缸盖masking技术对发动机性能影响分析

摘 要：首先论述了缸盖对发动机性能的重要性，介绍了应用在缸盖上的一种新技术——masking技术，通过理论进行该技术的应用结果分析。并进行试验策划，通过试验测试和数据分析，确认该技术的效果和特点，形成产品应用结论。

关键词：缸盖；masking技术；动力性；经济性

中图分类号：U463.8 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）03-110-04

Influence analysis of cylinder head masking technology on engine performance

Ye Peng， Zhao Shuai， Peng Zhen

（ Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd， Anhui Hefei 230022 ）

Abstract： This paper firstly discusses the importance of cylinder head to engine performance， introduces a new technology——masking technology applied to cylinder head， and analyzes the application result of this technology through theory. And test plan， through the test and data analysis， to confirm the effect and characteristics of the technology， forming product application conclusions.

Keywords： masking technology； cylinder head； power performance； efficiency

CLC NO.： U463.8 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）03-110-04

前言

發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。

a）不带masking技术 b）带masking技术

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。

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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

4 结论

（1）masking缸盖的进气道滚流比较无masking缸盖的有所提升，表现在发动机的低速动力性（@1000rpm）有6.7%的提升；

（2）masking缸盖的燃烧稳定性相对较好，masking技术形成的缸内EGR对排放的影响没有明显表征，排放无明显恶化；

（3）Masking缸盖在部分负荷油耗率有1%的降低，对外特性工况的燃油经济性无明显影响；

（4）排气气道的masking设计增加了排气阻力，加大泵气损失，建议去除或部分去除排气气道的masking。

参考文獻

[1] 王望予.汽车设计.[M]机械工业出版社 p174-190.

[2] 刘惟信.汽车设计.[M] 清华大学出版社 p431-482.

[3] 孙建新.内燃机构造与原理.[M]人民交通出版社P35-P112.

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