尹東升 王君 范寶慶 李日成 李曉龍

哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

隨著國家新法規(guī)的頒布實施，車企壓力日漸增加，對降油耗、改善排放等技術重視程度不斷加重。廢氣渦輪增壓、機械增壓、缸內(nèi)直噴、分層燃燒、混合動力、VVT（內(nèi)部EGR）、外部EGR等新技術應用到現(xiàn)今汽車發(fā)動機上。

我司亦面臨如此嚴峻問題，并積極研究降油耗技術，并且將各技術整合匹配至同一發(fā)動機上，使發(fā)動機性能得到全方位提升。

在新產(chǎn)品研發(fā)過程中，我司對各設計優(yōu)化進行試驗驗證。本文是以匹配VVT、渦輪增壓、外部EGR等三項技術的汽油發(fā)動機為試驗樣機進行技術研究，通過提高該樣機壓縮比，并對提升前后發(fā)動機狀態(tài)進行性能測試，對測試數(shù)據(jù)進行整理分析，確定提高壓縮比可以降低發(fā)動機油耗率。

2 壓縮比

壓縮比表示活塞由下止點運動到上止點時，氣缸內(nèi)氣體被壓縮的程度。

即ε=Va/Vc

Va：氣缸總?cè)莘e；

Vc：燃燒室容積。

壓縮比是發(fā)動機的重要參數(shù)之一。現(xiàn)代汽車發(fā)動機的壓縮比，汽油機由于受到爆震的限制，壓縮比一般為8～11。柴油機沒有爆震的限制，壓縮比一般為12～22。

壓縮比對發(fā)動機性能有很大影響，汽油發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時，汽油與空氣的混合氣在活塞上行壓縮過程時，混合氣受到擠壓，氣體體積縮小，同時會發(fā)生渦流和紊流。壓縮比提高缸內(nèi)的溫度會升高，混合氣中的汽油分子更活躍，氣化效果更好，汽油顆粒越小，加上渦流與紊流的作用，使汽油和空氣混合的更充分，當火花塞點火時能夠使混合氣瞬間燃燒完畢，爆發(fā)能量高，所以提高壓縮比會增加發(fā)動機的燃燒效率，提高發(fā)動機的動力輸出，降低發(fā)動機油耗。

發(fā)動機的壓縮比也不是可以無限增加的，高壓縮比對發(fā)動機也會產(chǎn)生大量弊端，制約著發(fā)動機性能，可靠性。

壓縮壓力太高，燃燒室溫度較高，汽油與空氣的混合氣中的汽油分子吸收大量的熱量，達到它的燃點，此時燃燒室內(nèi)出現(xiàn)熱點或存有積碳，帶有大量熱量的汽油分子會發(fā)生自燃，而且該現(xiàn)象發(fā)生在火花塞點火前，這樣發(fā)動機就會產(chǎn)生爆震。爆震對發(fā)動機的危害是巨大的，可能造成發(fā)動機動力下降、油耗增加、噪音加大、汽車舒適性變差、排放惡化（尾氣產(chǎn)生異味、嚴重的一輛車尾氣排放物相當于200多輛車正常狀態(tài)時所產(chǎn)生的尾氣含量），強烈的爆震還會引起敲缸、發(fā)動機熄火甚至可能導致活塞燒蝕，發(fā)動機拉缸等無法修復故障。

另外壓縮比提高，缸內(nèi)爆發(fā)壓力增大，對燃燒室的氣密要求就更加苛刻，否則容易漏氣，降低發(fā)動機的動力性，長時間運轉(zhuǎn)可能導致機體故障，如活塞環(huán)、氣門座圈等零部件磨損增加，使其密封性變差。同時過多混合氣進入曲軸箱，會引起機油變質(zhì)，油膜建立困難，摩擦阻力增加。

所以，提高發(fā)動機壓縮比可以降低發(fā)動機油耗，但發(fā)動機壓縮比提升量必須以成本與發(fā)動機可靠性為制約條件進行優(yōu)化。

我司在發(fā)動機壓縮比提升技術優(yōu)化方面有著豐富經(jīng)驗，曾有1.3L，1.6L發(fā)動機進行產(chǎn)品壓縮比提升，壓縮比由9.5提升至10，油耗約降低2%左右。

本文的試驗樣機為帶外部EGR的發(fā)動機，EGR技術就是適量的發(fā)動機尾氣通入到進氣系統(tǒng)內(nèi)，并在進氣系統(tǒng)內(nèi)與吸入的新鮮空氣充分混合，進而稀釋新鮮空氣，改變富氧環(huán)境，降低峰值燃燒溫度和燃燒壓力，減慢火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｔ摷夹g可以減少NOx 排放，抑制爆震產(chǎn)生，所以增加壓縮比提升空間。我司直接將試驗樣機壓縮比由9.0提升至10.0，并對壓縮比提升前后進行性能測試，數(shù)據(jù)分析，從而確定壓縮比的提升對帶外部EGR發(fā)動機的影響。

3 試驗方法

選取54個萬有特性點（通過GT-POWER計算），調(diào)節(jié)EGR閥及進氣節(jié)流閥使EGR率達到最優(yōu)，并且使用INCA工具調(diào)節(jié)發(fā)動機點火角、相位角、噴油脈寬等ECU參數(shù)使發(fā)動機性能達到最優(yōu)。壓縮比改變前后試驗方法一致。試驗過程中注意事項如下：

（1）EGR率公式為進氣CO2含量比上排氣CO2含量；

（2）EGR率的最優(yōu)判斷標準：燃油消耗率最小且平均COV超過5%，此時點火角提前角不能超過48°；

（3）噴油脈寬調(diào)節(jié)時如排氣溫度不超限值時，以過量空氣系數(shù)等于1為調(diào)節(jié)目標；如果排氣溫度超過限值，以排溫限值為調(diào)節(jié)目標；

（4）試驗過程中在變工況時，需要先通過INCA降低點火角和增加噴油，然后慢慢調(diào)節(jié)EGR率。如順序顛倒易出現(xiàn)強烈爆震，可能導致發(fā)動機報廢。

4 試驗結(jié)果分析

壓比從9提升到10， EGR調(diào)節(jié)到最優(yōu)時，點火提前角仍然受到壓縮比提升的影響而受到抑制，即EGR對爆震抑制作用沒有完全抵消掉壓縮比提升對爆震的促進作用。壓比10相比壓比9的點火提前角要小一些。具體見圖1，EGR最優(yōu)時壓比9與壓比10點火角對比曲線。

壓比從9提升到10，EGR調(diào)整到最優(yōu)時，由燃油消耗率MAP可知，在中小負荷，由于壓比的增大，發(fā)動機熱效率提高，發(fā)動機油耗率略有降低；但在大負荷工況，壓比提升所帶來的爆震弊端凸顯，使油耗率上升。整體評價，燃油消耗率是有所降低的。具此時對比曲線見圖2。

圖1 EGR最優(yōu)時壓比9與壓比10點火角對比曲線

圖2 EGR最優(yōu)時壓比9與壓比10燃油消耗率對比曲線

5 結(jié)語

①外部EGR渦輪增壓發(fā)動機，壓縮比的提升對發(fā)動機點火角仍然存在抑制作用；

②壓縮比提升對發(fā)動機油耗率略有優(yōu)化；

②此次試驗結(jié)果對后期產(chǎn)品工程化具有一定促進作用。