直噴增壓汽油機(jī)采用高壓縮比技術(shù)的研究

廖麗平，謝曉倩

（1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程系，四川 德陽 618000；2. 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程系，四川 成都 610399）

直噴增壓汽油機(jī)采用高壓縮比技術(shù)的研究

廖麗平1，謝曉倩2

（1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程系，四川 德陽 618000；2. 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程系，四川 成都 610399）

通過在1.3L直噴增壓汽油機(jī)上，采用兩種不同的高壓縮比進(jìn)行試驗(yàn)，研究泵氣損失變化規(guī)律和對(duì)熱效率的影響。在轉(zhuǎn)速2500rpm-8bar工況下，采用可變氣門正時(shí)技術(shù)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)有效壓縮比和膨脹比。結(jié)果表明：高的有效壓縮比，必須加大節(jié)氣門開度來減少節(jié)流損失，以降低泵氣損失；利用高壓縮比并采取進(jìn)氣門晚關(guān)、排氣門晚開的策略的同時(shí)，需要兼顧到燃燒穩(wěn)定性問題；幾何壓縮比提高以后，發(fā)動(dòng)機(jī)不僅熱效率得到提升，同時(shí)排放物NOx也在降低，但THC排放有所上升。

高壓縮比；VVT；泵氣損失；熱效率

CLC NO.: U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)06-20-03

1、試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)一臺(tái)1.3L直噴增壓汽油機(jī)，進(jìn)、排氣雙VVT，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

實(shí)驗(yàn)過程中通過INCA標(biāo)定軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油時(shí)刻、軌壓、點(diǎn)火時(shí)刻、進(jìn)氣門關(guān)閉角、排氣門開啟角等進(jìn)行控制，試驗(yàn)在AVL電力測(cè)功機(jī)上進(jìn)行，安裝火花塞式缸壓傳感器，采用燃燒分析儀進(jìn)行燃燒放熱數(shù)據(jù)的采集。

1.2 試驗(yàn)方法

在對(duì)高壓縮比活塞進(jìn)行試驗(yàn)之前，首先需對(duì)原機(jī)進(jìn)行性能摸底試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)、排氣VVT，噴油相位和噴油壓力等參數(shù)，最為重要的是調(diào)節(jié)點(diǎn)火時(shí)刻保證燃燒重心A150（燃燒累計(jì)放熱50%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角）在8°CA.ATDC附近，使得燃油做功效率最高、油耗最佳，本文以工況2500rpm-8bar為試驗(yàn)點(diǎn)，研究高壓縮比對(duì)直噴汽油機(jī)燃耗特性的影響，選取兩種高壓縮比活塞12和13進(jìn)行VVT正交試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)點(diǎn)火正時(shí)，在不發(fā)生爆震的情況下，每個(gè)正交點(diǎn)對(duì)應(yīng)A150均為8°CA.ATDC左右，使得數(shù)據(jù)結(jié)果具有可比較性。在恒扭模式下，進(jìn)、排氣VVT正交步長(zhǎng)為10°CA。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同壓縮比泵氣損失分析

換氣過程中必然伴有泵氣損失，其中節(jié)流損失最為嚴(yán)重，為減少此部分損失，可通過提高進(jìn)氣壓力加以實(shí)現(xiàn)，以2500rpm-8bar工況為例，從圖2可以看出，在相同配氣相位的情況下，壓縮比為12、13對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣壓力均比原機(jī)要高，且隨著壓縮比的提高，進(jìn)氣壓力相應(yīng)增加，在同種壓縮比情況下，固定進(jìn)氣門開啟相位IVO，隨著排氣門關(guān)閉相位EVC的推遲，進(jìn)氣壓力逐步升高，結(jié)合圖1分析，對(duì)應(yīng)泵氣損失降低，但圖中顯示，在進(jìn)氣壓力升高梯度增大時(shí)，對(duì)應(yīng)的泵氣損失降低幅度逐步減小。固定排氣門關(guān)閉相位，推遲進(jìn)氣門開啟相位，即進(jìn)氣門往后推遲關(guān)閉，部分已進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮空氣可能回流，越往后推遲，回流現(xiàn)象越為嚴(yán)重，導(dǎo)致進(jìn)氣歧管壓力升高，且壓力升高梯度也隨之增大，對(duì)應(yīng)泵氣損失同步降低，此現(xiàn)象可從圖2得出。不同壓縮比，進(jìn)氣壓力和泵氣損失隨進(jìn)、排氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的變化趨勢(shì)基本類似。但從圖1可以得知壓縮比的提高有助于降低泵氣損失。

