小排量汽油机压缩比的选取

夏天雷

（1.同济大学汽车学院，上海200092；2.上海汽车商用车技术中心，上海200438）

小排量汽油机压缩比的选取

夏天雷1,2

（1.同济大学汽车学院，上海200092；2.上海汽车商用车技术中心，上海200438）

由发动机原理我们知道，随着压缩比的增大会使燃烧的热效率提高，也可以使进气效率提高，发动机的功率、扭矩增大，有效燃油消耗率降低，但同时也会增加未燃混合气自燃的倾向。压缩比过大，热效率提高程度减慢，发动机燃烧粗暴，导致机件的机械负荷过大，排放污染严重。本文通过分析与试验给出不同压缩比对小排量汽油发动机的影响以及应用93号无铅汽油的合理压缩比的选取。

汽油机压缩比试验

1 引言

随着我国经济建设的发展，科学技术水平的不断提高，汽车行业正在由引进国外技术国内生产逐步转向自主研发阶段。小排量发动机的研发过程中，通过大量的试验得到了很多宝贵的试验数据，积累了很多经验。其中之一就是改变发动机的压缩比，再加上点火时刻和空燃比的调整来获得我们想要的发动机输出性能特性，进而改善整车性能。

2 原理分析

压缩比的定义就是发动机混合气体被压缩的程度，用压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积（即燃烧室容积）之比来表示。压缩比与发动机性能有很大关系，我们都知道汽油机在运转时，吸进来的通常是汽油与空气混合而成的混合气，在压缩过程中活塞上行，除了挤压混合气使之体积缩小之外，同时也发生了涡流和紊流两种现象。当密闭容器中的气体受到压缩时，压力是随着温度的升高而升高。若发动机的压缩比较高，压缩时所产生的气缸压力与温度也相应提高，混合气中的汽油分子能汽化得更完全，颗粒能更细密，再加上刚才所说的涡流和紊流效果和高压缩比所得到的密封效果，使得在下一刻运动中，当火花塞产生火花时就能使得这混合气在瞬间内完成燃烧的动作，释放出最大的爆发能量，来成为发动机的动力输出。反之，燃烧的时间延长，会耗费能量，并增加发动机的温度而并非参与发动机动力的输出，所以我们就可以知道，高压缩比的发动机就意味着可具有较大的动力输出[1]。

标准空气循环（也叫做奥托循环）如图1所示。奥托循环由4个过程组成，这4个过程构成一个闭合的循环。奥托循环基于下列假设：循环的工作介质是空气，并将其看作是理想的气体；压缩过程1－2和膨胀过程3-4被看作是无摩擦的绝热（无热损失）过程；内部燃烧过程2-3的加热用外部热源的加热来替代，在这个过程中，体积保持不变；排气过程由定容放热（回到初始温度）来替代。尽管这些条件与发动机的实际情况明显不同，但关于内燃机性能的热力学分析还是给出了一些有用的提示，尤其在压缩比的影响方面。

图1 汽油机理论循环

内燃机原理中我们知道任何理论循环的经济性可以用热效率来评定。热效率是转变为循环净功的热量AWi与消耗全部热量Q的比值

η=AWi/Q

式中，

A——功的热当量，即单位功所相当的热量

A=1/427

Wi——指示功

在理论循环中，除了损失热量Qs外，没有其他任何损失。因此，转变为有用功的热量AWi为Q与Qs的差值

AWi=Q-Qs

热效率为

如图1汽油机理论循环过程，汽油机符合定容理论循环模型。即，图中2-3过程为定容加热过程，燃料燃烧释放的全部热量Q为

Q=Gcv（T3-T2）

式中，

G——工作介质的质量

cv——工作介质的定容比热

T2——压缩终止介质温度

T3——介质燃烧完成温度

如上图汽油机理论循环中4-1过程为定容放热过程，理论下损失的热量Qs为

Qs=Gcv（T4-T1）

T1——压缩初始介质温度

T4——膨胀做功后介质温度

将Q和Qs代入热效率公式，可得

η=1-Qs/Q=1-（T4-T1）/（T3-T2）

将压缩初始时介质温度表示其他各阶段温度

T2=T1εk-1

T3=T1εk-1λρ

T4=T1λρ

式中，

ε——压缩比，V2/V1

K——绝热指数

λ——压力升高比，P3/P2

ρ——预胀比，汽油机符合定容理论循环模型，膨胀比为1

将各阶段的温度代入热效率公式，可得

η=1-1/εk-1

由此可知，定容加热循环的汽油机的热效率，随压缩比ε和绝热指数k的增大而增加。

平均指示压力Pi

式中，

Vh——每缸工作容积。

由此可知，平均指示压力Pi随压缩初始压力P1和压缩比ε及压力升高比λ的增大而增加[2]。

3 提高汽油机压缩比的主要方法

汽油机的热效率和压缩比之间呈非线性关系，两者关系可用式η=1-1/εk-1表示。假设在k不变的情况下，可得图2所示的曲线图。当压缩比较低时，随压缩比提高，热效率提高很快，但压缩比较高时，提高压缩比的效果就很小了。

图2 定容加热时热效率η与压缩比ε的关系

同时，随着压缩比的增加，虽然燃烧加快，但是由于压缩终了温度升高，远离火焰中心的末端混合气自燃倾向增大，以致在火焰还未来得及传播到整个燃烧室之前，便自行燃烧，形成爆燃。因此，为了提高汽油机的性能，就要根据对爆燃影响因素的分析，创造一定的条件，以便在爆燃倾向小的情况下，提高压缩比。

