夏天雷

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海200092；2.上海汽車(chē)商用車(chē)技術(shù)中心，上海200438）

小排量汽油機(jī)壓縮比的選取

夏天雷1,2

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海200092；2.上海汽車(chē)商用車(chē)技術(shù)中心，上海200438）

由發(fā)動(dòng)機(jī)原理我們知道，隨著壓縮比的增大會(huì)使燃燒的熱效率提高，也可以使進(jìn)氣效率提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩增大，有效燃油消耗率降低，但同時(shí)也會(huì)增加未燃混合氣自燃的傾向。壓縮比過(guò)大，熱效率提高程度減慢，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒粗暴，導(dǎo)致機(jī)件的機(jī)械負(fù)荷過(guò)大，排放污染嚴(yán)重。本文通過(guò)分析與試驗(yàn)給出不同壓縮比對(duì)小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的影響以及應(yīng)用93號(hào)無(wú)鉛汽油的合理壓縮比的選取。

汽油機(jī)壓縮比試驗(yàn)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，汽車(chē)行業(yè)正在由引進(jìn)國(guó)外技術(shù)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)向自主研發(fā)階段。小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過(guò)程中，通過(guò)大量的試驗(yàn)得到了很多寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，積累了很多經(jīng)驗(yàn)。其中之一就是改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，再加上點(diǎn)火時(shí)刻和空燃比的調(diào)整來(lái)獲得我們想要的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出性能特性，進(jìn)而改善整車(chē)性能。

2 原理分析

壓縮比的定義就是發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣體被壓縮的程度，用壓縮前的氣缸總?cè)莘e與壓縮后的氣缸容積（即燃燒室容積）之比來(lái)表示。壓縮比與發(fā)動(dòng)機(jī)性能有很大關(guān)系，我們都知道汽油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，吸進(jìn)來(lái)的通常是汽油與空氣混合而成的混合氣，在壓縮過(guò)程中活塞上行，除了擠壓混合氣使之體積縮小之外，同時(shí)也發(fā)生了渦流和紊流兩種現(xiàn)象。當(dāng)密閉容器中的氣體受到壓縮時(shí)，壓力是隨著溫度的升高而升高。若發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比較高，壓縮時(shí)所產(chǎn)生的氣缸壓力與溫度也相應(yīng)提高，混合氣中的汽油分子能汽化得更完全，顆粒能更細(xì)密，再加上剛才所說(shuō)的渦流和紊流效果和高壓縮比所得到的密封效果，使得在下一刻運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)火花塞產(chǎn)生火花時(shí)就能使得這混合氣在瞬間內(nèi)完成燃燒的動(dòng)作，釋放出最大的爆發(fā)能量，來(lái)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。反之，燃燒的時(shí)間延長(zhǎng)，會(huì)耗費(fèi)能量，并增加發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度而并非參與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的輸出，所以我們就可以知道，高壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)就意味著可具有較大的動(dòng)力輸出[1]。

標(biāo)準(zhǔn)空氣循環(huán)（也叫做奧托循環(huán)）如圖1所示。奧托循環(huán)由4個(gè)過(guò)程組成，這4個(gè)過(guò)程構(gòu)成一個(gè)閉合的循環(huán)。奧托循環(huán)基于下列假設(shè)：循環(huán)的工作介質(zhì)是空氣，并將其看作是理想的氣體；壓縮過(guò)程1－2和膨脹過(guò)程3-4被看作是無(wú)摩擦的絕熱（無(wú)熱損失）過(guò)程；內(nèi)部燃燒過(guò)程2-3的加熱用外部熱源的加熱來(lái)替代，在這個(gè)過(guò)程中，體積保持不變；排氣過(guò)程由定容放熱（回到初始溫度）來(lái)替代。盡管這些條件與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況明顯不同，但關(guān)于內(nèi)燃機(jī)性能的熱力學(xué)分析還是給出了一些有用的提示，尤其在壓縮比的影響方面。

圖1 汽油機(jī)理論循環(huán)

內(nèi)燃機(jī)原理中我們知道任何理論循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性可以用熱效率來(lái)評(píng)定。熱效率是轉(zhuǎn)變?yōu)檠h(huán)凈功的熱量AWi與消耗全部熱量Q的比值

η=AWi/Q

式中，

A——功的熱當(dāng)量，即單位功所相當(dāng)?shù)臒崃?/p>

A=1/427

Wi——指示功

在理論循環(huán)中，除了損失熱量Qs外，沒(méi)有其他任何損失。因此，轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ臒崃緼Wi為Q與Qs的差值

AWi=Q-Qs

熱效率為

如圖1汽油機(jī)理論循環(huán)過(guò)程，汽油機(jī)符合定容理論循環(huán)模型。即，圖中2-3過(guò)程為定容加熱過(guò)程，燃料燃燒釋放的全部熱量Q為

