彈性活塞對(duì)汽油機(jī)低負(fù)荷性能的影響

郭正陽 楊啟棟

摘 要：本文采用AVL-BOOST軟件，分析并計(jì)算傳統(tǒng)汽油機(jī)的工作過程和可變壓縮比彈性活塞汽油機(jī)在低負(fù)荷工況下的工作過程。同時(shí)，探討汽油機(jī)的負(fù)荷特性和低負(fù)荷工況下汽油機(jī)壓縮比提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能的影響。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī);壓縮比;低負(fù)荷;經(jīng)濟(jì)性能

中圖分類號(hào)：TH123+.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）32-0048-03

Abstract： In this paper， AVL-BOOST software was used to analyze and calculate the working process of traditional gasoline engine and the working process of variable compression ratio elastic piston gasoline engine under low load conditions. At the same time， the load characteristics of gasoline engines and the impact of increased gasoline engine compression ratios on engine power performance and economic performance under low load conditions were discussed.

Keywords： gasoline engine;compression ratio;low-load;economic performance

當(dāng)前，汽油機(jī)主要應(yīng)用于家用汽車中，就目前道路情況而言，汽車的實(shí)際行駛速度與其設(shè)計(jì)的理想工況相距較遠(yuǎn)[1]。在市區(qū)，汽車基本處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，因此有必要討論汽車在低負(fù)荷下的運(yùn)行性能。目前，汽車的廢氣排放問題成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，如何降低汽油機(jī)廢氣中氮氧化物的含量變得日益重要。

汽油機(jī)在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其工況特性與在標(biāo)定工況下的特性有明顯差別。低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，汽油機(jī)的耗油率會(huì)明顯較額定工況高，經(jīng)濟(jì)性變差，同時(shí)其缸內(nèi)燃料燃燒情況與額定工況不同。因此，要分析汽油機(jī)的低負(fù)荷排放性能，以降低有害物質(zhì)的排放。在低負(fù)荷時(shí)，汽油機(jī)的機(jī)動(dòng)性能變差，為保證其有良好的機(jī)動(dòng)性能，人們要分析汽油機(jī)的平均有效壓力，探索改進(jìn)方法。

壓縮比對(duì)汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能有重要影響[2]。增大汽油機(jī)的壓縮比，可以提高汽油機(jī)壓縮終點(diǎn)的溫度和壓力，從而改善氣缸中燃料的燃燒狀況，提升汽油機(jī)汽缸中氣體的最高壓力和最高溫度，增大汽油機(jī)氣缸中氣體的溫度變化梯度，提升汽油機(jī)的熱循環(huán)效率，以改善其經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能。但是，在高負(fù)荷工況下，隨著汽油機(jī)氣缸中可燃?xì)鉂舛鹊脑黾?，高壓縮比會(huì)導(dǎo)致爆燃概率上升，而爆燃會(huì)使汽油機(jī)性能急劇惡化。在較高負(fù)荷工況下，汽油機(jī)的負(fù)荷性能較為穩(wěn)定，汽油機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能[3]。因此，在較高負(fù)荷下，不需要明顯提高壓縮比。

因此，本研究分析了可變壓縮比技術(shù)。它是指在高負(fù)荷工況下，汽缸壓力較高，致使彈性活塞發(fā)生變形，壓縮比減小，而在較低負(fù)荷工況下，壓縮比維持在較高值，這樣既提高了低負(fù)荷工況下的汽油機(jī)性能，又避免了高負(fù)荷工況下爆燃的發(fā)生。

1 可變壓縮比彈性活塞概述

可變壓縮比技術(shù)很早以前就已被人提出，其基本思想是通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室容積，達(dá)到改變壓縮比的目的[4]。其概念簡(jiǎn)單，但由于各種原因，各種可變壓縮比技術(shù)方案都未能得到應(yīng)用。近年來，可變壓縮比技術(shù)再次受到關(guān)注，很多公司已設(shè)計(jì)出可變壓縮比汽油機(jī)?？勺儔嚎s比發(fā)動(dòng)機(jī)通過可變壓縮比彈性活塞來改變活塞運(yùn)動(dòng)，調(diào)整自身的壓縮比。

