壓縮余隙對發動機性能的影響

楊海龍，辛欣，楊永春，劉斌，劉陽，劉波

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061;2.濰柴動力股份有限公司 發動機研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

發動機的生產制造受生產效率、生產成本等因素的影響，制造公差導致批量生產的發動機在性能上存在較為明顯的差異。若發動機生產一致性差，會造成燃油經濟性低、可靠性能差、排放性能下降等問題[1-2]。

在性能和排放均滿足開發要求的前提下，發動機設計公差導致壓縮余隙在一定范圍內波動[3]。壓縮余隙越大，壓縮比越小，發動機燃燒效率越低[4]。本文以某款柴油發動機為研究對象，通過理論分析、仿真設計、試驗驗證等方法，研究壓縮余隙波動對性能一致性的影響，確定壓縮余隙的最優設計公差。

1 壓縮比對換氣和燃燒的影響

內燃機壓縮比

(1)

式中：Vc為最小燃燒室容積，L；Vy為壓縮余隙變化導致的燃燒室容積變化，L；Vs為氣缸總容積，L。

在燃燒過程中，壓縮比影響壓縮終了時氣缸內工質的壓力和溫度，關系為：

tc=taεn-1

(2)

pc=paεn

(3)

式中：ta、tc分別為進氣終了和壓縮終了時氣缸內工質的溫度，℃；pa、pc分別為進氣終了和壓縮終了時氣缸內工質的壓力，kPa；n為氣缸內工質的多變指數。

1.1 壓縮比對換氣過程的影響

四沖程發動機的換氣過程是指從排氣門的開啟時刻到進氣門的關閉時刻。換氣過程應排凈本循環燃燒產生的廢氣，吸入下一循環的新鮮空氣。發動機壓縮余隙增加，壓縮比減小，殘余廢氣的相對量增加，充氣效率降低，過量空氣系數下降，新鮮進氣量減少，換氣質量下降，柴油機燃燒不完全，顆粒物增大，甚至冒黑煙[5-8]。

1.2 壓縮比對燃燒過程的影響

根據內燃機理論循環，壓燃發動機的實際循環簡化為混合加熱循環或等壓加熱循環[9]。基于等壓加熱循環理論可知，壓縮余隙變大，Vy正向變大，導致燃燒室容積變大，由式(1)～(3)可知，ε減小，會降低發動機熱效率，排放惡化，導致壓縮終了氣缸內工質的壓力和溫度降低，著火延遲期延長，燃燒品質差，工作粗暴[10-12]，影響柴油機運轉的平穩性和啟動性。壓縮余隙減小，導致燃燒室容積減小，ε增大，壓縮終了缸內壓力及溫度上升，提高熱效率和平均有效壓力。

2 壓縮余隙偏差對排放影響

2.1 影響壓縮余隙的關鍵參數

基于小位移旋量理論及Monte Carlo算法仿真建立幾何公差-壓縮比分析模型[13-14]，對壓縮余隙進行尺寸鏈公差計算[15]，得出該機型壓縮余隙公差為1.2±0.12 mm，壓縮余隙為1.08～1.32 mm，對應壓縮比為18±0.48。試驗樣機實測壓縮余隙為1.20 mm，對應壓縮比18。

對該機型的壓縮余隙及影響壓縮余隙的關鍵零部件尺寸進行生產普查，確定樣本標準差σ，為滿足數據統計最小樣本數要求，樣本數定為125臺，壓縮余隙、連桿大小頭孔中心距、機體頂面高度、缸套凸出量、活塞壓縮高的樣本標準差(記為σ1、σ2、σ3、σ4、σ5)，統計結果見表1。

按照儀器檢測參數(1.2)內容對分析參數進行設置，依據實驗方法(1.3)對3個高純錫產品樣品進行檢測；同時采用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)進行檢測。兩種方法的分析結果比對情況如表3所示。表中數值w為輝光放電質譜法(GD-MS)平行測定情況下所采集的8到12組數據的平均值，RSD為對應相對標準偏差。

表1 壓縮余隙及關鍵零部件樣本標準差統計結果 mm

由表1可知，各關鍵零部件的σ較低,低于制造業基本要求標準3.39。

2.2 仿真與試驗

某款6缸、直列、增壓中冷重型柴油發動機主要參數如表2所示。采用CONVERGE軟件建立燃燒模型[16-17]，通過試驗數據對標校正，模型中缸蓋渦流比設置為1.1，壓縮余隙為1.2 mm，噴油器噴霧錐角為149°，噴孔直徑為0.169 mm。在保持其它參數不變的前提下，調整壓縮余隙為0.2～2.0 mm，步長為0.3 mm，壓縮余隙與壓縮比對應關系如表3所示。

