小排量汽油機壓縮比的選取

夏天雷

（1.同濟大學汽車學院，上海200092；2.上海汽車商用車技術中心，上海200438）

小排量汽油機壓縮比的選取

夏天雷1,2

（1.同濟大學汽車學院，上海200092；2.上海汽車商用車技術中心，上海200438）

由發動機原理我們知道，隨著壓縮比的增大會使燃燒的熱效率提高，也可以使進氣效率提高，發動機的功率、扭矩增大，有效燃油消耗率降低，但同時也會增加未燃混合氣自燃的傾向。壓縮比過大，熱效率提高程度減慢，發動機燃燒粗暴，導致機件的機械負荷過大，排放污染嚴重。本文通過分析與試驗給出不同壓縮比對小排量汽油發動機的影響以及應用93號無鉛汽油的合理壓縮比的選取。

汽油機壓縮比試驗

1 引言

隨著我國經濟建設的發展，科學技術水平的不斷提高，汽車行業正在由引進國外技術國內生產逐步轉向自主研發階段。小排量發動機的研發過程中，通過大量的試驗得到了很多寶貴的試驗數據，積累了很多經驗。其中之一就是改變發動機的壓縮比，再加上點火時刻和空燃比的調整來獲得我們想要的發動機輸出性能特性，進而改善整車性能。

2 原理分析

壓縮比的定義就是發動機混合氣體被壓縮的程度，用壓縮前的氣缸總容積與壓縮后的氣缸容積（即燃燒室容積）之比來表示。壓縮比與發動機性能有很大關系，我們都知道汽油機在運轉時，吸進來的通常是汽油與空氣混合而成的混合氣，在壓縮過程中活塞上行，除了擠壓混合氣使之體積縮小之外，同時也發生了渦流和紊流兩種現象。當密閉容器中的氣體受到壓縮時，壓力是隨著溫度的升高而升高。若發動機的壓縮比較高，壓縮時所產生的氣缸壓力與溫度也相應提高，混合氣中的汽油分子能汽化得更完全，顆粒能更細密，再加上剛才所說的渦流和紊流效果和高壓縮比所得到的密封效果，使得在下一刻運動中，當火花塞產生火花時就能使得這混合氣在瞬間內完成燃燒的動作，釋放出最大的爆發能量，來成為發動機的動力輸出。反之，燃燒的時間延長，會耗費能量，并增加發動機的溫度而并非參與發動機動力的輸出，所以我們就可以知道，高壓縮比的發動機就意味著可具有較大的動力輸出[1]。

標準空氣循環（也叫做奧托循環）如圖1所示。奧托循環由4個過程組成，這4個過程構成一個閉合的循環。奧托循環基于下列假設：循環的工作介質是空氣，并將其看作是理想的氣體；壓縮過程1－2和膨脹過程3-4被看作是無摩擦的絕熱（無熱損失）過程；內部燃燒過程2-3的加熱用外部熱源的加熱來替代，在這個過程中，體積保持不變；排氣過程由定容放熱（回到初始溫度）來替代。盡管這些條件與發動機的實際情況明顯不同，但關于內燃機性能的熱力學分析還是給出了一些有用的提示，尤其在壓縮比的影響方面。