彈性活塞結(jié)構(gòu)如圖1所示，大致由活塞頂部、壓板、緊固件、彈性元件和活塞體組成。緊固件和活塞體之間采用螺紋連接，活塞頂部和壓板之間采用剛性連接?？勺儔嚎s比彈性活塞的基本設(shè)計(jì)思路如下：彈性活塞的緊固件提供一定的預(yù)緊力，在燃燒過程中，氣缸內(nèi)的氣體壓力通過活塞頂和壓板傳遞到彈簧上，當(dāng)燃燒室內(nèi)的氣體壓力大于緊固件提供的預(yù)緊力時(shí)，彈性元件形變?cè)黾?，活塞頂部自?dòng)向下移動(dòng)，讓出部分體積給氣體膨脹，使得燃燒室的容積變大，從而起到適當(dāng)調(diào)整壓縮比的目的。

2 搭建發(fā)動(dòng)機(jī)模型

AVL-BOOST是為建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型而開發(fā)的一套模擬程序。它不僅可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，還可以分析成型發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)過程。發(fā)動(dòng)機(jī)模擬圖如圖2所示。該模型包括4個(gè)氣缸（C1～C4）、4個(gè)噴嘴（I1～I(xiàn)4，代表混合器）、1個(gè)空氣清潔器（CL1）、1個(gè)催化器（CAT1）、10個(gè)限流閥（R1～R10）、4個(gè)容積腔（PL1～PL4）、2個(gè)系統(tǒng)邊界（SB1～SB2）、18個(gè)測(cè)量點(diǎn)（MP1～MP18）、34個(gè)連接管（1～34）和6個(gè)連接點(diǎn)（J1～J6）。

通過改變汽油機(jī)的壓縮比，得到同一負(fù)荷工況和不同壓縮比條件下汽油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。在同一壓縮比下，改變空燃比和氣門進(jìn)氣量，調(diào)整汽油機(jī)負(fù)荷，得到汽油機(jī)的負(fù)荷特性。原型汽油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 低負(fù)荷工況下汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性

基于汽油機(jī)常用壓縮比范圍（6.0～12.0），本文選定討論的壓縮比為8.5、9.0、9.5、10.0、10.5。其間探究了低負(fù)荷工況下壓縮比對(duì)汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響，因此選用的負(fù)荷工況為10%負(fù)荷、25%負(fù)荷、50%負(fù)荷。壓縮比變化后的指示熱效率變化曲線如圖3所示，壓縮比變化后的指示燃油消耗率變化曲線如圖4所示，壓縮比變化過程中汽油機(jī)有效轉(zhuǎn)矩變化曲線如圖5所示。

4 結(jié)論

本文用AVL-BOOST軟件對(duì)汽油機(jī)進(jìn)行建模和模擬計(jì)算，分析了汽油機(jī)的負(fù)荷特性和提高壓縮比后汽油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的性能變化。由汽油機(jī)負(fù)荷特性分析得出（此時(shí)汽油機(jī)壓縮比為9.0），在汽油機(jī)負(fù)荷升高的過程中，汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能逐漸提升，其在較高負(fù)荷工況下有較為良好的性能，而在低負(fù)荷工況下，汽油機(jī)性能較差，隨著負(fù)荷的減小，發(fā)動(dòng)機(jī)性能逐漸惡化;壓縮比的提高可以有效提升汽油機(jī)低負(fù)荷工況的經(jīng)濟(jì)性，汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的主要表現(xiàn)為有效燃油消耗率，在低負(fù)荷工況下，當(dāng)汽油機(jī)壓縮比由8.5提高到10.5時(shí)，有效燃油消耗率降低約6%。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，彈性活塞可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況的壓縮比，提升發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況的經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]武漢市城市綜合交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.交通發(fā)展年度報(bào)告[Z].2019.

[2]孟兆生.壓縮比對(duì)四行程內(nèi)燃機(jī)性能的影響分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2001（2）：22-23.

[3]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4]林承伯，劉敬平，唐琦軍，等.一種可變壓縮比對(duì)汽油機(jī)性能的影響[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2015（6）：84-90.