表2 某重型柴油機發動機主要參數

表3 壓縮余隙與壓縮比對應關系

選取額定工況、最低油耗工況進行分析，額定工況轉速為1900 r/min，轉矩為1480 N·m；最低油耗工況轉速為1200 r/min，轉矩為1200 N·m。在2種工況壓縮余隙分別為0.2、0.5、0.8、1.2、1.4、1.7、2.0 mm下對發動機的NOx排放、483煙度和燃油消耗率進行仿真計算，并計算偏差率

式中：Qi為不同壓縮余隙下各參數的測量結果，Q′為壓縮余隙1.2 mm各參數的測量結果，為中值。

仿真試驗下2種工況不同壓縮余隙相關參數偏差率如圖1所示。

a)NOx排放 b)483煙度 c)燃油消耗率

由圖1a)可知：壓縮余隙為0.8～1.4 mm，NOx排放偏差率在2種工況下均隨著壓縮余隙增加而升高，最大偏差率在±10%以內，滿足NOx排放偏差率小于±10%的一致性要求；

由圖1b)可知：壓縮余隙為0.8～1.4 mm，483煙度偏差率在額定工況隨壓縮余隙增加而降低，但變化率較??；在最低油耗工況隨壓縮余隙增加而升高，偏差率在±10%以內，滿足483煙度值偏差率小于±25%的一致性要求。

由圖1c)可知：壓縮余隙為0.8～1.4 mm，燃油消耗率偏差率在2種工況下均在±1.5%以內，滿足燃油消耗率偏差率小于±2%的一致性要求。

經仿真試驗驗證，建議壓縮余隙控制在0.8～1.4 mm。

2.3 臺架試驗

采用同款柴油機，進行發動機磨合試驗后確認發動機額定工況下的各項邊界條件參數均符合技術要求，具體對比結果如表4所示。

表4 邊界條件參數技術要求和實測結果對比

臺架試驗所用儀器、設備主要包括：1)HORIBA7500DEGR氣體排放儀，0～10%量程的測量精度為±0.2%，10%～100%量程的測量精度為±2%；2)AVL483顆粒排放儀，測量精度為0.01%；3)FCD1301發動機測控系統；4)AVL73油耗儀，測量精度為≤0.12%；5)JD445測功機，測量精度為±2%。

試驗過程中，更換不同厚度的缸蓋墊片模擬不同的壓縮余隙，調整壓縮余隙為0.7、0.9、1.2、1.3、1.6 mm，對應的壓縮比分別為16.0、16.8、18.0、18.4和19.6，測量額定工況及最低油耗工況在不同壓縮余隙下的NOx排放、483煙度和燃油消耗率，計算相關參數偏差率，如圖2所示。

由圖2a)可知：壓縮余隙為0.7～1.6 mm時，NOx排放偏差率在2種工況不同壓縮比下均在±5%以內，滿足NOx排放偏差率小于±10%的一致性要求。

由圖2b)可知：壓縮余隙為0.7～1.6 mm時，483煙度偏差率在2種工況不同壓縮比下均大于中值，額定工況最大偏差率為+16%，最低油耗工況最大偏差率為+43%，超出483煙度偏差率小于±25%的一致性要求，建議壓縮余隙控制在0.96～1.26 mm。

由圖2c)可知：壓縮余隙為0.7～1.6 mm時，燃油消耗率偏差率在2個工況表現出的規律不一致，最低油耗工況燃油消耗率最大偏差率+1.7%；額定工況壓縮余隙為0.7～1.2 mm時，燃油消耗率低于中值，2種工況在不同壓縮比下均滿足燃油消耗率偏差率小于±2%的一致性要求。

a)NOx b)483煙度值 c)燃油消耗率

經臺架試驗驗證，建議壓縮余隙控制在0.96～1.26 mm。

3 結論

1)通過額定工況和最低油耗工況下不同壓縮余隙對NOx排放、483煙度和燃油消耗率的影響，結合仿真試驗與臺架試驗可有效判斷壓縮余隙的設計范圍。

2)由于當前燃燒仿真計算精度較低，應以試驗結果為主，仿真結果作為參考，建議壓縮余隙控制在0.96～1.26 mm范圍內。

3)壓縮余隙公差設計不僅要考慮設計成本、加工工藝，還要考慮發動機性能一致性及排放要求。