缸蓋masking技術對發動機性能影響分析

葉鵬，趙帥，彭鎮

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230022）

前言

發動機燃燒室是發動機本體內燃料燃燒，并生成高溫燃氣的裝置。該裝置將燃料燃燒產生的熱能轉化為機械能。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域。壓縮比、滾流比/滾流強度、流量系數等設計參數均對發動機燃燒有影響，本文將通過對應用了masking技術的缸蓋進行發動機性能試驗分析，探討該技術對發動機燃燒產生的影響，形成分析結論。

1 Masking技術的設計分析

1.1 Masking技術的結構設計

Masking技術是一種擾動發動機進、排氣氣流，改變發動機燃燒室內氣流流動情況，從而改變發動機燃燒性能的一種缸蓋設計技術。其在氣道口的一側設計一個180o環岸，以改變進氣氣流的滾流強度。 下圖1和2給出了masking技術的結構設計和外觀效果。

圖1 不帶和帶masking技術的外觀差別

圖2 缸蓋氣道口結構設計（加masking技術）

注：a——氣門座圈高度 b——氣門座圈高度/2

s——masking缺口距離h——masking高度

1.2 Masking技術的應用原理

Masking 技術的應用，會對氣體的流動產生導向作用，特別是進氣口的 Masking，與進氣道形成一定弧度，會加強滾流，與排氣側的Masking一起，增強缸內滾流強度，但是會一定程度上降低流量系數。同時，排氣側的Masking會阻礙排氣的順暢程度，提升排氣阻力。進排氣的masking共同作用，使得缸內形成一個內部EGR循環，有利于燃油經濟性的降低。

從不同的工況分析，masking缸蓋主要具有以下兩個優點：部分負荷（圖3的左圖），因為masking缸蓋進氣口和排氣口的遮擋，對氣體形成節流效果，增加燃燒室內部流動，即提高缸內滾流比，有利于低速動力性的提升；進、排氣氣門重疊開啟時（圖3的右圖），masking對氣流形成節流效果，氣體從進氣口溢出量降低，缸內形成EGR循環，有利于燃油消耗量的降低。

圖3 帶masking技術的燃燒室內氣流流動示意圖

圖4 指示出了試驗缸蓋上masking技術所覆

蓋的區域，同時，需要關注的是，masking技術可能會造成燃燒室內“死區”的形成。綜上，Masking技術的效果需通過燃燒開發來驗證，故策劃如下試驗進行性能影響分析。

2 試驗方案策劃

使用江淮自產 2.0T+汽油發動機，進行如下驗證，分析Masking技術對發動機進氣和發動機燃燒性能的影響，最終分析對發動機動力性、經濟性、排放性帶來的影響。試驗采用帶有Masking技術的缸蓋和不帶Masking技術的缸蓋，匹配同一個發動機，進行對比分析，以下試驗內容均為針對分別匹配兩個缸蓋的試驗步驟。

2.1 前期準備

1）發動機的準備：調整發動機試制參數，將壓縮比控制在發動機設計壓縮比值(9.5±0.1)；進行發動機氣道、油道、水道的清洗，確保沒有明顯的金屬碎屑；缸蓋氣道結合面無劃痕，平整度良好；

2）發動機磨合

（1）磨合工況如圖5。發動機進行總計20小時的磨合，磨合工況共分三個階段，分別為低負荷、工況、中負荷工況和高負荷工況。磨合過程按照《磨合試驗規范》執行。

圖5 2.0T+發動機磨合工況圖

（2）樣機磨合完成后，進行“三漏”，確保發動機本體不漏水、漏氣、漏油。

2.2 發動機基本測量

（1）發動機泄氣量的測量，發動機各缸泄氣量處于較低范圍，且一致性偏差在 10%以內，方可進行后續試驗開發工作。

表1 發動機泄氣量評價標準

（2）發動機摩擦功的測量

將發動機安裝在試驗臺架上，并連接好進排氣系統、水恒溫系統、機油恒溫系統。將發動機發動機機油溫度穩定在100℃，用測功機反托發動機，從額轉速 5000rpm一直到1000rpm，每個工況點節氣門保持全開。