Q=Gcv（T3-T2）

式中，

G——工作介質(zhì)的質(zhì)量

cv——工作介質(zhì)的定容比熱

T2——壓縮終止介質(zhì)溫度

T3——介質(zhì)燃燒完成溫度

如上圖汽油機(jī)理論循環(huán)中4-1過(guò)程為定容放熱過(guò)程，理論下?lián)p失的熱量Qs為

Qs=Gcv（T4-T1）

T1——壓縮初始介質(zhì)溫度

T4——膨脹做功后介質(zhì)溫度

將Q和Qs代入熱效率公式，可得

η=1-Qs/Q=1-（T4-T1）/（T3-T2）

將壓縮初始時(shí)介質(zhì)溫度表示其他各階段溫度

T2=T1εk-1

T3=T1εk-1λρ

T4=T1λρ

式中，

ε——壓縮比，V2/V1

K——絕熱指數(shù)

λ——壓力升高比，P3/P2

ρ——預(yù)脹比，汽油機(jī)符合定容理論循環(huán)模型，膨脹比為1

將各階段的溫度代入熱效率公式，可得

η=1-1/εk-1

由此可知，定容加熱循環(huán)的汽油機(jī)的熱效率，隨壓縮比ε和絕熱指數(shù)k的增大而增加。

平均指示壓力Pi

式中，

Vh——每缸工作容積。

由此可知，平均指示壓力Pi隨壓縮初始?jí)毫1和壓縮比ε及壓力升高比λ的增大而增加[2]。

3 提高汽油機(jī)壓縮比的主要方法

汽油機(jī)的熱效率和壓縮比之間呈非線性關(guān)系，兩者關(guān)系可用式η=1-1/εk-1表示。假設(shè)在k不變的情況下，可得圖2所示的曲線圖。當(dāng)壓縮比較低時(shí)，隨壓縮比提高，熱效率提高很快，但壓縮比較高時(shí)，提高壓縮比的效果就很小了。

圖2 定容加熱時(shí)熱效率η與壓縮比ε的關(guān)系

同時(shí)，隨著壓縮比的增加，雖然燃燒加快，但是由于壓縮終了溫度升高，遠(yuǎn)離火焰中心的末端混合氣自燃傾向增大，以致在火焰還未來(lái)得及傳播到整個(gè)燃燒室之前，便自行燃燒，形成爆燃。因此，為了提高汽油機(jī)的性能，就要根據(jù)對(duì)爆燃影響因素的分析，創(chuàng)造一定的條件，以便在爆燃傾向小的情況下，提高壓縮比。

提高壓縮比的方法主要有減小燃燒室的容積，包括磨削氣缸蓋、在燃燒室內(nèi)增加固定物，使用較薄的氣缸墊等，還有改變活塞的形式，使活塞頭部與缸蓋圍成的燃燒室的容積減小?；钊前l(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的零件，作用在上的有氣體力和往復(fù)慣性力，這些力都是周期性變化的，且其最大值都很大。燃燒室內(nèi)的壓力可以達(dá)到14～16 MPa。活塞頂面與高溫燃?xì)庵苯咏佑|，使活塞頂?shù)臏囟群芨撸钊臏夭詈艽?。溫度高使活塞材料的機(jī)械強(qiáng)度顯著下降，使活塞的熱膨脹量增大，從而使活塞與其相關(guān)零件的正確配合遭到破壞。另外，由于冷熱不均所產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易使活塞頂面開(kāi)裂。更換制造質(zhì)量更高的活塞也可以提高活塞的強(qiáng)度、減小活塞的質(zhì)量以減小活塞和氣缸間的摩擦力，可以使活塞抵御更大的燃燒壓力。往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)更順暢，在高負(fù)荷時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，活塞的運(yùn)行可以更可靠。

4 影響提高壓縮比的主要因素

汽油機(jī)不正常燃燒可分為爆震燃燒和表面點(diǎn)火2類(lèi)。汽油機(jī)發(fā)生爆震燃燒時(shí)的外部特征是：氣缸內(nèi)發(fā)生尖銳的金屬敲擊聲，亦稱(chēng)之為敲缸。當(dāng)出現(xiàn)輕微敲缸時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率上升，油耗下降；但發(fā)生嚴(yán)重敲缸時(shí)，則會(huì)造成冷卻系統(tǒng)過(guò)熱，功率下降，油耗上升，是一種極其有害的不正常燃燒。產(chǎn)生爆震燃燒的原因是在正?；鹧?zhèn)鞑サ倪^(guò)程中，處在最后燃燒位置上的那部分未燃混合氣（常稱(chēng)為末端混合氣），進(jìn)一步受到壓縮和輻射熱的作用，加速了先期反應(yīng)。如果在火焰前鋒尚未到達(dá)之前，末端混合氣已經(jīng)自燃，則這部分混合氣燃燒速度極快，火焰速度可達(dá)每秒百米甚至數(shù)百米以上，使局部壓力、溫度很高，并伴隨有沖擊波。汽油機(jī)發(fā)生爆燃時(shí)，缸內(nèi)壓力沖擊波反復(fù)撞擊缸壁，發(fā)出尖銳的敲缸聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞缸壁表面的附面氣膜和油膜，使傳熱增加，氣缸蓋和活塞頂溫度升高，冷卻系統(tǒng)過(guò)熱，汽油機(jī)功率減少，油耗升高，甚至還會(huì)造成活塞、氣門(mén)燒壞，軸瓦破裂，火花塞絕緣體破壞，潤(rùn)滑油氧化成膠質(zhì)，活塞環(huán)粘在活塞環(huán)槽內(nèi)等故障。故汽油機(jī)不允許在嚴(yán)重爆燃的情況下工作。