從圖3可以看出，進(jìn)氣壓力的升高不僅得益于配氣相位的改變，同時(shí)也受節(jié)氣門開度增大的影響。兩種壓縮比在相同進(jìn)、排氣門配氣相位的情況下，節(jié)氣門開度均比原機(jī)要略高，直接導(dǎo)致泵氣損失的降低。相同壓縮比下的節(jié)氣門開度隨配氣相位的趨勢(shì)基本與進(jìn)氣壓力相同，直接說明節(jié)氣門和進(jìn)氣壓力存在相關(guān)性。

由于此工況下，更換壓縮比前后時(shí)的過量空氣系數(shù)λ=1，所以若要保持輸出扭矩不變，其進(jìn)入缸內(nèi)參與燃燒的新鮮空氣量相近。從圖2、3可以看出，隨著壓縮比的提高，節(jié)氣門開度和進(jìn)氣壓力均比原機(jī)要高，表明發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣沖程中被吸入缸內(nèi)的空氣量比原機(jī)要多。但從燃油消耗率來看，高壓縮比對(duì)應(yīng)參與燃燒的空氣量反而要小。因此，說明有部分新鮮空氣在壓縮沖程被反推回進(jìn)氣道，導(dǎo)致進(jìn)氣壓力較原機(jī)偏高。

另外，圖中顯示壓縮比越高，被反推回來的空氣越多，回流現(xiàn)象越嚴(yán)重，進(jìn)氣壓力相對(duì)越高。為了保證吸氣沖程內(nèi)進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮空氣足夠多，所以節(jié)氣門開度、進(jìn)氣壓力和泵氣損失有前因后果的關(guān)系。

2.2 燃燒特性

如圖5所示，2500rpm_8bar工況下，不同壓縮比對(duì)應(yīng)的進(jìn)排氣相位對(duì)燃燒持續(xù)期的影響較大（圖中對(duì)燃燒持續(xù)期的定義為燃油90%累計(jì)放熱時(shí)刻與10%累計(jì)放熱時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角之差）。以圖4壓縮比12為例，隨排氣門EVC推遲關(guān)閉，燃燒持續(xù)期逐漸增大，但隨進(jìn)氣門IVO提前開啟，整體上燃燒持續(xù)期卻是逐漸減小的趨勢(shì)。

首先分析排氣門相位對(duì)燃燒持續(xù)期的影響，當(dāng)排氣門推遲關(guān)閉時(shí)，氣門重疊角變大，缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)隨之增大（廢氣回流效應(yīng)增強(qiáng)），對(duì)缸內(nèi)混合氣起到稀釋作用，減緩火焰的傳播速度，故而燃燒持續(xù)期加長(zhǎng)。但當(dāng)進(jìn)氣門提前開啟時(shí)，氣門重疊角也逐漸增大，而燃燒持續(xù)期反而減小，與此現(xiàn)象似乎矛盾。其實(shí)影響持續(xù)期長(zhǎng)短還有另一個(gè)因素，是壓縮終點(diǎn)對(duì)應(yīng)油氣混合氣溫度和壓力的高低。進(jìn)氣門提前開啟意味著提前關(guān)閉，對(duì)缸內(nèi)混合氣壓縮程度變強(qiáng)，點(diǎn)火前溫度提高壓力變大，利于縮短燃燒持續(xù)期。所以燃燒持續(xù)期隨進(jìn)氣門相位的變化必定會(huì)存在拐點(diǎn)，圖4便可以反映出這一現(xiàn)象。如圖中兩種壓縮比對(duì)應(yīng)IVO-35°CA.ATDC為拐點(diǎn)位置。另外，在整個(gè)排氣VVT動(dòng)作范圍內(nèi)，同一進(jìn)氣相位下的燃燒持續(xù)期相差4-5°CA左右。

