不同压缩比对两缸发动机性能影响的试验研究

马传京，任全水，朱云峰，孙程龙，田志松

宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江宁波 315336

0 引言

随着国六排放的标准实施，对于乘用车油耗的要求越来越低[1]，同时电气化混动车型对于发动机的热效率要求越来越高。两缸发动机作为高效驱动系统的动力部分，有其独特的优势，发动机横向宽度小，为其他电气件安装留出空间。现阶段各大主机厂都为高效发动机投入大量人力和物力进行研究[2]，但是对于两缸四冲程汽油机的研究较少，由于技术原因对高压缩比两缸四冲程汽油机的研究更少。

压缩比是前期发动机热力学开发过程中很重要的参数[3]，压缩比的选择往往决定着发动机性能指标能否达到的关键因素。本文着重研究了不同压缩比对两缸发动机性能的影响。

1 压缩比对发动机性能的影响

1.1 压缩比定义

压缩比为发动机气缸总容积和燃烧室容积的比值，计算公式为：

ε=V1/V2

(1)

式中：V1为活塞下止点时的缸内最大容积;

V2为活塞上止点时的缸内最小容积;

ε为发动机压缩比。

一般情况下压缩比代表着发动机的物理性质，影响压缩比的主要零部件有活塞、活塞环、气缸盖和缸体。

图1为活塞上下止点示意。

图1 活塞上下止点示意

1.2 压缩比对性能的影响

压缩比是影响发动机热效率的重要参数之一，对于常规汽油机压缩比为6～13来说，压缩比越大，热效率越高，但对于高压缩比来说，压缩比为16～18的汽油发动机，会伴随着强烈爆震，即使有废弃再循环系统(exhaust gas recirculation,EGR)也会存在。强烈爆震会损坏发动机[4-5]，所以压缩比带来的热效率收益要和发动机爆震之间做一个均衡选择。本文通过试验研究一种两缸高压缩比发动机来实现高热效率。

2 试验研究

本文以某款高效率两缸1.5 L排量发动机作为研究对象，按照GB/T 18297—2001 汽车发动机性能试验方法进行，利用INCA软件来控制发动机ECU运行。

2.1 发动机信息

汽油型号为92#，机油型号为壳牌0W-20，发动机基本参数见表1。

表1 发动机基本参数

2.2 试验设备信息

性能试验所用设备如下：台架控制系统型号为AVL PUMA;测功机型号为ASM 600/4-10;油耗仪型号为7351 CST;燃油温控型号为753CH;燃烧分析仪型号为AVL 483。

2.3 试验方法

本文根据热力学开发方法，选取两种压缩比方案分别为CR17和CR18，同时进行2 000 r/min、0.2 MPa和BTE(brake thermal efficiency)点扫点，其中包含进排气(VVT)、点火角、轨压、喷油时刻和EGR扫点。两种压缩比方案都达到各自工况下的最优燃烧状态。

主要步骤如下：

(1)发动机按照要求进行磨合。

(2)在2 000 r/min、0.2 MPa和BTE点分别进行VVT、点火角、轨压、喷油时刻和EGR扫点。

(3)扫点完成后，确认各个参数，进行2 000 r/min、0.2 MPa和BTE复测。

2.4 试验条件

对CR17和CR18的试验进气温度、试验大气压力以及试验空气温度进行对比分析，结果如图2至图4所示。由图可知，进气温度、大气压力和空气湿度基本保持一致，满足试验要求。

图2 CR17和CR18的试验进气温度对比结果

图3 CR17和CR18的试验大气压力对比结果

图4 CR17和CR18的试验空气湿度对比结果

2.5 试验结果分析

汽车在实际道路运行过程中往往只在小负荷区域运行，2 000 r/min、0.2 MPa工况常被作为实际运行过程小负荷代表，决定着汽车的实际油耗。如图5所示，以发动机压缩比CR17在2 000 r/min油耗为基准,小负荷特征油耗下CR17油耗要优于CR18。

图5 2 000 r/min、0.2 MPa工况下的特征油耗点对比

AI50值往往代表着燃烧性能的指标。由图6可知，在相同的爆震边界下，CR17的AI50值比CR18值小，燃烧更提前，也更充分。

图6 2 000 r/min、0.2 MPa工况下的平均AI50值对比

BTE的大小往往代表着这款发动机的最高热效率，由图7可知，在相同的爆震边界下，CR18的BTE油耗比CR17油耗要高3.4%，压缩比CR17相对于CR18热效率要高。同样由图8可知，BTE的平均AI50值CR17要比CR18的值小，燃烧提前了0.7 ℃A。

图7 BTE的特征油耗对比

图8 BTE的平均AI50值对比

3 结论

(1)从试验结果来看，在试验条件一致的情况下，小负荷2 000 r/min、0.2 MPa特征油耗和BTE点油耗对比，CR17要优于CR18。在VVT角度、喷油相位、点火角、轨压和EGR均已达到最优燃烧状态下，CR17热效率更高。从2 000 r/min、0.2 MPa和BTE的平均AI50值分析，压缩比CR17的燃烧比CR18提前，燃烧更加充分。

(2)压缩比增大，爆震倾向也增大。此次试验研究，压缩比从17增大到18，发动机热效率减小，发动机压缩比提高到18爆震明显增强，即使在EGR全部利用上也无法达到最优燃烧状态。说明增大发动机压缩比带来的收益没有爆震增强带来的损害大，选择压缩比为17时热效率更高。