馬傳京,任全水,朱云峰,孫程龍,田志松
寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司,浙江寧波 315336
隨著國六排放的標準實施,對于乘用車油耗的要求越來越低[1],同時電氣化混動車型對于發(fā)動機的熱效率要求越來越高。兩缸發(fā)動機作為高效驅動系統(tǒng)的動力部分,有其獨特的優(yōu)勢,發(fā)動機橫向寬度小,為其他電氣件安裝留出空間?,F階段各大主機廠都為高效發(fā)動機投入大量人力和物力進行研究[2],但是對于兩缸四沖程汽油機的研究較少,由于技術原因對高壓縮比兩缸四沖程汽油機的研究更少。
壓縮比是前期發(fā)動機熱力學開發(fā)過程中很重要的參數[3],壓縮比的選擇往往決定著發(fā)動機性能指標能否達到的關鍵因素。本文著重研究了不同壓縮比對兩缸發(fā)動機性能的影響。
壓縮比為發(fā)動機氣缸總容積和燃燒室容積的比值,計算公式為:
ε=V1/V2
(1)
式中:V1為活塞下止點時的缸內最大容積;
V2為活塞上止點時的缸內最小容積;
ε為發(fā)動機壓縮比。
一般情況下壓縮比代表著發(fā)動機的物理性質,影響壓縮比的主要零部件有活塞、活塞環(huán)、氣缸蓋和缸體。
圖1為活塞上下止點示意。
圖1 活塞上下止點示意
壓縮比是影響發(fā)動機熱效率的重要參數之一,對于常規(guī)汽油機壓縮比為6~13來說,壓縮比越大,熱效率越高,但對于高壓縮比來說,壓縮比為16~18的汽油發(fā)動機,會伴隨著強烈爆震,即使有廢棄再循環(huán)系統(tǒng)(exhaust gas recirculation,EGR)也會存在。強烈爆震會損壞發(fā)動機[4-5],所以壓縮比帶來的熱效率收益要和發(fā)動機爆震之間做一個均衡選擇。本文通過試驗研究一種兩缸高壓縮比發(fā)動機來實現高熱效率。
本文以某款高效率兩缸1.5 L排量發(fā)動機作為研究對象,按照GB/T 18297—2001 汽車發(fā)動機性能試驗方法進行,利用INCA軟件來控制發(fā)動機ECU運行。
汽油型號為92#,機油型號為殼牌0W-20,發(fā)動機基本參數見表1。
表1 發(fā)動機基本參數
性能試驗所用設備如下:臺架控制系統(tǒng)型號為AVL PUMA;測功機型號為ASM 600/4-10;油耗儀型號為7351 CST;燃油溫控型號為753CH;燃燒分析儀型號為AVL 483。
本文根據熱力學開發(fā)方法,選取兩種壓縮比方案分別為CR17和CR18,同時進行2 000 r/min、0.2 MPa和BTE(brake thermal efficiency)點掃點,其中包含進排氣(VVT)、點火角、軌壓、噴油時刻和EGR掃點。兩種壓縮比方案都達到各自工況下的最優(yōu)燃燒狀態(tài)。
主要步驟如下:
(1)發(fā)動機按照要求進行磨合。
(2)在2 000 r/min、0.2 MPa和BTE點分別進行VVT、點火角、軌壓、噴油時刻和EGR掃點。
(3)掃點完成后,確認各個參數,進行2 000 r/min、0.2 MPa和BTE復測。
對CR17和CR18的試驗進氣溫度、試驗大氣壓力以及試驗空氣溫度進行對比分析,結果如圖2至圖4所示。由圖可知,進氣溫度、大氣壓力和空氣濕度基本保持一致,滿足試驗要求。
圖2 CR17和CR18的試驗進氣溫度對比結果
圖3 CR17和CR18的試驗大氣壓力對比結果
圖4 CR17和CR18的試驗空氣濕度對比結果
汽車在實際道路運行過程中往往只在小負荷區(qū)域運行,2 000 r/min、0.2 MPa工況常被作為實際運行過程小負荷代表,決定著汽車的實際油耗。如圖5所示,以發(fā)動機壓縮比CR17在2 000 r/min油耗為基準,小負荷特征油耗下CR17油耗要優(yōu)于CR18。
圖5 2 000 r/min、0.2 MPa工況下的特征油耗點對比
AI50值往往代表著燃燒性能的指標。由圖6可知,在相同的爆震邊界下,CR17的AI50值比CR18值小,燃燒更提前,也更充分。
圖6 2 000 r/min、0.2 MPa工況下的平均AI50值對比
BTE的大小往往代表著這款發(fā)動機的最高熱效率,由圖7可知,在相同的爆震邊界下,CR18的BTE油耗比CR17油耗要高3.4%,壓縮比CR17相對于CR18熱效率要高。同樣由圖8可知,BTE的平均AI50值CR17要比CR18的值小,燃燒提前了0.7 ℃A。
圖7 BTE的特征油耗對比
圖8 BTE的平均AI50值對比
(1)從試驗結果來看,在試驗條件一致的情況下,小負荷2 000 r/min、0.2 MPa特征油耗和BTE點油耗對比,CR17要優(yōu)于CR18。在VVT角度、噴油相位、點火角、軌壓和EGR均已達到最優(yōu)燃燒狀態(tài)下,CR17熱效率更高。從2 000 r/min、0.2 MPa和BTE的平均AI50值分析,壓縮比CR17的燃燒比CR18提前,燃燒更加充分。
(2)壓縮比增大,爆震傾向也增大。此次試驗研究,壓縮比從17增大到18,發(fā)動機熱效率減小,發(fā)動機壓縮比提高到18爆震明顯增強,即使在EGR全部利用上也無法達到最優(yōu)燃燒狀態(tài)。說明增大發(fā)動機壓縮比帶來的收益沒有爆震增強帶來的損害大,選擇壓縮比為17時熱效率更高。