)相对柔和，冷热冲击效果下降，因此本文通过改变试验工况中的冷却水温度和发动机转速，分析不同的冷热冲击工况下气缸盖关键位置的温度变化。

1.2 试验准备

试验采用的天然气发动机是基于某柴油机平台开发的，其主要技术参数见表1。

表1 发动机主要参数

试验发动机气缸盖材料为HT 280，在关键位置打孔安装热电偶传感器，共设置18个测点，如图2所示。其中：1号、15号测点在第1缸和第6缸火花塞孔附近，5号、14号测点在第2缸和第3缸排气阀座附近，3号、4号、6号、8号、10号、12号和17号测点分别在第1缸至第6缸的进、排气门桥间，9号、13号和18号测点分别在第3缸、第4缸和第6缸2个进气门桥间，2号、7号、11号和16号测点分别在第1缸、第3缸、第4缸和第6缸2个排气门桥间，测点到火力面垂直高度为5 mm。热电偶型号为KX191A-K-INC-1000-1.5，测量温度范围为-40～1 100 ℃，通过ETAS ES 620温度模块进行温度信号采集，采样频率为1 Hz。

图2 试验测点布置示意图

2 气缸盖温度场分析

2.1 稳态工况下气缸盖温度场分析

冷热冲击试验中冷却水出口温度决定了热冲击阶段的时间，为了研究不同的冷却水出口温度对发动机气缸盖温度的影响，选取冷却水出口温度为95 ℃和103 ℃时，测量稳态工况下气缸盖的各测点温度变化情况，如图3和图4所示。

图3 冷却水出口温度为95 ℃时各测点温度

图4 冷却水出口温度为103 ℃时各测点温度

由图3和图4可知，2种冷却水出口温度下气缸盖各测点在额定点1 900 r/min的温度均高于扭矩点1 400 r/min的温度，且随着转速下降气缸盖温度呈逐渐下降趋势。如图5所示，通过对比2种冷却水出口温度下气缸盖在额定点的温度差异可知，相同测点之间温度相差在4～8 K。在不同气缸的相同测点位置温度分布趋势相同，火花塞孔附近温度最高，其次是2个排气门桥间，而2个进气门桥间温度最低，其中第6缸火花塞孔附近温度与进气门桥间的温差达到了80 K，因此气缸盖内火花塞孔附近热应力最大，在评估气缸盖开裂风险时应当注意火花塞孔附近的缸盖状态。

图5 2种冷却水出口温度下气缸盖各测点温度的对比

当发动机额定点气缸盖温度高于扭矩点气缸盖温度，且冷却水出口温度较高时，气缸盖的各个测点温度达到最大值，因此在设计冷热工况的热冲击阶段使发动机达到额定点，并且在合理范围内提高冷却水出口温度可以达到最佳的热冲击效果。

2.2 不同冷冲击工况对气缸盖温度场的影响

由上文可知，不同缸内相同位置的测点具有相同的温度分布趋势，因此以发动机第1缸为例，探究标准冷热冲击试验工况，改变冷冲击阶段的发动机转速和冷却水出口温度等条件在低怠速和高怠速工况下进行冷热冲击试验，观察气缸盖温度场的变化规律。

2.2.1标准冷热冲击试验的气缸盖温度场分析

标准冷热冲击试验工况见表2，其中工况1(热冲击阶段)冷却水出口温度设定为103 ℃，工况1到工况2、工况2到工况3的转换在5 s内完成，工况3到工况4的转换在15 s内完成。

表2 标准冷热冲击试验工况

测点温度趋势图如图6所示。在工况1(热冲击阶段)随着冷却水出口温度的升高上述测点温度逐渐升高，最高可以达到260 ℃左右，在工况2、工况3下冷却水出口温度缓慢上升，但测点温度下降较快，测点的最低温度在135～140 ℃，在工况4(冷冲击阶段)，测点温度在160～170 ℃。由图6可知，在标准冷热冲击试验工况下温差可以达到100～150 K，在冷冲击阶段测点温度缓慢上升。

