容積比對工質(zhì)移缸類內(nèi)燃機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性能的影響規(guī)律

范攀攀，盧 勇，裴普成

（1.清華大學(xué)汽車工程系，北京 100084；2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

化石資源的枯竭已經(jīng)對全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響，而車用燃油占石油消耗的1／3，因此提高汽車發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性對減輕全球能源危機(jī)有著重要的意義。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)到了精雕細(xì)琢的程度，很難大幅度提升內(nèi)燃機(jī)效率，近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者從發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)上另辟蹊徑，取得了很好的效果。

美國Scuderi集團(tuán)發(fā)明了“一分為二式”內(nèi)燃機(jī)［1－2］，該發(fā)動機(jī)將傳統(tǒng)四沖程發(fā)動機(jī)的工作過程分為兩部分，一個循環(huán)由兩個氣缸共同完成，前缸負(fù)責(zé)進(jìn)氣和壓縮，后缸負(fù)責(zé)做功和排氣，前后缸通過一個轉(zhuǎn)接管實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的轉(zhuǎn)移。Scuderi發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)是壓縮沖程和做功沖程分離，可以實(shí)現(xiàn)高壓縮比，通過縮小前缸的缸徑可以使膨脹比大于壓縮比，實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)。

德國META公司的K內(nèi)燃機(jī)［3］一個工作單元由冷缸和熱缸兩個氣缸組成。新鮮空氣和燃油的混合氣進(jìn)入冷缸壓縮后經(jīng)轉(zhuǎn)接管進(jìn)入熱缸，熱缸內(nèi)的殘余廢氣溫度高達(dá)900℃，可以迅速引燃混合氣。K內(nèi)燃機(jī)不僅可以提高壓縮比，還可以實(shí)現(xiàn)均質(zhì)壓燃，從而提高內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

法國伊爾莫（Ilmor）公司發(fā)明了一種新型的五沖程內(nèi)燃機(jī)［4］，該內(nèi)燃機(jī)一個工作單元由3個氣缸組成，其中兩個為傳統(tǒng)的四沖程氣缸，兩個氣缸在排氣沖程交替將工質(zhì)排至第三個氣缸內(nèi)繼續(xù)膨脹做功，而第三個氣缸缸徑往往比前兩個氣缸要大，這樣就實(shí)現(xiàn)了膨脹比大于壓縮比的米勒循環(huán)，從而提高了內(nèi)燃機(jī)熱效率。

縱觀這些新型發(fā)動機(jī)，一個共同的特點(diǎn)就是采用了工質(zhì)移缸技術(shù)。工質(zhì)移缸是指內(nèi)燃機(jī)循環(huán)做功的工質(zhì)先后在多個氣缸之間轉(zhuǎn)移。這種新型的內(nèi)燃機(jī)循環(huán)方式可以帶來以下優(yōu)點(diǎn)：壓縮氣缸與膨脹氣缸分離，可以實(shí)現(xiàn)高壓縮比；通過增大膨脹氣缸的容積，膨脹比大于壓縮比，從而實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)；排氣經(jīng)轉(zhuǎn)接管移缸后可實(shí)現(xiàn)二次膨脹做功。這些措施都可以提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率，Scuderi內(nèi)燃機(jī)在進(jìn)氣增壓比為3.2的情況下，平均有效壓力比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)增加139.7%，燃油消耗率減少13.4%；伊爾莫公司的增壓五沖程內(nèi)燃機(jī)比傳統(tǒng)機(jī)型提高效率5%～20%，1臺排量僅為0.7L的3缸五沖程增壓內(nèi)燃機(jī)可以輸出97kW的最大功率和165N·m的最大扭矩。

通過工質(zhì)移缸做功提升內(nèi)燃機(jī)熱效率，需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)，比如：移缸轉(zhuǎn)接管的設(shè)計，不同氣缸之間配氣正時的匹配，后缸與前缸容積比的優(yōu)化等。目前，國內(nèi)外對于這些技術(shù)的研究還處于比較初級的階段［5－7］，本研究主要針對前缸為傳統(tǒng)的四沖程發(fā)動機(jī)，后缸為非燃燒缸的工質(zhì)移缸類內(nèi)燃機(jī)，通過試驗(yàn)與仿真的手段，研究前缸和后缸行程不變缸徑改變時，容積比β對內(nèi)燃機(jī)性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

