壓縮比對外部EGR發動機性能的影響

尹東升 王君 范寶慶 李日成 李曉龍

哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

隨著國家新法規的頒布實施，車企壓力日漸增加，對降油耗、改善排放等技術重視程度不斷加重。廢氣渦輪增壓、機械增壓、缸內直噴、分層燃燒、混合動力、VVT（內部EGR）、外部EGR等新技術應用到現今汽車發動機上。

我司亦面臨如此嚴峻問題，并積極研究降油耗技術，并且將各技術整合匹配至同一發動機上，使發動機性能得到全方位提升。

在新產品研發過程中，我司對各設計優化進行試驗驗證。本文是以匹配VVT、渦輪增壓、外部EGR等三項技術的汽油發動機為試驗樣機進行技術研究，通過提高該樣機壓縮比，并對提升前后發動機狀態進行性能測試，對測試數據進行整理分析，確定提高壓縮比可以降低發動機油耗率。

2 壓縮比

壓縮比表示活塞由下止點運動到上止點時，氣缸內氣體被壓縮的程度。

即ε=Va/Vc

Va：氣缸總容積；

Vc：燃燒室容積。

壓縮比是發動機的重要參數之一。現代汽車發動機的壓縮比，汽油機由于受到爆震的限制，壓縮比一般為8～11。柴油機沒有爆震的限制，壓縮比一般為12～22。

壓縮比對發動機性能有很大影響，汽油發動機在運轉時，汽油與空氣的混合氣在活塞上行壓縮過程時，混合氣受到擠壓，氣體體積縮小，同時會發生渦流和紊流。壓縮比提高缸內的溫度會升高，混合氣中的汽油分子更活躍，氣化效果更好，汽油顆粒越小，加上渦流與紊流的作用，使汽油和空氣混合的更充分，當火花塞點火時能夠使混合氣瞬間燃燒完畢，爆發能量高，所以提高壓縮比會增加發動機的燃燒效率，提高發動機的動力輸出，降低發動機油耗。

發動機的壓縮比也不是可以無限增加的，高壓縮比對發動機也會產生大量弊端，制約著發動機性能，可靠性。

壓縮壓力太高，燃燒室溫度較高，汽油與空氣的混合氣中的汽油分子吸收大量的熱量，達到它的燃點，此時燃燒室內出現熱點或存有積碳，帶有大量熱量的汽油分子會發生自燃，而且該現象發生在火花塞點火前，這樣發動機就會產生爆震。爆震對發動機的危害是巨大的，可能造成發動機動力下降、油耗增加、噪音加大、汽車舒適性變差、排放惡化（尾氣產生異味、嚴重的一輛車尾氣排放物相當于200多輛車正常狀態時所產生的尾氣含量），強烈的爆震還會引起敲缸、發動機熄火甚至可能導致活塞燒蝕，發動機拉缸等無法修復故障。

另外壓縮比提高，缸內爆發壓力增大，對燃燒室的氣密要求就更加苛刻，否則容易漏氣，降低發動機的動力性，長時間運轉可能導致機體故障，如活塞環、氣門座圈等零部件磨損增加，使其密封性變差。同時過多混合氣進入曲軸箱，會引起機油變質，油膜建立困難，摩擦阻力增加。

所以，提高發動機壓縮比可以降低發動機油耗，但發動機壓縮比提升量必須以成本與發動機可靠性為制約條件進行優化。

我司在發動機壓縮比提升技術優化方面有著豐富經驗，曾有1.3L，1.6L發動機進行產品壓縮比提升，壓縮比由9.5提升至10，油耗約降低2%左右。

本文的試驗樣機為帶外部EGR的發動機，EGR技術就是適量的發動機尾氣通入到進氣系統內，并在進氣系統內與吸入的新鮮空氣充分混合，進而稀釋新鮮空氣，改變富氧環境，降低峰值燃燒溫度和燃燒壓力，減慢火焰傳播速度。該技術可以減少NOx 排放，抑制爆震產生，所以增加壓縮比提升空間。我司直接將試驗樣機壓縮比由9.0提升至10.0，并對壓縮比提升前后進行性能測試，數據分析，從而確定壓縮比的提升對帶外部EGR發動機的影響。

3 試驗方法

選取54個萬有特性點（通過GT-POWER計算），調節EGR閥及進氣節流閥使EGR率達到最優，并且使用INCA工具調節發動機點火角、相位角、噴油脈寬等ECU參數使發動機性能達到最優。壓縮比改變前后試驗方法一致。試驗過程中注意事項如下：

（1）EGR率公式為進氣CO2含量比上排氣CO2含量；

（2）EGR率的最優判斷標準：燃油消耗率最小且平均COV超過5%，此時點火角提前角不能超過48°；

（3）噴油脈寬調節時如排氣溫度不超限值時，以過量空氣系數等于1為調節目標；如果排氣溫度超過限值，以排溫限值為調節目標；

（4）試驗過程中在變工況時，需要先通過INCA降低點火角和增加噴油，然后慢慢調節EGR率。如順序顛倒易出現強烈爆震，可能導致發動機報廢。

4 試驗結果分析

壓比從9提升到10， EGR調節到最優時，點火提前角仍然受到壓縮比提升的影響而受到抑制，即EGR對爆震抑制作用沒有完全抵消掉壓縮比提升對爆震的促進作用。壓比10相比壓比9的點火提前角要小一些。具體見圖1，EGR最優時壓比9與壓比10點火角對比曲線。

壓比從9提升到10，EGR調整到最優時，由燃油消耗率MAP可知，在中小負荷，由于壓比的增大，發動機熱效率提高，發動機油耗率略有降低；但在大負荷工況，壓比提升所帶來的爆震弊端凸顯，使油耗率上升。整體評價，燃油消耗率是有所降低的。具此時對比曲線見圖2。

圖1 EGR最優時壓比9與壓比10點火角對比曲線

圖2 EGR最優時壓比9與壓比10燃油消耗率對比曲線

5 結語

①外部EGR渦輪增壓發動機，壓縮比的提升對發動機點火角仍然存在抑制作用；

②壓縮比提升對發動機油耗率略有優化；

②此次試驗結果對后期產品工程化具有一定促進作用。