燃料性能是影響爆燃的重要因素，汽油的主要性能有抗爆性、蒸發(fā)性和熱值。汽油的抗爆性是指汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒時(shí)抵抗爆燃的能力，汽油的抗爆性與其化學(xué)成分有關(guān)。大量實(shí)驗(yàn)表明，烷烴抗爆性最差，烯烴次之，環(huán)烷烴抗爆性較好，芳香烴抗爆性最好。汽油的牌號(hào)是以辛烷值來(lái)劃分的。通常有兩種辛烷值，一種是研究法辛烷值（RON），另一種是馬達(dá)法辛烷值（MON），它們的試驗(yàn)條件和方法略有區(qū)別。對(duì)于同一汽油，研究法辛烷值大于馬達(dá)法辛烷值，兩者的差值稱(chēng)為敏感度，它們和的一半稱(chēng)為抗爆指數(shù)。車(chē)用汽油抗爆性我國(guó)在20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始采用研究法測(cè)定，并以辛烷值作為指標(biāo)，辛烷值越低，爆燃的傾向越大，允許壓縮比越低。因此提高汽油的辛烷值是提高壓縮比與減小爆燃傾向的前提[3]。

5 壓縮比的試驗(yàn)分析

試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。采用AVL試驗(yàn)設(shè)備，聯(lián)合汽車(chē)電子發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，在上海汽車(chē)商用車(chē)技術(shù)中心動(dòng)力總成開(kāi)發(fā)部試驗(yàn)科14號(hào)試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程是在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，排量為1.5L，通過(guò)改變活塞頂厚度先后制造出壓縮比為9.5∶1、10.2∶1、10.5∶1的發(fā)動(dòng)機(jī)；使用93號(hào)無(wú)鉛汽油，保持同樣的空燃比的前提下先后不調(diào)整點(diǎn)火時(shí)刻和調(diào)整點(diǎn)火時(shí)刻至MBT點(diǎn)的扭矩進(jìn)行測(cè)量。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

圖4和圖5分別為壓縮比試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果按照ISO_1585標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正。由試驗(yàn)結(jié)果我們可以得出以下結(jié)論：

圖4 不同壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性扭矩對(duì)比

（1）使用93號(hào)無(wú)鉛燃油，調(diào)整點(diǎn)火時(shí)刻使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到MBT點(diǎn)的情況下，壓縮比10.5∶1的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能最高，比壓縮比10.2∶1發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速扭矩平均高出約1.3%，比壓縮比9.5∶1發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速扭矩平均高出約2.4%；對(duì)于國(guó)產(chǎn)93號(hào)無(wú)鉛汽油，小排量汽油機(jī)壓縮比選取10.5∶1較為合理。

圖5 不同壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性點(diǎn)火角對(duì)比

（2）由于壓縮比10.5∶1發(fā)動(dòng)機(jī)易產(chǎn)生爆燃的現(xiàn)象，為避免爆燃現(xiàn)象的產(chǎn)生，在點(diǎn)火時(shí)刻選取上需比壓縮比9.5∶1發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻滯后5～6℃A。

1周龍保．內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

2馬特A J，普林特M A．發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)理論與實(shí)踐[M].宋進(jìn)桂等，譯．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

3蔡興旺．汽車(chē)構(gòu)造與原理（上冊(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)）[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

Selection of Compression Ratio for Small Displacement Gasoline Engine

Xia Tianlei
（1.College of Automobile,Tongji University,Shanghai 200092,China; 2.SAIC Motor Commercial Vehicle,Shanghai 200438,China）

We know from the engine principle that with the increase of compression ratio,thermal efficiency and intake efficiency will improve,torque and power will increase and fuel consumption will decrease,but the tendency of self-ignition of unburned gas mixture will also increase.Thermal efficiency increase extent will slow down when the compression ratio is too high.Rough engine combustion will result in too high mechanical load on parts and serious pollution emissions.This paper gives influence of different compression ratios on small-displacement gasoline engines through analyses and tests.How to select a reasonable compression ratio for RON 93#is also explained in the paper.

gasoline engine,compression ratio,test

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.02.005

來(lái)稿日期：2012-03-16

夏天雷（1983-），男，大學(xué)本科，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)。