2.3 發動機工作邊界的確認

（1）進氣溫度穩定在（25±5）℃之間，濕度恒定在50%～70%之間；

（2）汽油溫度控制在（25±5）℃，進油壓力控制在（400±10）℃；

（3）冷卻液溫度控制在（25±5）℃，中冷后進氣溫度控制在（20～60）℃；

（4）排氣溫度控制在≤930℃，催化器中心溫度控制在≤950℃；

（5）增壓器葉輪轉速≤20W 轉/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準要求；

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氣道進行滾流比、流量系數的測量；

4）分別對缸蓋的四個排氣道進行流量系數的測量。

圖6 氣道試驗臺布置

5）匹配發動機進氣歧管，分別對缸蓋的四個進氣道進行滾流比、流量系數的測量。

2.5 發動機的燃燒性能試驗方案

1）轉速遞增的外特性試驗

調整ECU數據，使得發動機的動力性、經濟性、排放性滿足設計要求。

一般情況下，轉速步長為 400 r/min，最大轉速至少要比設計額定轉速高10%。

在扭矩突變的工況附近，轉速步長要適當減??；最大扭矩附近，轉速步長要適當減小。

2）部分負荷工況（2000 r/min @ 2bar及客戶需求的部分工況）性能試驗：

調整ECU數據，通過掃點和選點的方式，依據平均有效指示壓力的循環變動率（后簡稱 IMEP_COV），選擇最優的狀態。

發動機需在該工況的最優狀態下，至少穩定5min以上，測量次數不少于10次，每次測量時間不少于30s。

3 試驗結果及分析

3.1 發動機壓縮比

實測壓縮比在設計范圍內，樣機滿足試驗測試要求。

表2 壓縮比測量結果

3.2 發動機泄氣量

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，表明發動機各缸泄氣量正常，符合燃燒開發對樣機的需求標準。

表3 泄氣量測量結果

3.3 發動機摩擦功

2.0T+發動機在機油溫度為100℃的條件下，額定轉速摩擦功為24.64kW，對應的發動機功率為134.7kW，機械效率為84.54%。1000rpm～3600rpm的機械效率均在90%以上，發動機的性能良好。帶全附件，各轉速點摩擦功低于江淮自產2.0T（GD034）機型。

圖7 100℃時，發動機全負載狀態的反拖摩擦功

3.4 氣道試驗開發結果

3.4.1 進氣道的測量

從試驗結果看，masking缸蓋的滾流比較不帶 masking缸蓋的滾流比有所提升，滾流比可以達到1.96的均值，對于油氣的充分混合，和低端動力性的爆發有一定好處。Masking缸蓋的流量系數略微降低，但對于增壓機型來說，1%的降幅不會對動力性產生明顯影響。

表4 缸蓋氣道測試結果

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

圖8 進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masking的節流效應，造成帶masking技術的缸蓋的排氣道流量系數要比無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 排氣道流量系數對比

3.5 發動機臺架試驗開發結果

（1）總體評價

發動機使用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缸蓋燃油經濟性上與無masking缸蓋的差異微弱，部分負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都是非常有益的；

但也恰是節流作用，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計要求，在設計允許的范圍內，提升增壓壓力（如圖3.4），但受排溫和爆震系數的限制，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）經濟性

使用masking缸蓋的燃燒速率變快（圖3.5），理論上對經濟性有益，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；額定點的燃油消耗率有所降低，這與masking技術在中高速的節流效果有關，節流效果可以理解為增加了內部EGR率，對于降低油耗率是有一定幫助的；

部分負荷油耗率（2bar@2000rpm）降低約 1%，這與masking缸蓋在低負荷時對氣體形成節流效果是相輔相成的，因為masking技術增加了燃燒室內部流動，提高缸內滾流比，燃燒速率更快。

圖10 外特性區域燃油經濟性對比

（4）燃燒狀態

兩個缸蓋的爆震系數盡量保持一致，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缸蓋的燃燒穩定性（IMEPC）也要較無masking的缸蓋優異。如圖3.5，在爆震傾向（KP_PK）基本一致的狀態下，使用帶masking缸蓋的燃燒速率（A_I50）要快，且使用Masking缸蓋的燃燒穩定性相對較好。

圖11 燃燒性能對比結果

4 結論

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

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

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

（4）排氣氣道的masking設計增加了排氣阻力，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.汽車設計.[M]機械工業出版社 p174-190.

[2] 劉惟信.汽車設計.[M] 清華大學出版社 p431-482.

[3] 孫建新.內燃機構造與原理.[M]人民交通出版社P35-P112.