可變壓縮比在全米勒循環(huán)汽油機上的潛力

【德】 M.Sens S.Zwahr M.Günther

可變壓縮比在全米勒循環(huán)汽油機上的潛力

【德】 M.Sens S.Zwahr M.Günther

考慮到實際行駛排放(RDE)法規(guī)，目前改善汽油機部分負(fù)荷效率已成為焦點。德國IAV公司和茨維克的西薩克森大學(xué)的試驗研究已證實，利用米勒循環(huán)與可變壓縮比組合的方案能顯著降低小型化機型的部分負(fù)荷燃油耗。

汽油機 全米勒循環(huán) 可變壓縮比

1 試驗研究的課題

首先，米勒(Miller)循環(huán)的優(yōu)點是能消除部分負(fù)荷時的節(jié)流，并且為全負(fù)荷時達到盡可能高的效率對壓縮比提出了要求，而在高平均壓力情況下爆燃和提前燃燒限制了壓縮比，因而應(yīng)弄清楚的是，在全負(fù)荷下進行米勒循環(huán)時是否允許較高的壓縮比，而且混合氣不加濃可以滿足實際行駛排放(RDE)法規(guī)的要求。

2 壓縮比和膨脹比的影響

無論是壓縮比還是膨脹比都是幾何量值，而且是氣缸最大容積與壓縮容積(VC)之比。在膨脹時被簡化成從壓縮容積(VC)開始，整個活塞下行行程都可用于膨脹。在這種情況下，膨脹比(εExpas)與幾何壓縮比(εgeom)相等：

(1)

在進氣門早關(guān)(FES)情況下真正產(chǎn)生壓縮效果的有效壓縮比也被稱為壓縮比(εCompr),它與1個點有關(guān)，在該點上氣缸壓力與進氣壓力相等，這個點在進氣門提早或延遲關(guān)閉(ES)的情況下偏離下止點，這個位置上的氣缸容積比排量小1個“壓縮延遲容積”(VKV)：

(2)

壓縮延遲容積相對于排量的比例被稱為米勒度。在理論奧托循環(huán)過程(理想空氣循環(huán)過程εCompr=εExpas)情況下，效率僅與壓縮比有關(guān)，而當(dāng)壓縮與膨脹不同時，則存在其他的依賴關(guān)系。為了定量，考察基準(zhǔn)全負(fù)荷進氣過程及其他具有不同進氣定時(即不同的)的情況(圖1)。

圖1 負(fù)荷控制方法和殘余廢氣額對換氣的影響

為了能進行比較，規(guī)定混合氣質(zhì)量保持恒定不變，因而輸入的熱量是相同的。為了使進氣門早關(guān)時的氣缸充氣狀況相同，通過提高進氣壓力來增大進氣空氣的密度，因而在負(fù)荷較大時必須進行增壓。為了簡化，規(guī)定沒有掃氣壓差(pSaug=pAbg)。由于進氣門早關(guān)存在進氣壓力下從進氣門關(guān)到下止點的膨脹過程，因而這種方法在高壓過程中存在壓縮損失，所以在無節(jié)流的情況下，在膨脹比保持不變時，隨著米勒度的增大只能達到較低的效率(圖2中的①點)。若壓縮比較小時加大膨脹比(圖2中的②點)，則理論上也可提高效率。在排量保持不變的情況下，減小壓縮容積也能加大膨脹比(式1)。若在減小壓縮容積的情況下要保持壓縮比不變，就要提早關(guān)閉進氣門(式2)，但這有可能受到可供使用的增壓壓力的限制，這樣就會導(dǎo)致按照圖2中的③點進行調(diào)節(jié)。

圖2 壓縮比和膨脹比對熱效率的影響(等容加熱理想空氣循環(huán))

此外，圖2還表明，在壓縮比較大的情況下，膨脹比的變化強烈影響到效率，而在壓縮比較小且米勒度較大的情況下這種影響明顯減小。所以，在膨脹比加大時，使得壓縮比減小才不會引起效率的變化，因此在米勒度大的情況下，在理論空氣循環(huán)中幾乎不可能補償因壓縮比減小而引起的效率損失。