圖1 汽油機理論循環

內燃機原理中我們知道任何理論循環的經濟性可以用熱效率來評定。熱效率是轉變為循環凈功的熱量AWi與消耗全部熱量Q的比值

η=AWi/Q

式中，

A——功的熱當量，即單位功所相當的熱量

A=1/427

Wi——指示功

在理論循環中，除了損失熱量Qs外，沒有其他任何損失。因此，轉變為有用功的熱量AWi為Q與Qs的差值

AWi=Q-Qs

熱效率為

如圖1汽油機理論循環過程，汽油機符合定容理論循環模型。即，圖中2-3過程為定容加熱過程，燃料燃燒釋放的全部熱量Q為

Q=Gcv（T3-T2）

式中，

G——工作介質的質量

cv——工作介質的定容比熱

T2——壓縮終止介質溫度

T3——介質燃燒完成溫度

如上圖汽油機理論循環中4-1過程為定容放熱過程，理論下損失的熱量Qs為

Qs=Gcv（T4-T1）

T1——壓縮初始介質溫度

T4——膨脹做功后介質溫度

將Q和Qs代入熱效率公式，可得

η=1-Qs/Q=1-（T4-T1）/（T3-T2）

將壓縮初始時介質溫度表示其他各階段溫度

T2=T1εk-1

T3=T1εk-1λρ

T4=T1λρ

式中，

ε——壓縮比，V2/V1

K——絕熱指數

λ——壓力升高比，P3/P2

ρ——預脹比，汽油機符合定容理論循環模型，膨脹比為1

將各階段的溫度代入熱效率公式，可得

η=1-1/εk-1

由此可知，定容加熱循環的汽油機的熱效率，隨壓縮比ε和絕熱指數k的增大而增加。

平均指示壓力Pi

式中，

Vh——每缸工作容積。

由此可知，平均指示壓力Pi隨壓縮初始壓力P1和壓縮比ε及壓力升高比λ的增大而增加[2]。

3 提高汽油機壓縮比的主要方法

汽油機的熱效率和壓縮比之間呈非線性關系，兩者關系可用式η=1-1/εk-1表示。假設在k不變的情況下，可得圖2所示的曲線圖。當壓縮比較低時，隨壓縮比提高，熱效率提高很快，但壓縮比較高時，提高壓縮比的效果就很小了。

圖2 定容加熱時熱效率η與壓縮比ε的關系

同時，隨著壓縮比的增加，雖然燃燒加快，但是由于壓縮終了溫度升高，遠離火焰中心的末端混合氣自燃傾向增大，以致在火焰還未來得及傳播到整個燃燒室之前，便自行燃燒，形成爆燃。因此，為了提高汽油機的性能，就要根據對爆燃影響因素的分析，創造一定的條件，以便在爆燃傾向小的情況下，提高壓縮比。

提高壓縮比的方法主要有減小燃燒室的容積，包括磨削氣缸蓋、在燃燒室內增加固定物，使用較薄的氣缸墊等，還有改變活塞的形式，使活塞頭部與缸蓋圍成的燃燒室的容積減小。活塞是發動機中工作條件最嚴酷的零件，作用在上的有氣體力和往復慣性力，這些力都是周期性變化的，且其最大值都很大。燃燒室內的壓力可以達到14～16 MPa。活塞頂面與高溫燃氣直接接觸，使活塞頂的溫度很高，活塞的溫差很大。溫度高使活塞材料的機械強度顯著下降，使活塞的熱膨脹量增大，從而使活塞與其相關零件的正確配合遭到破壞。另外，由于冷熱不均所產生的熱應力容易使活塞頂面開裂。更換制造質量更高的活塞也可以提高活塞的強度、減小活塞的質量以減小活塞和氣缸間的摩擦力，可以使活塞抵御更大的燃燒壓力。往復運動會更順暢，在高負荷時間較長時，活塞的運行可以更可靠。

4 影響提高壓縮比的主要因素

汽油機不正常燃燒可分為爆震燃燒和表面點火2類。汽油機發生爆震燃燒時的外部特征是：氣缸內發生尖銳的金屬敲擊聲，亦稱之為敲缸。當出現輕微敲缸時，發動機功率上升，油耗下降；但發生嚴重敲缸時，則會造成冷卻系統過熱，功率下降，油耗上升，是一種極其有害的不正常燃燒。產生爆震燃燒的原因是在正常火焰傳播的過程中，處在最后燃燒位置上的那部分未燃混合氣（常稱為末端混合氣），進一步受到壓縮和輻射熱的作用，加速了先期反應。如果在火焰前鋒尚未到達之前，末端混合氣已經自燃，則這部分混合氣燃燒速度極快，火焰速度可達每秒百米甚至數百米以上，使局部壓力、溫度很高，并伴隨有沖擊波。汽油機發生爆燃時，缸內壓力沖擊波反復撞擊缸壁，發出尖銳的敲缸聲，嚴重時會破壞缸壁表面的附面氣膜和油膜，使傳熱增加，氣缸蓋和活塞頂溫度升高，冷卻系統過熱，汽油機功率減少，油耗升高，甚至還會造成活塞、氣門燒壞，軸瓦破裂，火花塞絕緣體破壞，潤滑油氧化成膠質，活塞環粘在活塞環槽內等故障。故汽油機不允許在嚴重爆燃的情況下工作。