如上圖所示，在排氣門關(guān)閉相位25°CA.ATDC之前，燃燒持續(xù)期隨進(jìn)氣門提前開啟均呈減小的趨勢(shì)，且壓縮比12較壓縮比13的燃燒持續(xù)期要小2°CA左右。圖中MEP(Most Efficiency Point)表示熱效率最高點(diǎn)，即VVT正交試驗(yàn)過程中燃油消耗率最小對(duì)應(yīng)的相位點(diǎn)。從兩種壓縮比的MEP點(diǎn)可以看出，相比原機(jī)配氣相位，油耗最佳的點(diǎn)均處于排氣門開啟較為推遲的相位，意味著做功行程較長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)膨脹功比原機(jī)要大。從進(jìn)氣相位來看，壓縮比13最為推遲關(guān)閉，有效壓縮比最低；而壓縮比12較壓縮比13要提前關(guān)閉，但與原機(jī)相比，依然較遲。因此，隨著幾何壓縮比的升高，進(jìn)氣門關(guān)閉相位越推遲，進(jìn)氣回流效應(yīng)越明顯，對(duì)應(yīng)泵氣損失越低，但排氣相位要適當(dāng)提前開啟，減少內(nèi)部EGR率，降低燃燒不穩(wěn)定性傾向，此現(xiàn)象如圖5所示。故采用高壓縮比，利用進(jìn)氣門晚關(guān)、排氣門晚開的策略有助于油耗的降低。

如圖5所示，兩種壓縮比下的循環(huán)波動(dòng)率隨進(jìn)氣相位提前開啟呈逐漸減小的趨勢(shì)，也就是說，進(jìn)氣門關(guān)閉越晚，燃燒越不穩(wěn)定。這主要是因?yàn)橛行嚎s程度低，對(duì)應(yīng)壓縮上止點(diǎn)的溫度和壓力也相應(yīng)降低。進(jìn)一步分析，從圖5a可以看出，隨著排氣門推遲開啟，循環(huán)波動(dòng)也相應(yīng)增大，但增大梯度較進(jìn)氣門的影響要小。從提高燃油經(jīng)濟(jì)性的因素考慮，循環(huán)波動(dòng)越小越有助于降低燃耗。因此，針對(duì)利用高壓縮比并采取進(jìn)氣門晚關(guān)、排氣門晚開策略的同時(shí)，需兼顧到穩(wěn)定性問題，此工況將COVimep控制在3%范圍內(nèi)。

為了綜合說明進(jìn)、排氣門相位對(duì)油耗的影響，將處理結(jié)果如圖6所示。兩種壓縮比的指示熱效率隨有效膨脹比增大均呈提高的變化趨勢(shì)，而隨有效壓縮比的變化，指示熱效率改變不太明顯。從整體上來看，油耗較佳的點(diǎn)對(duì)應(yīng)有效膨脹比均比有效壓縮比要高，且壓縮比13較壓縮比12的指示熱效率稍高。進(jìn)一步結(jié)合MEP數(shù)據(jù)分析，盡管壓縮比13 的循環(huán)波動(dòng)率較大，但對(duì)應(yīng)的泵氣損失降低幅度更大，導(dǎo)致高壓縮比下的燃油經(jīng)濟(jì)性反而更好。如果保持有效壓縮比在6.5附近，提高有效壓縮比，指示熱效率可達(dá)到最大值36%，較原機(jī)提高3%以上。