在部分負(fù)荷時，進氣門早關(guān)有助于減少換氣功。為了弄清楚各種影響因素，首先有必要定義p-V圖(圖1)上的面積份額。斜線部分代表總的換氣損失。壓縮線右側(cè)的區(qū)域定義為壓縮損失，而其左側(cè)部分定義為節(jié)流損失。如果采用進氣門早關(guān)可以完全消除節(jié)流，那么雖然節(jié)流損失降低到零，但是同時壓縮損失也增大了，因此采用米勒過程并不能成功地完全避免換氣損失(節(jié)流損失和壓縮損失)。除此之外，在進氣門關(guān)閉較早的情況下，壓縮終了時的溫度水平較低，這在實際發(fā)動機上會使著火條件惡化。與壓縮比低的情況不同，隨著壓縮比的增大可能會影響到溫度損失。即使在理論循環(huán)過程中，隨著米勒度的增大，膨脹比對效率的影響會降低，但是在實際發(fā)動機上溫度的提高又能改善著火條件。為保持相同的壓縮溫度所需的幾何壓縮比與米勒度之間的關(guān)系可用公式(3)來表達：

(3)

因此，例如當(dāng)米勒度為50%(進氣門約在下止點前100°CA關(guān)閉)時，幾何壓縮比要提高約90%。

3 進氣門早關(guān)對實際奧托循環(huán)過程的影響

理論上要選擇盡可能大的壓縮比(圖2)，但是實際上摩擦、壁面熱損失或真實氣體損失會增加，限制了其優(yōu)點的發(fā)揮，因而只能達到局部的最佳值。最佳的壓縮比主要取決于壁面熱損失(圖3)。如果借助于進氣門早關(guān)縮短壓縮，從而降低溫度水平，那么也減少了壁面熱損失，并且存在提高幾何壓縮比的潛力，在米勒循環(huán)發(fā)動機上降低壁面熱損失允許較高的最佳壓縮比，因而在實際發(fā)動機上能夠用加大膨脹比來補償壓縮損失，而不受壁面熱損失的限制。

但是，如果壓縮比匹配不合適的話，那么氣缸中較低的溫度會降低殘余廢氣兼容性，這在消除節(jié)流的情況下，可能會導(dǎo)致進一步提高米勒度，或浪費了提高幾何壓縮比的潛力，由于會達到穩(wěn)定運轉(zhuǎn)極限而既不能稀釋混合氣又不能提高米勒度。因此米勒循環(huán)發(fā)動機最佳的壓縮比不僅改善了熱效率，而且還補償了混合氣著火方面的缺陷，為了實現(xiàn)高效的米勒循環(huán)，在部分負(fù)荷時提高壓縮比是絕對必要的。圖3表明當(dāng)高壓縮比21時，氣缸溫度仍比幾何壓縮比為18且無進氣門早關(guān)時低，雖然高壓過程效率較好，但是為了獲得高的殘余廢氣兼容性，將壓縮比提高到超過高壓過程中最佳的壓縮比是有利的，然而應(yīng)弄清楚在爆燃極限范圍內(nèi)高壓縮比達到的程度。

4 全負(fù)荷時進氣門早關(guān)方法的潛力

在縮短有效壓縮行程因而能在大的膨脹比降低溫度的情況下，采用合適的增壓裝置促使效率顯著提高，除了壓縮損失之外，必須容忍因渦輪前的壓力提高而導(dǎo)致的較大的排氣功。圖4示出了1臺兩級增壓汽油機在平均有效壓力為2.4MPa和轉(zhuǎn)速為 2000r/min 運行工況點幾何壓縮比和有效壓縮比變化時的模擬計算結(jié)果。正如所知的那樣，在進氣門正常關(guān)閉的情況下，過多地增大幾何壓縮比從而防止爆燃時推遲燃燒會導(dǎo)致燃油耗增加，而在低壓縮比情況下，雖然能采用較早的燃燒位置，但是這種優(yōu)勢卻被熱效率的過度降低抵銷了。在這種情況下，最佳的幾何壓縮比大約為10。在借助于米勒循環(huán)實現(xiàn)大膨脹比和縮小壓縮比情況下的運行條件是較好的。從不同的膨脹比出發(fā)，進氣門關(guān)閉提早調(diào)節(jié)，直至增壓恰好仍能實現(xiàn)規(guī)定的負(fù)荷，由于有利的燃燒位置而達到燃油耗改善效果。

圖4 在轉(zhuǎn)速為2000r/min和平均有效壓力為2.4MPa工況點時壓縮幾何比和有效壓縮比的影響

值得注意的是，在達到大的米勒度的情況下所能獲得的好處幾乎仍不取決于膨脹比，不過大的膨脹比并無害處。但是，如果增壓并不能成功地得到所需的增壓壓力，那么就只能采用較小的米勒度。因此，最佳膨脹比和最佳壓縮比的選擇依賴于增壓器的實際工作能力，但是在可使用的增壓壓力下，即使采用米勒循環(huán)可實現(xiàn)的壓縮比仍被限制在12～14的范圍內(nèi)。