图6 标准冷热冲击试验工况下的测点温度变化

2.2.2低怠速冷热冲击试验的气缸盖温度场分析

标准冷热冲击试验工况是以冷却水出口温度、循环时间作为判别条件，热冷冲击阶段持续时间较短，而中间怠速和停机工况会使冷冲击效果降低，因此基于标准冷热冲击试验，提出了低怠速和高怠速冷热冲击循环工况，其中低怠速冷热冲击循环工况见表3。

表3 低怠速冷热冲击试验工况

当冷却水出口温度达到103 ℃以后，继续保持高转速高负荷状态直到气缸盖温度稳定之后，取消原来工况2、工况3的怠速及停机工况，将冷却水温度立即变为30 ℃进行低怠速冷却，直到气缸盖冷却到最低温度并保持一段时间。该工况下各测点的温度变化趋势如图7所示。

图7 低怠速冷热冲击试验工况下的测点温度变化

从图7可知，在气缸盖的温度稳定后立即开始降温后，测点温度下降较快，最低温度在60 ℃左右，测点的最高温度与最低温度之间的温差可达180～220 K，与标准的冷热冲击工况相比，低怠速冷热冲击工况的冷冲击效果明显。

2.2.3高怠速冷热冲击试验的气缸盖温度场分析

高怠速冷热冲击试验工况见表4，相比低怠速冷热冲击试验工况，高怠速冷热冲击试验工况在冷却阶段发动机保持高转速，冷却水出口温度设置为30 ℃。

表4 高怠速冷热冲击试验工况

该工况下各测点的温度变化如图8所示。对比低怠速冷热冲击试验工况可知，冷却水出口温度切换时测点温度下降较快，当测点温度稳定后维持在120～140 ℃，最大温差只有100～150 K。

图8 高怠速冷热冲击试验工况下的测点温度变化

综上所述，标准冷热冲击试验工况下的气缸盖温差只有100～150 K，并且状态维持时间较短，而高怠速冷冲击试验工况的冷冲击效果比标准冷热冲击工况要好，但其气缸盖温差仍然较小，而低怠速冷热冲击试验工况的冷冲击冷却效果明显，并且气缸盖温差可达180～220 K，这种温差对于天然气发动机气缸盖冷热冲击考核是比较合理的。

因此，低怠速冷热冲击试验相对于标准冷热冲击试验和高怠速冷热冲击试验更具考核意义，可以通过增大热冲击阶段冷却水出口温度或减小冷冲击阶段的冷却水出口温度来得到更大的冷热冲击温差。综合考虑试验循环时间，气缸盖在热冲击、冷冲击后的稳定时间为20～30 s，本文提出了建议工况，见表5。

表5 冷热冲击试验建议工况

3 结论

本文通过在天然气发动机气缸盖上安装热电偶，研究了冷热冲击试验工况下气缸盖的温度变化，并改变冷却水出口温度和发动机转速等参数，提出了低怠速冷热冲击工况和高怠速冷热冲击工况，分析这2种工况下气缸盖的温度变化差异，最终提出了比较合理的冷热冲击工况参数。

(1)发动机稳定在额定点工况下，火花塞孔附近温度最高，进气门桥间的温度最低，在评估气缸盖的开裂风险时应当注意火花塞孔附近的缸盖状态；冷却水出口温度在103 ℃时气缸盖温度较高，冷却水出口温度与气缸盖温度呈正相关，因此在合理范围内，增加冷却水出口温度可以提高冷热冲击试验工况下的热冲击效果。

(2)在标准冷热冲击试验工况下，1个循环内气缸盖最大温差在100～150 K，并且维持时间较短；在取消了标准冷热冲击试验工况下的怠速和停机工况后，高怠速冷冲击工况虽然冷冲击效果相比标准冷热冲击试验工况更好，但气缸盖温差仍较小；低怠速冷热冲击工况冷冲击冷却效果明显，并且气缸盖的温差可达180～220 K，此时的温差对于气缸盖冷热冲击考核是比较合理的，综合分析后提出了冷热冲击试验的建议工况。