2.3 排放結(jié)果分析

圖7為2500rpm-8bar兩種壓縮比下的MEP點(diǎn)與原機(jī)油耗和排放結(jié)果情況。壓縮比12和壓縮比13油耗接近，但較原機(jī)約降低5%。由于壓縮比13有效壓縮程度較低，降低了壓縮終點(diǎn)的溫度，對(duì)應(yīng)NOx排放較原機(jī)下降62%，THC排放上升39%左右，而壓縮比12排放結(jié)果在兩者之間。

3、結(jié)論

1、有效壓縮比越高，被反推回來的空氣越多，回流現(xiàn)象越嚴(yán)重，進(jìn)氣壓力相對(duì)越高。為了保證吸氣沖程內(nèi)進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮空氣足夠多，必須加大節(jié)氣門開度來減少節(jié)流損失，因此泵氣損失隨之降低。

2、進(jìn)氣門關(guān)閉越晚，由于有效壓縮程度低對(duì)應(yīng)壓縮上止點(diǎn)的溫度和壓力也相應(yīng)降低，燃燒越不穩(wěn)定，而隨著排氣門推遲開啟，循環(huán)波動(dòng)也相應(yīng)增大，但增大梯度較進(jìn)氣門的影響要小。針對(duì)利用高壓縮比并采取進(jìn)氣門晚關(guān)、排氣門晚開的策略的同時(shí)，需要兼顧到燃燒穩(wěn)定性問題。

3、幾何壓縮比提高以后，相對(duì)原機(jī)不僅熱效率得到提升，同時(shí)對(duì)應(yīng)排放物NOx也在降低，但THC排放有所上升。

[1] 秦靜，李云龍等.進(jìn)氣門晚關(guān)與高壓縮比技術(shù)在汽油機(jī)上的應(yīng)用[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版），2014，47（11）：1008-1016.

[2] 胡順堂，謝輝等.可變進(jìn)氣門升程對(duì)汽油機(jī)泵氣損失的控制及對(duì)燃燒過程的影響[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2011，17（1）：29-34.

[3] 王家盛，許敏等.進(jìn)氣門晚關(guān)策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和碳煙排放的影響[J]，車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2014，3（212）：21-24.

[4] 劉福水，尚勇等.進(jìn)氣門關(guān)閉角度對(duì)內(nèi)燃機(jī)換氣過程的影響規(guī)律研究[J]，內(nèi)燃機(jī)工程，2013，34（6）：52-57.

Study on High Compression Ratio in Direct Injection Turbocharged Gasoline Engine

Liao Liping1, Xie Xiaoqian2
（1. Transportation and Municipal Engineering Department in Sichuan College of Architectural Technology, Sichuan Deyang 618000; 2. Railway Engineering Department in Sichuan College of Architectural Technology, Sichuan Chengdu 610399 )

Based on direct injection 1.3 L turbocharged gasoline engine, this paper studies the change regulation of pumping loss and its influence on thermal efficiency by adopting two different kinds of high compression ratio experiment. Under the condition of the speed of 2500rpm-8bar, the experiment adopts variable valve timing technology to adjust engine effective compression ratio and expansion ratio. The results indicate that it is necessary to increase the throttle opening to reduce the throttling loss with the high effective compression ratio, for the purpose of reducing pumping losses . Meanwhile, it needs to take the combustion stability into account when taking the late intake valve closing and the exhaust valve late opening strategy by using high compression ratio. After the improvement of the engine compression ratio, not only the the thermal efficiency has been improved, but it also results in the decrease in NOx emission. However, the THC emission increased to some extent.

high compression ratio; VVT; pumping loss; thermal efficiency

U461.2

A

1671-7988(2015)06-20-03

廖麗平，助教，碩士，從事汽車專業(yè)的教學(xué)工作。