5 部分負(fù)荷時進氣門早關(guān)與殘余氣體消除節(jié)流的比較

進氣門早關(guān)降低節(jié)流損失的潛力隨著負(fù)荷的降低而減小,同時壓縮損失會增大,例如在轉(zhuǎn)速為 2000r/min 和平均有效壓力為1.1MPa的運行工況點，借助于進氣門早關(guān)換氣損失僅降低約35%。在充量被殘余氣體稀釋的情況下，因進氣曲線平行移向較高的壓力，節(jié)流損失和壓縮損失同時減小(圖1(a))，而殘余氣體物性在高壓過程中又會帶來附加的好處，因此殘余氣體消除節(jié)流有利于提高總效率，但是最大可能的殘余氣體份額受到氣缸中著火條件的限制。典型的殘余氣體率為25%～33%，這取決于壓縮和燃燒過程，進氣門早關(guān)時較低的氣缸溫度會明顯降低殘余氣體的兼容性。在米勒度過大的情況下，由于殘余氣體兼容性方面的損失，最終會得到較低的效率，因此在米勒循環(huán)與殘余氣體消除節(jié)流相結(jié)合的情況下，部分負(fù)荷的效率能被調(diào)節(jié)到最高，所以應(yīng)絕對避免殘余氣體兼容性方面的缺陷。附加提高壓縮比超過圖3所示出的最佳值就能達到這樣的目標(biāo)。通過采用高的殘余氣體率(RGA)減少換氣損失就能補償降低的高壓效率(圖5)。

圖5 在轉(zhuǎn)速為2000r/min和平均有效壓力為0.1MPa工況點,在米勒循環(huán)情況下殘余氣體份額對換氣功相對效率、高壓效率和指示效率的影響

6 進氣門早關(guān)時壓縮的可變性

如果平均壓力提高到2.4MPa(圖4)，那么即使氣缸充量被徹底冷卻，在最大可能的米勒度情況下最佳壓縮比也不會大于12～14，但是如此高的平均壓力在米勒度很大的情況下，對換氣和增壓壓力準(zhǔn)備提出了很高的要求，而且可達到的壓縮比取決于燃燒過程的抗爆性和熱管理，特別是充量運動的設(shè)計。在增壓汽油機以較小的負(fù)荷(2000r/min,0.1MPa)運行時，采用進氣門早關(guān)與殘余氣體消除節(jié)流相組合在殘余氣體份額為23%時的最佳壓縮比為20.5(圖6)，而與之相比采用節(jié)氣門調(diào)節(jié)在殘余氣體份額為30%時的最佳壓縮比為15。由此就會得到明顯不同的燃油耗，采用節(jié)氣門調(diào)節(jié)為524g/(kW·h)，而采用米勒方案則為 462g/(kW·h)。在轉(zhuǎn)速為2000r/min和平均有效壓力為0.2MPa時，燃油耗達到331g/(kW·h)，而平均摩擦壓力為0.045MPa時，燃油耗可實現(xiàn) 300g/(kW·h)。隨著負(fù)荷進一步提高到0.5MPa，在全米勒循環(huán)情況下,在中等負(fù)荷范圍內(nèi)被調(diào)節(jié)到壓縮比高達15時就會顯示出明顯的燃油耗優(yōu)勢(圖6)。

圖6 在轉(zhuǎn)速為2000r/min部分負(fù)荷時采取不同消除截流策略情況下有效比燃油耗與幾何壓縮比的關(guān)系

7 結(jié)論

對于非常低的部分負(fù)荷運行工況點，采用米勒循環(huán)和殘余氣體消除節(jié)流相結(jié)合的方式可達到的高壓縮比部分可超過20，其中尚未考察為實現(xiàn)高殘余氣體率而采用超高壓縮比的效果。根據(jù)增壓裝置的不同，全負(fù)荷在平均有效壓力為2.4MPa時仍采用相對較低的壓縮比仍為12～14，因而在整個負(fù)荷范圍內(nèi)壓縮比的變化達到7。根據(jù)發(fā)動機-汽車匹配的不同，要決定壓縮比到底需要怎樣的可變性。針對部分負(fù)荷燃油耗優(yōu)化的汽油機需要進氣門關(guān)閉能自由選擇，并與全可變壓縮比相組合。

2016-06-02)