提高压缩比的方法主要有减小燃烧室的容积，包括磨削气缸盖、在燃烧室内增加固定物，使用较薄的气缸垫等，还有改变活塞的形式，使活塞头部与缸盖围成的燃烧室的容积减小。活塞是发动机中工作条件最严酷的零件，作用在上的有气体力和往复惯性力，这些力都是周期性变化的，且其最大值都很大。燃烧室内的压力可以达到14～16 MPa。活塞顶面与高温燃气直接接触，使活塞顶的温度很高，活塞的温差很大。温度高使活塞材料的机械强度显著下降，使活塞的热膨胀量增大，从而使活塞与其相关零件的正确配合遭到破坏。另外，由于冷热不均所产生的热应力容易使活塞顶面开裂。更换制造质量更高的活塞也可以提高活塞的强度、减小活塞的质量以减小活塞和气缸间的摩擦力，可以使活塞抵御更大的燃烧压力。往复运动会更顺畅，在高负荷时间较长时，活塞的运行可以更可靠。

4 影响提高压缩比的主要因素

汽油机不正常燃烧可分为爆震燃烧和表面点火2类。汽油机发生爆震燃烧时的外部特征是：气缸内发生尖锐的金属敲击声，亦称之为敲缸。当出现轻微敲缸时，发动机功率上升，油耗下降；但发生严重敲缸时，则会造成冷却系统过热，功率下降，油耗上升，是一种极其有害的不正常燃烧。产生爆震燃烧的原因是在正常火焰传播的过程中，处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气（常称为末端混合气），进一步受到压缩和辐射热的作用，加速了先期反应。如果在火焰前锋尚未到达之前，末端混合气已经自燃，则这部分混合气燃烧速度极快，火焰速度可达每秒百米甚至数百米以上，使局部压力、温度很高，并伴随有冲击波。汽油机发生爆燃时，缸内压力冲击波反复撞击缸壁，发出尖锐的敲缸声，严重时会破坏缸壁表面的附面气膜和油膜，使传热增加，气缸盖和活塞顶温度升高，冷却系统过热，汽油机功率减少，油耗升高，甚至还会造成活塞、气门烧坏，轴瓦破裂，火花塞绝缘体破坏，润滑油氧化成胶质，活塞环粘在活塞环槽内等故障。故汽油机不允许在严重爆燃的情况下工作。

燃料性能是影响爆燃的重要因素，汽油的主要性能有抗爆性、蒸发性和热值。汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力，汽油的抗爆性与其化学成分有关。大量实验表明，烷烃抗爆性最差，烯烃次之，环烷烃抗爆性较好，芳香烃抗爆性最好。汽油的牌号是以辛烷值来划分的。通常有两种辛烷值，一种是研究法辛烷值（RON），另一种是马达法辛烷值（MON），它们的试验条件和方法略有区别。对于同一汽油，研究法辛烷值大于马达法辛烷值，两者的差值称为敏感度，它们和的一半称为抗爆指数。车用汽油抗爆性我国在20世纪80年代后期开始采用研究法测定，并以辛烷值作为指标，辛烷值越低，爆燃的倾向越大，允许压缩比越低。因此提高汽油的辛烷值是提高压缩比与减小爆燃倾向的前提[3]。

5 压缩比的试验分析

试验设备如图3所示。采用AVL试验设备，联合汽车电子发动机控制系统，在上海汽车商用车技术中心动力总成开发部试验科14号试验室进行，试验过程是在同一台发动机上，排量为1.5L，通过改变活塞顶厚度先后制造出压缩比为9.5∶1、10.2∶1、10.5∶1的发动机；使用93号无铅汽油，保持同样的空燃比的前提下先后不调整点火时刻和调整点火时刻至MBT点的扭矩进行测量。

图3 发动机试验台架

图4和图5分别为压缩比试验结果。试验结果按照ISO_1585标准进行修正。由试验结果我们可以得出以下结论：

图4 不同压缩比发动机的外特性扭矩对比

（1）使用93号无铅燃油，调整点火时刻使发动机达到MBT点的情况下，压缩比10.5∶1的发动机的性能最高，比压缩比10.2∶1发动机各转速扭矩平均高出约1.3%，比压缩比9.5∶1发动机各转速扭矩平均高出约2.4%；对于国产93号无铅汽油，小排量汽油机压缩比选取10.5∶1较为合理。

图5 不同压缩比发动机的外特性点火角对比

（2）由于压缩比10.5∶1发动机易产生爆燃的现象，为避免爆燃现象的产生，在点火时刻选取上需比压缩比9.5∶1发动机点火时刻滞后5～6℃A。

1周龙保．内燃机学[M]．北京：机械工业出版社，2005．

2马特A J，普林特M A．发动机试验理论与实践[M].宋进桂等，译．北京：机械工业出版社，2009．

3蔡兴旺．汽车构造与原理（上册发动机）[M]．北京：机械工业出版社，2009．

Selection of Compression Ratio for Small Displacement Gasoline Engine

Xia Tianlei
（1.College of Automobile,Tongji University,Shanghai 200092,China; 2.SAIC Motor Commercial Vehicle,Shanghai 200438,China）

We know from the engine principle that with the increase of compression ratio,thermal efficiency and intake efficiency will improve,torque and power will increase and fuel consumption will decrease,but the tendency of self-ignition of unburned gas mixture will also increase.Thermal efficiency increase extent will slow down when the compression ratio is too high.Rough engine combustion will result in too high mechanical load on parts and serious pollution emissions.This paper gives influence of different compression ratios on small-displacement gasoline engines through analyses and tests.How to select a reasonable compression ratio for RON 93#is also explained in the paper.

gasoline engine,compression ratio,test

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.02.005

来稿日期：2012-03-16

夏天雷（1983-），男，大学本科，主要研究方向为内燃机台架试验。