彈性活塞對汽油機低負荷性能的影響

郭正陽 楊啟棟

摘 要：本文采用AVL-BOOST軟件，分析并計算傳統汽油機的工作過程和可變壓縮比彈性活塞汽油機在低負荷工況下的工作過程。同時，探討汽油機的負荷特性和低負荷工況下汽油機壓縮比提高對發動機動力性能和經濟性能的影響。

關鍵詞：汽油機;壓縮比;低負荷;經濟性能

中圖分類號：TH123+.3文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）32-0048-03

Abstract： In this paper， AVL-BOOST software was used to analyze and calculate the working process of traditional gasoline engine and the working process of variable compression ratio elastic piston gasoline engine under low load conditions. At the same time， the load characteristics of gasoline engines and the impact of increased gasoline engine compression ratios on engine power performance and economic performance under low load conditions were discussed.

Keywords： gasoline engine;compression ratio;low-load;economic performance

當前，汽油機主要應用于家用汽車中，就目前道路情況而言，汽車的實際行駛速度與其設計的理想工況相距較遠[1]。在市區，汽車基本處于低負荷運行狀態，因此有必要討論汽車在低負荷下的運行性能。目前，汽車的廢氣排放問題成為人們關注的焦點，如何降低汽油機廢氣中氮氧化物的含量變得日益重要。

汽油機在低負荷狀態下運轉時，其工況特性與在標定工況下的特性有明顯差別。低負荷運轉時，汽油機的耗油率會明顯較額定工況高，經濟性變差，同時其缸內燃料燃燒情況與額定工況不同。因此，要分析汽油機的低負荷排放性能，以降低有害物質的排放。在低負荷時，汽油機的機動性能變差，為保證其有良好的機動性能，人們要分析汽油機的平均有效壓力，探索改進方法。

壓縮比對汽油機的經濟性和動力性能有重要影響[2]。增大汽油機的壓縮比，可以提高汽油機壓縮終點的溫度和壓力，從而改善氣缸中燃料的燃燒狀況，提升汽油機汽缸中氣體的最高壓力和最高溫度，增大汽油機氣缸中氣體的溫度變化梯度，提升汽油機的熱循環效率，以改善其經濟性和動力性能。但是，在高負荷工況下，隨著汽油機氣缸中可燃氣濃度的增加，高壓縮比會導致爆燃概率上升，而爆燃會使汽油機性能急劇惡化。在較高負荷工況下，汽油機的負荷性能較為穩定，汽油機具有良好的經濟性和動力性能[3]。因此，在較高負荷下，不需要明顯提高壓縮比。

因此，本研究分析了可變壓縮比技術。它是指在高負荷工況下，汽缸壓力較高，致使彈性活塞發生變形，壓縮比減小，而在較低負荷工況下，壓縮比維持在較高值，這樣既提高了低負荷工況下的汽油機性能，又避免了高負荷工況下爆燃的發生。

1 可變壓縮比彈性活塞概述

可變壓縮比技術很早以前就已被人提出，其基本思想是通過改變發動機的燃燒室容積，達到改變壓縮比的目的[4]。其概念簡單，但由于各種原因，各種可變壓縮比技術方案都未能得到應用。近年來，可變壓縮比技術再次受到關注，很多公司已設計出可變壓縮比汽油機。可變壓縮比發動機通過可變壓縮比彈性活塞來改變活塞運動，調整自身的壓縮比。

彈性活塞結構如圖1所示，大致由活塞頂部、壓板、緊固件、彈性元件和活塞體組成。緊固件和活塞體之間采用螺紋連接，活塞頂部和壓板之間采用剛性連接。可變壓縮比彈性活塞的基本設計思路如下：彈性活塞的緊固件提供一定的預緊力，在燃燒過程中，氣缸內的氣體壓力通過活塞頂和壓板傳遞到彈簧上，當燃燒室內的氣體壓力大于緊固件提供的預緊力時，彈性元件形變增加，活塞頂部自動向下移動，讓出部分體積給氣體膨脹，使得燃燒室的容積變大，從而起到適當調整壓縮比的目的。

2 搭建發動機模型

AVL-BOOST是為建立發動機模型而開發的一套模擬程序。它不僅可以在設計階段預測發動機的穩態性能，還可以分析成型發動機的熱力學過程。發動機模擬圖如圖2所示。該模型包括4個氣缸（C1～C4）、4個噴嘴（I1～I4，代表混合器）、1個空氣清潔器（CL1）、1個催化器（CAT1）、10個限流閥（R1～R10）、4個容積腔（PL1～PL4）、2個系統邊界（SB1～SB2）、18個測量點（MP1～MP18）、34個連接管（1～34）和6個連接點（J1～J6）。

通過改變汽油機的壓縮比，得到同一負荷工況和不同壓縮比條件下汽油機的運行參數。在同一壓縮比下，改變空燃比和氣門進氣量，調整汽油機負荷，得到汽油機的負荷特性。原型汽油機的主要技術參數如表1所示。

3 低負荷工況下汽油機的經濟性

基于汽油機常用壓縮比范圍（6.0～12.0），本文選定討論的壓縮比為8.5、9.0、9.5、10.0、10.5。其間探究了低負荷工況下壓縮比對汽油機經濟性的影響，因此選用的負荷工況為10%負荷、25%負荷、50%負荷。壓縮比變化后的指示熱效率變化曲線如圖3所示，壓縮比變化后的指示燃油消耗率變化曲線如圖4所示，壓縮比變化過程中汽油機有效轉矩變化曲線如圖5所示。

4 結論

本文用AVL-BOOST軟件對汽油機進行建模和模擬計算，分析了汽油機的負荷特性和提高壓縮比后汽油機低負荷運行狀態的性能變化。由汽油機負荷特性分析得出（此時汽油機壓縮比為9.0），在汽油機負荷升高的過程中，汽油機的經濟性和動力性能逐漸提升，其在較高負荷工況下有較為良好的性能，而在低負荷工況下，汽油機性能較差，隨著負荷的減小，發動機性能逐漸惡化;壓縮比的提高可以有效提升汽油機低負荷工況的經濟性，汽油機經濟性的主要表現為有效燃油消耗率，在低負荷工況下，當汽油機壓縮比由8.5提高到10.5時，有效燃油消耗率降低約6%。在發動機運行過程中，彈性活塞可以改變發動機低負荷工況的壓縮比，提升發動機低負荷工況的經濟性。

參考文獻：

[1]武漢市城市綜合交通規劃設計研究院.交通發展年度報告[Z].2019.

[2]孟兆生.壓縮比對四行程內燃機性能的影響分析[J].內燃機，2001（2）：22-23.

[3]周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]林承伯，劉敬平，唐琦軍，等.一種可變壓縮比對汽油機性能的影響[J].內燃機工程，2015（6）：84-90.