压缩比对外部EGR发动机性能的影响
2018-05-31尹东升王君范宝庆李日成李晓龙
尹东升 王君 范宝庆 李日成 李晓龙
哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150060
1 引言
随着国家新法规的颁布实施，车企压力日渐增加，对降油耗、改善排放等技术重视程度不断加重。废气涡轮增压、机械增压、缸内直喷、分层燃烧、混合动力、VVT（内部EGR）、外部EGR等新技术应用到现今汽车发动机上。
我司亦面临如此严峻问题，并积极研究降油耗技术，并且将各技术整合匹配至同一发动机上，使发动机性能得到全方位提升。
在新产品研发过程中，我司对各设计优化进行试验验证。本文是以匹配VVT、涡轮增压、外部EGR等三项技术的汽油发动机为试验样机进行技术研究，通过提高该样机压缩比，并对提升前后发动机状态进行性能测试，对测试数据进行整理分析，确定提高压缩比可以降低发动机油耗率。
2 压缩比
压缩比表示活塞由下止点运动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。
即ε=Va/Vc
Va：气缸总容积；
Vc：燃烧室容积。
压缩比是发动机的重要参数之一。现代汽车发动机的压缩比，汽油机由于受到爆震的限制，压缩比一般为8～11。柴油机没有爆震的限制，压缩比一般为12～22。
压缩比对发动机性能有很大影响，汽油发动机在运转时，汽油与空气的混合气在活塞上行压缩过程时，混合气受到挤压，气体体积缩小，同时会发生涡流和紊流。压缩比提高缸内的温度会升高，混合气中的汽油分子更活跃，气化效果更好，汽油颗粒越小，加上涡流与紊流的作用，使汽油和空气混合的更充分，当火花塞点火时能够使混合气瞬间燃烧完毕，爆发能量高，所以提高压缩比会增加发动机的燃烧效率，提高发动机的动力输出，降低发动机油耗。
发动机的压缩比也不是可以无限增加的，高压缩比对发动机也会产生大量弊端，制约着发动机性能，可靠性。
压缩压力太高，燃烧室温度较高，汽油与空气的混合气中的汽油分子吸收大量的热量，达到它的燃点，此时燃烧室内出现热点或存有积碳，带有大量热量的汽油分子会发生自燃，而且该现象发生在火花塞点火前，这样发动机就会产生爆震。爆震对发动机的危害是巨大的，可能造成发动机动力下降、油耗增加、噪音加大、汽车舒适性变差、排放恶化（尾气产生异味、严重的一辆车尾气排放物相当于200多辆车正常状态时所产生的尾气含量），强烈的爆震还会引起敲缸、发动机熄火甚至可能导致活塞烧蚀，发动机拉缸等无法修复故障。
另外压缩比提高，缸内爆发压力增大，对燃烧室的气密要求就更加苛刻，否则容易漏气，降低发动机的动力性，长时间运转可能导致机体故障，如活塞环、气门座圈等零部件磨损增加，使其密封性变差。同时过多混合气进入曲轴箱，会引起机油变质，油膜建立困难，摩擦阻力增加。
所以，提高发动机压缩比可以降低发动机油耗，但发动机压缩比提升量必须以成本与发动机可靠性为制约条件进行优化。
我司在发动机压缩比提升技术优化方面有着丰富经验，曾有1.3L，1.6L发动机进行产品压缩比提升，压缩比由9.5提升至10，油耗约降低2%左右。
本文的试验样机为带外部EGR的发动机，EGR技术就是适量的发动机尾气通入到进气系统内，并在进气系统内与吸入的新鲜空气充分混合，进而稀释新鲜空气，改变富氧环境，降低峰值燃烧温度和燃烧压力，减慢火焰传播速度。该技术可以减少NOx 排放，抑制爆震产生，所以增加压缩比提升空间。我司直接将试验样机压缩比由9.0提升至10.0，并对压缩比提升前后进行性能测试，数据分析，从而确定压缩比的提升对带外部EGR发动机的影响。
3 试验方法
选取54个万有特性点（通过GT-POWER计算），调节EGR阀及进气节流阀使EGR率达到最优，并且使用INCA工具调节发动机点火角、相位角、喷油脉宽等ECU参数使发动机性能达到最优。压缩比改变前后试验方法一致。试验过程中注意事项如下：
（1）EGR率公式为进气CO2含量比上排气CO2含量；
（2）EGR率的最优判断标准：燃油消耗率最小且平均COV超过5%，此时点火角提前角不能超过48°；
（3）喷油脉宽调节时如排气温度不超限值时，以过量空气系数等于1为调节目标；如果排气温度超过限值，以排温限值为调节目标；
（4）试验过程中在变工况时，需要先通过INCA降低点火角和增加喷油，然后慢慢调节EGR率。如顺序颠倒易出现强烈爆震，可能导致发动机报废。
4 试验结果分析
压比从9提升到10， EGR调节到最优时，点火提前角仍然受到压缩比提升的影响而受到抑制，即EGR对爆震抑制作用没有完全抵消掉压缩比提升对爆震的促进作用。压比10相比压比9的点火提前角要小一些。具体见图1，EGR最优时压比9与压比10点火角对比曲线。
压比从9提升到10，EGR调整到最优时，由燃油消耗率MAP可知，在中小负荷，由于压比的增大，发动机热效率提高，发动机油耗率略有降低；但在大负荷工况，压比提升所带来的爆震弊端凸显，使油耗率上升。整体评价，燃油消耗率是有所降低的。具此时对比曲线见图2。
图1 EGR最优时压比9与压比10点火角对比曲线
图2 EGR最优时压比9与压比10燃油消耗率对比曲线
5 结语
①外部EGR涡轮增压发动机，压缩比的提升对发动机点火角仍然存在抑制作用；
②压缩比提升对发动机油耗率略有优化；
②此次试验结果对后期产品工程化具有一定促进作用。