燃料性能是影響爆燃的重要因素，汽油的主要性能有抗爆性、蒸發性和熱值。汽油的抗爆性是指汽油在發動機氣缸內燃燒時抵抗爆燃的能力，汽油的抗爆性與其化學成分有關。大量實驗表明，烷烴抗爆性最差，烯烴次之，環烷烴抗爆性較好，芳香烴抗爆性最好。汽油的牌號是以辛烷值來劃分的。通常有兩種辛烷值，一種是研究法辛烷值（RON），另一種是馬達法辛烷值（MON），它們的試驗條件和方法略有區別。對于同一汽油，研究法辛烷值大于馬達法辛烷值，兩者的差值稱為敏感度，它們和的一半稱為抗爆指數。車用汽油抗爆性我國在20世紀80年代后期開始采用研究法測定，并以辛烷值作為指標，辛烷值越低，爆燃的傾向越大，允許壓縮比越低。因此提高汽油的辛烷值是提高壓縮比與減小爆燃傾向的前提[3]。

5 壓縮比的試驗分析

試驗設備如圖3所示。采用AVL試驗設備，聯合汽車電子發動機控制系統，在上海汽車商用車技術中心動力總成開發部試驗科14號試驗室進行，試驗過程是在同一臺發動機上，排量為1.5L，通過改變活塞頂厚度先后制造出壓縮比為9.5∶1、10.2∶1、10.5∶1的發動機；使用93號無鉛汽油，保持同樣的空燃比的前提下先后不調整點火時刻和調整點火時刻至MBT點的扭矩進行測量。

圖3 發動機試驗臺架

圖4和圖5分別為壓縮比試驗結果。試驗結果按照ISO_1585標準進行修正。由試驗結果我們可以得出以下結論：

圖4 不同壓縮比發動機的外特性扭矩對比

（1）使用93號無鉛燃油，調整點火時刻使發動機達到MBT點的情況下，壓縮比10.5∶1的發動機的性能最高，比壓縮比10.2∶1發動機各轉速扭矩平均高出約1.3%，比壓縮比9.5∶1發動機各轉速扭矩平均高出約2.4%；對于國產93號無鉛汽油，小排量汽油機壓縮比選取10.5∶1較為合理。

圖5 不同壓縮比發動機的外特性點火角對比

（2）由于壓縮比10.5∶1發動機易產生爆燃的現象，為避免爆燃現象的產生，在點火時刻選取上需比壓縮比9.5∶1發動機點火時刻滯后5～6℃A。

1周龍保．內燃機學[M]．北京：機械工業出版社，2005．

2馬特A J，普林特M A．發動機試驗理論與實踐[M].宋進桂等，譯．北京：機械工業出版社，2009．

3蔡興旺．汽車構造與原理（上冊發動機）[M]．北京：機械工業出版社，2009．

Selection of Compression Ratio for Small Displacement Gasoline Engine

Xia Tianlei
（1.College of Automobile,Tongji University,Shanghai 200092,China; 2.SAIC Motor Commercial Vehicle,Shanghai 200438,China）

We know from the engine principle that with the increase of compression ratio,thermal efficiency and intake efficiency will improve,torque and power will increase and fuel consumption will decrease,but the tendency of self-ignition of unburned gas mixture will also increase.Thermal efficiency increase extent will slow down when the compression ratio is too high.Rough engine combustion will result in too high mechanical load on parts and serious pollution emissions.This paper gives influence of different compression ratios on small-displacement gasoline engines through analyses and tests.How to select a reasonable compression ratio for RON 93#is also explained in the paper.

gasoline engine,compression ratio,test

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.02.005

來稿日期：2012-03-16

夏天雷（1983-），男，大學本科，主要研究方向為內燃機臺架試驗。