直喷增压汽油机采用高压缩比技术的研究

廖丽平，谢晓倩

（1.四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川 德阳 618000；2. 四川建筑职业技术学院铁道工程系，四川 成都 610399）

直喷增压汽油机采用高压缩比技术的研究

廖丽平1，谢晓倩2

（1.四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川 德阳 618000；2. 四川建筑职业技术学院铁道工程系，四川 成都 610399）

通过在1.3L直喷增压汽油机上，采用两种不同的高压缩比进行试验，研究泵气损失变化规律和对热效率的影响。在转速2500rpm-8bar工况下，采用可变气门正时技术调节发动机有效压缩比和膨胀比。结果表明：高的有效压缩比，必须加大节气门开度来减少节流损失，以降低泵气损失；利用高压缩比并采取进气门晚关、排气门晚开的策略的同时，需要兼顾到燃烧稳定性问题；几何压缩比提高以后，发动机不仅热效率得到提升，同时排放物NOx也在降低，但THC排放有所上升。

高压缩比；VVT；泵气损失；热效率

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

1、试验设备及方法

1.1 实验设备

试验发动机一台1.3L直喷增压汽油机，进、排气双VVT，主要技术参数见表1。

实验过程中通过INCA标定软件，实现对发动机喷油时刻、轨压、点火时刻、进气门关闭角、排气门开启角等进行控制，试验在AVL电力测功机上进行，安装火花塞式缸压传感器，采用燃烧分析仪进行燃烧放热数据的采集。

1.2 试验方法

在对高压缩比活塞进行试验之前，首先需对原机进行性能摸底试验，通过调节进、排气VVT，喷油相位和喷油压力等参数，最为重要的是调节点火时刻保证燃烧重心A150（燃烧累计放热50%对应的曲轴转角）在8°CA.ATDC附近，使得燃油做功效率最高、油耗最佳，本文以工况2500rpm-8bar为试验点，研究高压缩比对直喷汽油机燃耗特性的影响，选取两种高压缩比活塞12和13进行VVT正交试验，通过调节点火正时，在不发生爆震的情况下，每个正交点对应A150均为8°CA.ATDC左右，使得数据结果具有可比较性。在恒扭模式下，进、排气VVT正交步长为10°CA。

2、实验结果与分析

2.1 不同压缩比泵气损失分析

换气过程中必然伴有泵气损失，其中节流损失最为严重，为减少此部分损失，可通过提高进气压力加以实现，以2500rpm-8bar工况为例，从图2可以看出，在相同配气相位的情况下，压缩比为12、13对应的进气压力均比原机要高，且随着压缩比的提高，进气压力相应增加，在同种压缩比情况下，固定进气门开启相位IVO，随着排气门关闭相位EVC的推迟，进气压力逐步升高，结合图1分析，对应泵气损失降低，但图中显示，在进气压力升高梯度增大时，对应的泵气损失降低幅度逐步减小。固定排气门关闭相位，推迟进气门开启相位，即进气门往后推迟关闭，部分已进入缸内的新鲜空气可能回流，越往后推迟，回流现象越为严重，导致进气歧管压力升高，且压力升高梯度也随之增大，对应泵气损失同步降低，此现象可从图2得出。不同压缩比，进气压力和泵气损失随进、排气门运动规律的变化趋势基本类似。但从图1可以得知压缩比的提高有助于降低泵气损失。

从图3可以看出，进气压力的升高不仅得益于配气相位的改变，同时也受节气门开度增大的影响。两种压缩比在相同进、排气门配气相位的情况下，节气门开度均比原机要略高，直接导致泵气损失的降低。相同压缩比下的节气门开度随配气相位的趋势基本与进气压力相同，直接说明节气门和进气压力存在相关性。

由于此工况下，更换压缩比前后时的过量空气系数λ=1，所以若要保持输出扭矩不变，其进入缸内参与燃烧的新鲜空气量相近。从图2、3可以看出，随着压缩比的提高，节气门开度和进气压力均比原机要高，表明发动机吸气冲程中被吸入缸内的空气量比原机要多。但从燃油消耗率来看，高压缩比对应参与燃烧的空气量反而要小。因此，说明有部分新鲜空气在压缩冲程被反推回进气道，导致进气压力较原机偏高。

另外，图中显示压缩比越高，被反推回来的空气越多，回流现象越严重，进气压力相对越高。为了保证吸气冲程内进入缸内的新鲜空气足够多，所以节气门开度、进气压力和泵气损失有前因后果的关系。

2.2 燃烧特性

如图5所示，2500rpm_8bar工况下，不同压缩比对应的进排气相位对燃烧持续期的影响较大（图中对燃烧持续期的定义为燃油90%累计放热时刻与10%累计放热时刻所对应的曲轴转角之差）。以图4压缩比12为例，随排气门EVC推迟关闭，燃烧持续期逐渐增大，但随进气门IVO提前开启，整体上燃烧持续期却是逐渐减小的趋势。

