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发动机气缸盖热负荷测试的应用

2019-05-09 20:35:25·  来源:测控视界  作者:普创数据  
 
摘要:本文结合发动机气缸盖温度、功率、油耗等指标,通过燃烧参数对发动机气缸盖温度热负荷控制,进行了讨论,论述了一种综合多指标的评分来判断发动机气缸盖热
摘要:本文结合发动机气缸盖温度、功率、油耗等指标,通过燃烧参数对发动机气缸盖温度热负荷控制,进行了讨论,论述了一种综合多指标的评分来判断发动机气缸盖热负荷为边界条件的发动机气缸盖热负荷测试应用的方法,该方法可以提出关于气缸盖热负荷可靠性多指标综合判断的评判限值、可以分析得到影响气缸盖热负荷综合评判的燃烧参数主、次因素,及影响趋势。
 
关键字:发动机气缸盖;热负荷;测试;
 
发动机气缸盖开发过程中,其热负荷评价是一项非常重要的工作,为防止气缸盖热疲劳开裂,气缸盖开发会据不同缸盖材料给出明确的限值范围,也由此开展了大量的气缸盖测温工作。然而,影响气缸盖工作温度的因素较多,从以往经验可知,不仅燃烧室冷侧冷却水条件影响缸盖工作温度,热侧燃烧参数也直接影响气缸盖工作温度。通常气缸盖热疲劳开发,主要集中在气缸盖鼻梁区的结构设计方面,重点是组织好气缸盖鼻梁区冷侧条件,这往往忽略了热侧条件调整对气缸盖工作温度的优化,这方面的工作与发动机燃烧标定参数密切相关,为此称为气缸盖热负荷测试,目前还没有一种有效的方法。那么,气缸盖热负荷测试有没有意义?基本方法是什么?就此展开讨论。
 
一、研究对象
某公司在一项柴油发动机开发过程中,前期需要了解气缸盖工作温度,并评估气缸盖热疲劳可靠性。测温结果表明,发动机在额定功率工况下,第六缸排排鼻梁区温度最高,为此围绕此区域进行热负荷标定工作讨论。第六缸气缸盖测温设计见图1。
图1 第六缸气缸盖测温孔设计
上述设计条件下,气缸盖底板温度按下式计算,本文底板温度统称为缸盖温度。 缸盖底板温度(℃)=两测点温度差×3/5+3mm测点温度。
二、试验设计与讨论
此发动机设计形式为高压共轨、带EGR,因此主要热负荷测试参数包括:轨压、正时、喷油量、空燃比(此发动机EGR电控参数)。需要考虑标定的主要目标参数有缸盖温度、发动机扭矩(即功率)、油耗。常规全面试验量太大,为此采用正交试验设计。
正交试验设计
热负荷测试为四个主要因素,考虑初期标定结果与安全性,各考虑3个水平,正交试验为L9(34),即9次试验。四个因素不存在交互,所以正交试验表设计见表1。
表1 正交试验表
发动机缸盖热负荷测试试验方案见表2。
表2 发动机气缸盖热负荷测试试验方案
试验结果与讨论
本发动机是一台全新开发的发动机,早期考虑到安全性,初期阶段设计目标为:额定点1800r/min-1250Nm(即:约235kw),油耗47.6kg/h,缸盖允用温度320℃。
发动机在上述试验方案下,控制发动机转速为1800r/min、95℃出水温,在调整各控制参数工况稳定后,主要测试目标参数试验结果见表3。
表3   试验结果
可见,在设计的轨压、正时、喷油量、空燃比标定参数范围内,气缸盖温度有38.8℃的变化范围,并在气缸盖允用温度限值上下波动,在发动机动力性、经济性重要指标的确定过程中,缸盖温度的热负荷可靠性评判,可以成为一个重要边界。现就缸盖温度可靠的前提下,对确定扭矩、油耗等多指标的评价进行讨论,以下对此进行综合分析。
据上述发动机初期设计目标,我们设定表4所示的综合评分方法。其中这里定义的“单位值”、“评分方法”是为讨论提出的一个建议方法;其中扭矩20是假设400N(20×20)的上限,方便记录为正分;对应缸盖温度、扭矩、油耗给出0.8、0.15、0.05的权重系数。由此,评分越高,水平越佳。
表4 气缸盖热负荷标定综合评分方法
据以上评分方法,对表3试验结果进行综合评分,并运用正交试验结果分析方法(1)对综合评分进行分析,得到结果见表5。
表5 多指标综合评分结果
综合评分是一个试验对应各因素评分之和。对上述综合评分分析,低于20分的e、g、i试验时,缸盖温度皆超过或临近允用温度。可以作为一个以缸盖热负荷为主的评判限值。综合平均分为22.2,说明该发动机本项试验中调整的燃烧参数范围内,缸盖热负荷可靠性有一定的保障。
另外,上述K值为各水平在各因素试验综合评分之和,k值为综合评分之和除以水平数量,R值为各因素对应k值最大值与最小值之差。从R值可见,在本试验燃烧参数调整范围内,喷油量参数是缸盖温度、扭矩、油耗目标达成最关键的因素,轨压与空燃比是次要因素,正时是最次要因素。
对k值图示见图2,可见,同样在本试验燃烧参数调整范围内,随着各燃烧参数的增加,轨压、喷油量、空燃比对综合评分的影响都呈现单调影响,正时对综合评分的影响呈现非单调影响。总体上轨压越低、正时越小、喷油量越小、空燃比越大,则综合评分越高,即越有利于发动机气缸盖热负荷控制。
注:各因素A-轨压 B-正时 C-喷油量 D-空燃比 1、2、3为各因素水平
图2 发动机气缸盖热负荷测试综合指标分析

三、结论
通过结合发动机气缸盖温度、功率、油耗等指标,利用发动机轨压、正时、喷油量、空燃比等燃烧参数,对发动机气缸盖温度-热负荷测试方法的讨论,可以得到
以下主要结论:
1) 综合多指标的评分来判断发动机气缸盖热负荷为边界条件的发动机气缸盖热负荷测试,是一项对发动机气缸盖可靠性控制非常有意义的工作;
2) 发动机热负荷测试方法,可以提出多指标综合判断的评判限值,可以分析得到影响气缸盖热负荷综合评判的燃烧参数主、次因素,及影响趋势。
发动机气缸盖热负荷试验测试,对气缸盖热负荷控制具备相当的意义,测试工作可以在发动机早期试验开发过程中通过气缸盖热负荷边界来指导发动机性能标定工作,为发动机早期开发中判断缸盖热负荷风险提供条件,从而为缸盖设计改进、性能标定边界提供判据,这些将发动机可靠性设计与性能标定统一到正向开发的工作当中,实现发动机气缸盖高效、高质量的开发。当然,发动机试验测试工作是一项复杂工程,结合发动机气缸盖热负荷的测试试验工作还需有更加深入与全面的研究。
 
参考文献
 [1] 白新桂.数据分析与试验优化设计.北京.清华大学出版社.1986 
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