可变压缩比在全米勒循环汽油机上的潜力

【德】 M.Sens S.Zwahr M.Günther

可变压缩比在全米勒循环汽油机上的潜力

【德】 M.Sens S.Zwahr M.Günther

考虑到实际行驶排放(RDE)法规，目前改善汽油机部分负荷效率已成为焦点。德国IAV公司和茨维克的西萨克森大学的试验研究已证实，利用米勒循环与可变压缩比组合的方案能显著降低小型化机型的部分负荷燃油耗。

汽油机 全米勒循环 可变压缩比

1 试验研究的课题

首先，米勒(Miller)循环的优点是能消除部分负荷时的节流，并且为全负荷时达到尽可能高的效率对压缩比提出了要求，而在高平均压力情况下爆燃和提前燃烧限制了压缩比，因而应弄清楚的是，在全负荷下进行米勒循环时是否允许较高的压缩比，而且混合气不加浓可以满足实际行驶排放(RDE)法规的要求。

2 压缩比和膨胀比的影响

无论是压缩比还是膨胀比都是几何量值，而且是气缸最大容积与压缩容积(VC)之比。在膨胀时被简化成从压缩容积(VC)开始，整个活塞下行行程都可用于膨胀。在这种情况下，膨胀比(εExpas)与几何压缩比(εgeom)相等：

(1)

在进气门早关(FES)情况下真正产生压缩效果的有效压缩比也被称为压缩比(εCompr),它与1个点有关，在该点上气缸压力与进气压力相等，这个点在进气门提早或延迟关闭(ES)的情况下偏离下止点，这个位置上的气缸容积比排量小1个“压缩延迟容积”(VKV)：

(2)

压缩延迟容积相对于排量的比例被称为米勒度。在理论奥托循环过程(理想空气循环过程εCompr=εExpas)情况下，效率仅与压缩比有关，而当压缩与膨胀不同时，则存在其他的依赖关系。为了定量，考察基准全负荷进气过程及其他具有不同进气定时(即不同的)的情况(图1)。

图1 负荷控制方法和残余废气额对换气的影响

为了能进行比较，规定混合气质量保持恒定不变，因而输入的热量是相同的。为了使进气门早关时的气缸充气状况相同，通过提高进气压力来增大进气空气的密度，因而在负荷较大时必须进行增压。为了简化，规定没有扫气压差(pSaug=pAbg)。由于进气门早关存在进气压力下从进气门关到下止点的膨胀过程，因而这种方法在高压过程中存在压缩损失，所以在无节流的情况下，在膨胀比保持不变时，随着米勒度的增大只能达到较低的效率(图2中的①点)。若压缩比较小时加大膨胀比(图2中的②点)，则理论上也可提高效率。在排量保持不变的情况下，减小压缩容积也能加大膨胀比(式1)。若在减小压缩容积的情况下要保持压缩比不变，就要提早关闭进气门(式2)，但这有可能受到可供使用的增压压力的限制，这样就会导致按照图2中的③点进行调节。

图2 压缩比和膨胀比对热效率的影响(等容加热理想空气循环)

此外，图2还表明，在压缩比较大的情况下，膨胀比的变化强烈影响到效率，而在压缩比较小且米勒度较大的情况下这种影响明显减小。所以，在膨胀比加大时，使得压缩比减小才不会引起效率的变化，因此在米勒度大的情况下，在理论空气循环中几乎不可能补偿因压缩比减小而引起的效率损失。

在部分负荷时，进气门早关有助于减少换气功。为了弄清楚各种影响因素，首先有必要定义p-V图(图1)上的面积份额。斜线部分代表总的换气损失。压缩线右侧的区域定义为压缩损失，而其左侧部分定义为节流损失。如果采用进气门早关可以完全消除节流，那么虽然节流损失降低到零，但是同时压缩损失也增大了，因此采用米勒过程并不能成功地完全避免换气损失(节流损失和压缩损失)。除此之外，在进气门关闭较早的情况下，压缩终了时的温度水平较低，这在实际发动机上会使着火条件恶化。与压缩比低的情况不同，随着压缩比的增大可能会影响到温度损失。即使在理论循环过程中，随着米勒度的增大，膨胀比对效率的影响会降低，但是在实际发动机上温度的提高又能改善着火条件。为保持相同的压缩温度所需的几何压缩比与米勒度之间的关系可用公式(3)来表达：

(3)

因此，例如当米勒度为50%(进气门约在下止点前100°CA关闭)时，几何压缩比要提高约90%。

3 进气门早关对实际奥托循环过程的影响

理论上要选择尽可能大的压缩比(图2)，但是实际上摩擦、壁面热损失或真实气体损失会增加，限制了其优点的发挥，因而只能达到局部的最佳值。最佳的压缩比主要取决于壁面热损失(图3)。如果借助于进气门早关缩短压缩，从而降低温度水平，那么也减少了壁面热损失，并且存在提高几何压缩比的潜力，在米勒循环发动机上降低壁面热损失允许较高的最佳压缩比，因而在实际发动机上能够用加大膨胀比来补偿压缩损失，而不受壁面热损失的限制。