首先分析排气门相位对燃烧持续期的影响，当排气门推迟关闭时，气门重叠角变大，缸内残余废气系数随之增大（废气回流效应增强），对缸内混合气起到稀释作用，减缓火焰的传播速度，故而燃烧持续期加长。但当进气门提前开启时，气门重叠角也逐渐增大，而燃烧持续期反而减小，与此现象似乎矛盾。其实影响持续期长短还有另一个因素，是压缩终点对应油气混合气温度和压力的高低。进气门提前开启意味着提前关闭，对缸内混合气压缩程度变强，点火前温度提高压力变大，利于缩短燃烧持续期。所以燃烧持续期随进气门相位的变化必定会存在拐点，图4便可以反映出这一现象。如图中两种压缩比对应IVO-35°CA.ATDC为拐点位置。另外，在整个排气VVT动作范围内，同一进气相位下的燃烧持续期相差4-5°CA左右。

如上图所示，在排气门关闭相位25°CA.ATDC之前，燃烧持续期随进气门提前开启均呈减小的趋势，且压缩比12较压缩比13的燃烧持续期要小2°CA左右。图中MEP(Most Efficiency Point)表示热效率最高点，即VVT正交试验过程中燃油消耗率最小对应的相位点。从两种压缩比的MEP点可以看出，相比原机配气相位，油耗最佳的点均处于排气门开启较为推迟的相位，意味着做功行程较长，对应膨胀功比原机要大。从进气相位来看，压缩比13最为推迟关闭，有效压缩比最低；而压缩比12较压缩比13要提前关闭，但与原机相比，依然较迟。因此，随着几何压缩比的升高，进气门关闭相位越推迟，进气回流效应越明显，对应泵气损失越低，但排气相位要适当提前开启，减少内部EGR率，降低燃烧不稳定性倾向，此现象如图5所示。故采用高压缩比，利用进气门晚关、排气门晚开的策略有助于油耗的降低。

如图5所示，两种压缩比下的循环波动率随进气相位提前开启呈逐渐减小的趋势，也就是说，进气门关闭越晚，燃烧越不稳定。这主要是因为有效压缩程度低，对应压缩上止点的温度和压力也相应降低。进一步分析，从图5a可以看出，随着排气门推迟开启，循环波动也相应增大，但增大梯度较进气门的影响要小。从提高燃油经济性的因素考虑，循环波动越小越有助于降低燃耗。因此，针对利用高压缩比并采取进气门晚关、排气门晚开策略的同时，需兼顾到稳定性问题，此工况将COVimep控制在3%范围内。

为了综合说明进、排气门相位对油耗的影响，将处理结果如图6所示。两种压缩比的指示热效率随有效膨胀比增大均呈提高的变化趋势，而随有效压缩比的变化，指示热效率改变不太明显。从整体上来看，油耗较佳的点对应有效膨胀比均比有效压缩比要高，且压缩比13较压缩比12的指示热效率稍高。进一步结合MEP数据分析，尽管压缩比13 的循环波动率较大，但对应的泵气损失降低幅度更大，导致高压缩比下的燃油经济性反而更好。如果保持有效压缩比在6.5附近，提高有效压缩比，指示热效率可达到最大值36%，较原机提高3%以上。

2.3 排放结果分析

图7为2500rpm-8bar两种压缩比下的MEP点与原机油耗和排放结果情况。压缩比12和压缩比13油耗接近，但较原机约降低5%。由于压缩比13有效压缩程度较低，降低了压缩终点的温度，对应NOx排放较原机下降62%，THC排放上升39%左右，而压缩比12排放结果在两者之间。

3、结论

1、有效压缩比越高，被反推回来的空气越多，回流现象越严重，进气压力相对越高。为了保证吸气冲程内进入缸内的新鲜空气足够多，必须加大节气门开度来减少节流损失，因此泵气损失随之降低。

2、进气门关闭越晚，由于有效压缩程度低对应压缩上止点的温度和压力也相应降低，燃烧越不稳定，而随着排气门推迟开启，循环波动也相应增大，但增大梯度较进气门的影响要小。针对利用高压缩比并采取进气门晚关、排气门晚开的策略的同时，需要兼顾到燃烧稳定性问题。

3、几何压缩比提高以后，相对原机不仅热效率得到提升，同时对应排放物NOx也在降低，但THC排放有所上升。

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[3] 王家盛，许敏等.进气门晚关策略对发动机经济性和碳烟排放的影响[J]，车用发动机，2014，3（212）：21-24.

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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

廖丽平，助教，硕士，从事汽车专业的教学工作。