不同壓縮比對兩缸發動機性能影響的試驗研究

馬傳京，任全水，朱云峰，孫程龍，田志松

寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

隨著國六排放的標準實施，對于乘用車油耗的要求越來越低[1]，同時電氣化混動車型對于發動機的熱效率要求越來越高。兩缸發動機作為高效驅動系統的動力部分，有其獨特的優勢，發動機橫向寬度小，為其他電氣件安裝留出空間?，F階段各大主機廠都為高效發動機投入大量人力和物力進行研究[2]，但是對于兩缸四沖程汽油機的研究較少，由于技術原因對高壓縮比兩缸四沖程汽油機的研究更少。

壓縮比是前期發動機熱力學開發過程中很重要的參數[3]，壓縮比的選擇往往決定著發動機性能指標能否達到的關鍵因素。本文著重研究了不同壓縮比對兩缸發動機性能的影響。

1 壓縮比對發動機性能的影響

1.1 壓縮比定義

壓縮比為發動機氣缸總容積和燃燒室容積的比值，計算公式為：

ε=V1/V2

(1)

式中：V1為活塞下止點時的缸內最大容積;

V2為活塞上止點時的缸內最小容積;

ε為發動機壓縮比。

一般情況下壓縮比代表著發動機的物理性質，影響壓縮比的主要零部件有活塞、活塞環、氣缸蓋和缸體。

圖1為活塞上下止點示意。

圖1 活塞上下止點示意

1.2 壓縮比對性能的影響

壓縮比是影響發動機熱效率的重要參數之一，對于常規汽油機壓縮比為6～13來說，壓縮比越大，熱效率越高，但對于高壓縮比來說，壓縮比為16～18的汽油發動機，會伴隨著強烈爆震，即使有廢棄再循環系統(exhaust gas recirculation,EGR)也會存在。強烈爆震會損壞發動機[4-5]，所以壓縮比帶來的熱效率收益要和發動機爆震之間做一個均衡選擇。本文通過試驗研究一種兩缸高壓縮比發動機來實現高熱效率。

2 試驗研究

本文以某款高效率兩缸1.5 L排量發動機作為研究對象，按照GB/T 18297—2001 汽車發動機性能試驗方法進行，利用INCA軟件來控制發動機ECU運行。

2.1 發動機信息

汽油型號為92#，機油型號為殼牌0W-20，發動機基本參數見表1。

表1 發動機基本參數

2.2 試驗設備信息

性能試驗所用設備如下：臺架控制系統型號為AVL PUMA;測功機型號為ASM 600/4-10;油耗儀型號為7351 CST;燃油溫控型號為753CH;燃燒分析儀型號為AVL 483。

2.3 試驗方法

本文根據熱力學開發方法，選取兩種壓縮比方案分別為CR17和CR18，同時進行2 000 r/min、0.2 MPa和BTE(brake thermal efficiency)點掃點，其中包含進排氣(VVT)、點火角、軌壓、噴油時刻和EGR掃點。兩種壓縮比方案都達到各自工況下的最優燃燒狀態。

主要步驟如下：

(1)發動機按照要求進行磨合。

(2)在2 000 r/min、0.2 MPa和BTE點分別進行VVT、點火角、軌壓、噴油時刻和EGR掃點。

(3)掃點完成后，確認各個參數，進行2 000 r/min、0.2 MPa和BTE復測。

2.4 試驗條件

對CR17和CR18的試驗進氣溫度、試驗大氣壓力以及試驗空氣溫度進行對比分析，結果如圖2至圖4所示。由圖可知，進氣溫度、大氣壓力和空氣濕度基本保持一致，滿足試驗要求。

圖2 CR17和CR18的試驗進氣溫度對比結果

圖3 CR17和CR18的試驗大氣壓力對比結果

圖4 CR17和CR18的試驗空氣濕度對比結果

2.5 試驗結果分析

汽車在實際道路運行過程中往往只在小負荷區域運行，2 000 r/min、0.2 MPa工況常被作為實際運行過程小負荷代表，決定著汽車的實際油耗。如圖5所示，以發動機壓縮比CR17在2 000 r/min油耗為基準,小負荷特征油耗下CR17油耗要優于CR18。

圖5 2 000 r/min、0.2 MPa工況下的特征油耗點對比

AI50值往往代表著燃燒性能的指標。由圖6可知，在相同的爆震邊界下，CR17的AI50值比CR18值小，燃燒更提前，也更充分。

圖6 2 000 r/min、0.2 MPa工況下的平均AI50值對比

BTE的大小往往代表著這款發動機的最高熱效率，由圖7可知，在相同的爆震邊界下，CR18的BTE油耗比CR17油耗要高3.4%，壓縮比CR17相對于CR18熱效率要高。同樣由圖8可知，BTE的平均AI50值CR17要比CR18的值小，燃燒提前了0.7 ℃A。

圖7 BTE的特征油耗對比

圖8 BTE的平均AI50值對比

3 結論

(1)從試驗結果來看，在試驗條件一致的情況下，小負荷2 000 r/min、0.2 MPa特征油耗和BTE點油耗對比，CR17要優于CR18。在VVT角度、噴油相位、點火角、軌壓和EGR均已達到最優燃燒狀態下，CR17熱效率更高。從2 000 r/min、0.2 MPa和BTE的平均AI50值分析，壓縮比CR17的燃燒比CR18提前，燃燒更加充分。

(2)壓縮比增大，爆震傾向也增大。此次試驗研究，壓縮比從17增大到18，發動機熱效率減小，發動機壓縮比提高到18爆震明顯增強，即使在EGR全部利用上也無法達到最優燃燒狀態。說明增大發動機壓縮比帶來的收益沒有爆震增強帶來的損害大，選擇壓縮比為17時熱效率更高。