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荷效率已成為焦點。德國IAV公司和茨維克的西薩克森大學的試驗研究已證實，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)點是能消除部分負荷時的節(jié)流，并且為全負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，因而應弄清楚的是，在全負荷下進行米勒循環(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(FES)情況下真正產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，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，而當壓縮與膨脹不同時，則存在其他的依賴關系。為了定量，考察基準全負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)。由于進氣門早關存在進氣壓力下從進氣門關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，這樣就會導致按照圖2中的③點進行調節(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。

在部分負荷時，進氣門早關有助于減少換氣功。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。壓縮線右側的區(qū)域定義為壓縮損失，而其左側部分定義為節(jié)流損失。如果采用進氣門早關可以完全消除節(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系可用公式(3)來表達：

(3)

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

3 進氣門早關對實際奧托循環(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，為了實現高效的米勒循環(huán)，在部分負荷時提高壓縮比是絕對必要的。圖3表明當高壓縮比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，然而應弄清楚在爆燃極限范圍內高壓縮比達到的程度。

4 全負荷時進氣門早關方法的潛力

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果。正如所知的那樣，在進氣門正常關閉的情況下，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)，進氣門關閉提早調節(jié)，直至增壓恰好仍能實現規(guī)定的負荷，由于有利的燃燒位置而達到燃油耗改善效果。

圖4 在轉速為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)可實現的壓縮比仍被限制在12～14的范圍內。

5 部分負荷時進氣門早關與殘余氣體消除節(jié)流的比較

進氣門早關降低節(jié)流損失的潛力隨著負荷的降低而減小,同時壓縮損失會增大,例如在轉速為 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)流相結合的情況下，部分負荷的效率能被調節(jié)到最高，所以應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。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計。在增壓汽油機以較小的負荷(2000r/min,0.1MPa)運行時，采用進氣門早關與殘余氣體消除節(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)氣門調節(jié)為524g/(kW·h)，而采用米勒方案則為 462g/(kW·h)。在轉速為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 300g/(kW·h)。隨著負荷進一步提高到0.5MPa，在全米勒循環(huán)情況下,在中等負荷范圍內被調節(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 在轉速為2000r/min部分負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系

7 結論

對于非常低的部分負荷運行工況點，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高殘余氣體率而采用超高壓縮比的效果。根據增壓裝置的不同，全負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，因而在整個負荷范圍內壓縮比的變化達到7。根據發(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。針對部分負荷燃油耗優(yōu)化的汽油機需要進氣門關閉能自由選擇，并與全可變壓縮比相組合。

2016-06-02)