為了研究內(nèi)燃機(jī)工質(zhì)移缸過程，將1臺傳統(tǒng)4缸四沖程內(nèi)燃機(jī)改造成工質(zhì)移缸做功的新型循環(huán)內(nèi)燃機(jī)［8］。改造的內(nèi)燃機(jī)為4RB2車用汽油機(jī)，原機(jī)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 4RB2內(nèi)燃機(jī)技術(shù)參數(shù)

內(nèi)燃機(jī)改造方案見圖1。4個氣缸從左至右依次編號為1～4缸，1缸和4缸為傳統(tǒng)四沖程燃燒做功缸，2缸和3缸為四沖程非燃燒缸，1缸和4缸點(diǎn)火時刻相差360°曲軸轉(zhuǎn)角。將2缸和3缸的原進(jìn)氣門改為排氣門，原排氣門改為進(jìn)氣門，1缸排氣時2缸進(jìn)氣，4缸排氣時3缸進(jìn)氣，內(nèi)燃機(jī)4個氣缸的進(jìn)排氣正時見圖2。新鮮空氣先進(jìn)入燃燒缸，然后再通過轉(zhuǎn)接管進(jìn)入非燃燒缸，最后從非燃燒缸的排氣門排出內(nèi)燃機(jī)，后文將1缸和4缸稱作前缸，將2缸和3缸稱作后缸。后缸和前缸的容積比β定義為

式中：VL，VF，RL，RF分別為后缸與前缸的容積和缸徑；S為行程。

內(nèi)燃機(jī)缸蓋改造的三維模型見圖3。進(jìn)氣歧管和排氣歧管在內(nèi)燃機(jī)的同一側(cè)，兩個連接管分別連接前后缸。根據(jù)表2所示的工作順序改造內(nèi)燃機(jī)凸輪軸。改造后的內(nèi)燃機(jī)見圖4。

表2 試驗(yàn)機(jī)前后缸進(jìn)排氣門相位設(shè)計

2 仿真模型及驗(yàn)證

采用內(nèi)燃機(jī)一維仿真軟件GT－Power進(jìn)行仿真分析，仿真模型見圖5。其中1缸和4缸是前缸，工作過程和普通的四沖程內(nèi)燃機(jī)相同，2缸和3缸是后缸，1缸和4缸的排氣經(jīng)轉(zhuǎn)接管分別進(jìn)入2缸和3缸，2次做功后排入外界。仿真模型的主要參數(shù)見表3。

表3 GT－Power模型主要參數(shù)

圖6示出改造后的內(nèi)燃機(jī)在1 600，2 000，2 400r／min時，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比。從圖中可以看到，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，仿真模型可用于下一步的分析。

3 仿真結(jié)果與分析

分別在1 600，2 000，2 400，2 700，3 000，3 400，3 700，4 000，4 400，5 000，6 000r／min下進(jìn)行仿真，后缸缸徑由70mm逐漸增大到140mm，相應(yīng)地容積比由0.54增大到2.17，重點(diǎn)關(guān)注燃油消耗率和扭矩隨轉(zhuǎn)速和容積比變化的規(guī)律。

轉(zhuǎn)速為1 600r／min，2 400r／min，3 000r／min，扭矩為20N·m，40N·m，60N·m以及外特性工況時，燃油消耗率隨容積比的變化規(guī)律見圖7。以轉(zhuǎn)速1 600r／min為例進(jìn)行說明。扭矩為20N·m時，容積比為0.62時獲得最低燃油消耗率，相比原機(jī)燃油消耗率降低5.9%；扭矩為40N·m時，容積比為0.8時獲得最低燃油消耗率，相比原機(jī)燃油消耗率降低2%；扭矩為60N·m時，容積比為0.96時獲得最低燃油消耗率，相比原機(jī)燃油消耗率降低1%；當(dāng)工況為外特性時，容積比在1.34時取得最低燃油消耗率，相比原機(jī)燃油消耗率降低1.7%，外特性扭矩相比原機(jī)扭矩增大9.8%?？梢钥吹剑?dāng)轉(zhuǎn)速不變時，最低燃油消耗率容積比隨著扭矩的增大而增大，當(dāng)扭矩較小時，最低燃油消耗率容積比小于1，表明后缸的缸徑要小于前缸，這是因?yàn)閷τ谄蜋C(jī)來說，低負(fù)荷時節(jié)氣門開度較小，燃燒后的廢氣量也少，可用于二次膨脹的潛力??；而高負(fù)荷時，進(jìn)氣量增加，燃燒后的廢氣量較大，可用于二次膨脹的潛力大，此時就需要增大后缸容積，以便于實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)，從而提高整機(jī)的燃油利用率。轉(zhuǎn)速為2 400r／min，3 000r／min時的規(guī)律與1 600r／min時相似。