但是，如果压缩比匹配不合适的话，那么气缸中较低的温度会降低残余废气兼容性，这在消除节流的情况下，可能会导致进一步提高米勒度，或浪费了提高几何压缩比的潜力，由于会达到稳定运转极限而既不能稀释混合气又不能提高米勒度。因此米勒循环发动机最佳的压缩比不仅改善了热效率，而且还补偿了混合气着火方面的缺陷，为了实现高效的米勒循环，在部分负荷时提高压缩比是绝对必要的。图3表明当高压缩比21时，气缸温度仍比几何压缩比为18且无进气门早关时低，虽然高压过程效率较好，但是为了获得高的残余废气兼容性，将压缩比提高到超过高压过程中最佳的压缩比是有利的，然而应弄清楚在爆燃极限范围内高压缩比达到的程度。

4 全负荷时进气门早关方法的潜力

在缩短有效压缩行程因而能在大的膨胀比降低温度的情况下，采用合适的增压装置促使效率显著提高，除了压缩损失之外，必须容忍因涡轮前的压力提高而导致的较大的排气功。图4示出了1台两级增压汽油机在平均有效压力为2.4MPa和转速为 2000r/min 运行工况点几何压缩比和有效压缩比变化时的模拟计算结果。正如所知的那样，在进气门正常关闭的情况下，过多地增大几何压缩比从而防止爆燃时推迟燃烧会导致燃油耗增加，而在低压缩比情况下，虽然能采用较早的燃烧位置，但是这种优势却被热效率的过度降低抵销了。在这种情况下，最佳的几何压缩比大约为10。在借助于米勒循环实现大膨胀比和缩小压缩比情况下的运行条件是较好的。从不同的膨胀比出发，进气门关闭提早调节，直至增压恰好仍能实现规定的负荷，由于有利的燃烧位置而达到燃油耗改善效果。

图4 在转速为2000r/min和平均有效压力为2.4MPa工况点时压缩几何比和有效压缩比的影响

值得注意的是，在达到大的米勒度的情况下所能获得的好处几乎仍不取决于膨胀比，不过大的膨胀比并无害处。但是，如果增压并不能成功地得到所需的增压压力，那么就只能采用较小的米勒度。因此，最佳膨胀比和最佳压缩比的选择依赖于增压器的实际工作能力，但是在可使用的增压压力下，即使采用米勒循环可实现的压缩比仍被限制在12～14的范围内。

5 部分负荷时进气门早关与残余气体消除节流的比较

进气门早关降低节流损失的潜力随着负荷的降低而减小,同时压缩损失会增大,例如在转速为 2000r/min 和平均有效压力为1.1MPa的运行工况点，借助于进气门早关换气损失仅降低约35%。在充量被残余气体稀释的情况下，因进气曲线平行移向较高的压力，节流损失和压缩损失同时减小(图1(a))，而残余气体物性在高压过程中又会带来附加的好处，因此残余气体消除节流有利于提高总效率，但是最大可能的残余气体份额受到气缸中着火条件的限制。典型的残余气体率为25%～33%，这取决于压缩和燃烧过程，进气门早关时较低的气缸温度会明显降低残余气体的兼容性。在米勒度过大的情况下，由于残余气体兼容性方面的损失，最终会得到较低的效率，因此在米勒循环与残余气体消除节流相结合的情况下，部分负荷的效率能被调节到最高，所以应绝对避免残余气体兼容性方面的缺陷。附加提高压缩比超过图3所示出的最佳值就能达到这样的目标。通过采用高的残余气体率(RGA)减少换气损失就能补偿降低的高压效率(图5)。

图5 在转速为2000r/min和平均有效压力为0.1MPa工况点,在米勒循环情况下残余气体份额对换气功相对效率、高压效率和指示效率的影响

6 进气门早关时压缩的可变性

如果平均压力提高到2.4MPa(图4)，那么即使气缸充量被彻底冷却，在最大可能的米勒度情况下最佳压缩比也不会大于12～14，但是如此高的平均压力在米勒度很大的情况下，对换气和增压压力准备提出了很高的要求，而且可达到的压缩比取决于燃烧过程的抗爆性和热管理，特别是充量运动的设计。在增压汽油机以较小的负荷(2000r/min,0.1MPa)运行时，采用进气门早关与残余气体消除节流相组合在残余气体份额为23%时的最佳压缩比为20.5(图6)，而与之相比采用节气门调节在残余气体份额为30%时的最佳压缩比为15。由此就会得到明显不同的燃油耗，采用节气门调节为524g/(kW·h)，而采用米勒方案则为 462g/(kW·h)。在转速为2000r/min和平均有效压力为0.2MPa时，燃油耗达到331g/(kW·h)，而平均摩擦压力为0.045MPa时，燃油耗可实现 300g/(kW·h)。随着负荷进一步提高到0.5MPa，在全米勒循环情况下,在中等负荷范围内被调节到压缩比高达15时就会显示出明显的燃油耗优势(图6)。

图6 在转速为2000r/min部分负荷时采取不同消除截流策略情况下有效比燃油耗与几何压缩比的关系

7 结论

对于非常低的部分负荷运行工况点，采用米勒循环和残余气体消除节流相结合的方式可达到的高压缩比部分可超过20，其中尚未考察为实现高残余气体率而采用超高压缩比的效果。根据增压装置的不同，全负荷在平均有效压力为2.4MPa时仍采用相对较低的压缩比仍为12～14，因而在整个负荷范围内压缩比的变化达到7。根据发动机-汽车匹配的不同，要决定压缩比到底需要怎样的可变性。针对部分负荷燃油耗优化的汽油机需要进气门关闭能自由选择，并与全可变压缩比相组合。

2016-06-02)