各轉(zhuǎn)速下，不同扭矩對應(yīng)的最低燃油消耗率容積比見圖8。可以看到，當(dāng)扭矩為20N·m，30N·m，40N·m時，不同轉(zhuǎn)速下最低燃油消耗率容積比是相同的；當(dāng)扭矩為50N·m和60N·m時，最低燃油消耗率容積比隨著轉(zhuǎn)速的提高有一點(diǎn)增加，但大部分轉(zhuǎn)速下是相同的。從圖中還可以看出，轉(zhuǎn)速的變化對最低燃油消耗率容積比的影響很小，而隨著扭矩增大，最低燃油消耗率容積比在逐漸增大。這是因?yàn)楦脑旌蟮膬?nèi)燃機(jī)主要目的是利用排氣能量做功，相比轉(zhuǎn)速，扭矩對排氣溫度的影響更顯著。

以上是部分負(fù)荷時，轉(zhuǎn)速、扭矩、燃油消耗率和容積比之間關(guān)系，下面研究外特性工況下，以上參數(shù)之間關(guān)系。方法為在某一轉(zhuǎn)速下改變?nèi)莘e比，找出該轉(zhuǎn)速下燃油消耗率最低時的容積比（即最低燃油消耗率容積比）和扭矩最大時的容積比（即最大扭矩容積比）；然后改變轉(zhuǎn)速再次計算。仿真結(jié)果見圖9，其中最低燃油消耗率降幅和最大扭矩增幅均是與容積比為1時相比得到。

由圖9可以看出，不同轉(zhuǎn)速下，容積比的變化對外特性燃油消耗率和扭矩的影響作用不同，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 400r／min時，可以得到全工況下的最低燃油消耗率和最大扭矩，燃油消耗率降幅和扭矩增幅分別達(dá)到2.1%和11.2%。隨著轉(zhuǎn)速的提高，容積比的影響越來越小，到轉(zhuǎn)速為4 000r／min時，容積比的變化已經(jīng)對改善外特性燃油消耗率沒有影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于4 000r／min時，隨著容積比的增加，外特性燃油消耗率持續(xù)惡化；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于4 400r／min時，容積比的增大對扭矩提升已沒有明顯效果。這是因?yàn)榈退贂r，后缸工質(zhì)有更充足的時間進(jìn)行膨脹做功，并且前后缸之間轉(zhuǎn)接管中殘留氣體更少，從而減小了前缸的背壓，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

隨著轉(zhuǎn)速的提高，外特性工況下最低燃油消耗率容積比和最大扭矩容積比越來越小。轉(zhuǎn)速大于4 000r／min時，原機(jī)能取得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性。當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 600～3 000r／min，容積比為1.65時，在外特性工況下發(fā)動機(jī)能夠獲得較大的扭矩，容積比為1.22時能獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

外特性下燃油消耗率和扭矩對容積比變化的敏感度不同，扭矩受到的影響更大，提升作用更明顯。

4 結(jié)論

a）部分負(fù)荷下，扭矩不變時，最低燃油消耗率容積比隨著轉(zhuǎn)速的增大幾乎不變；轉(zhuǎn)速不變時，最低燃油消耗率容積比隨著扭矩的增大逐漸增大；

b）在中低轉(zhuǎn)速時（小于4 000r／min），選擇適當(dāng)?shù)娜莘e比可以提高外特性工況下發(fā)動機(jī)的扭矩和燃油經(jīng)濟(jì)性，并且存在最優(yōu)轉(zhuǎn)速（2 400r／min），在最優(yōu)轉(zhuǎn)速下選擇合適的容積比，可以得到發(fā)動機(jī)全工況下的最低燃油消耗率或最大扭矩；

c）外特性工況下，相比燃油消耗率，扭矩受容積比的影響更大。

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