弹性活塞对汽油机低负荷性能的影响

郭正阳 杨启栋

摘 要：本文采用AVL-BOOST软件，分析并计算传统汽油机的工作过程和可变压缩比弹性活塞汽油机在低负荷工况下的工作过程。同时，探讨汽油机的负荷特性和低负荷工况下汽油机压缩比提高对发动机动力性能和经济性能的影响。

关键词：汽油机;压缩比;低负荷;经济性能

中图分类号：TH123+.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）32-0048-03

Abstract： In this paper， AVL-BOOST software was used to analyze and calculate the working process of traditional gasoline engine and the working process of variable compression ratio elastic piston gasoline engine under low load conditions. At the same time， the load characteristics of gasoline engines and the impact of increased gasoline engine compression ratios on engine power performance and economic performance under low load conditions were discussed.

Keywords： gasoline engine;compression ratio;low-load;economic performance

当前，汽油机主要应用于家用汽车中，就目前道路情况而言，汽车的实际行驶速度与其设计的理想工况相距较远[1]。在市区，汽车基本处于低负荷运行状态，因此有必要讨论汽车在低负荷下的运行性能。目前，汽车的废气排放问题成为人们关注的焦点，如何降低汽油机废气中氮氧化物的含量变得日益重要。

汽油机在低负荷状态下运转时，其工况特性与在标定工况下的特性有明显差别。低负荷运转时，汽油機的耗油率会明显较额定工况高，经济性变差，同时其缸内燃料燃烧情况与额定工况不同。因此，要分析汽油机的低负荷排放性能，以降低有害物质的排放。在低负荷时，汽油机的机动性能变差，为保证其有良好的机动性能，人们要分析汽油机的平均有效压力，探索改进方法。

压缩比对汽油机的经济性和动力性能有重要影响[2]。增大汽油机的压缩比，可以提高汽油机压缩终点的温度和压力，从而改善气缸中燃料的燃烧状况，提升汽油机汽缸中气体的最高压力和最高温度，增大汽油机气缸中气体的温度变化梯度，提升汽油机的热循环效率，以改善其经济性和动力性能。但是，在高负荷工况下，随着汽油机气缸中可燃气浓度的增加，高压缩比会导致爆燃概率上升，而爆燃会使汽油机性能急剧恶化。在较高负荷工况下，汽油机的负荷性能较为稳定，汽油机具有良好的经济性和动力性能[3]。因此，在较高负荷下，不需要明显提高压缩比。

因此，本研究分析了可变压缩比技术。它是指在高负荷工况下，汽缸压力较高，致使弹性活塞发生变形，压缩比减小，而在较低负荷工况下，压缩比维持在较高值，这样既提高了低负荷工况下的汽油机性能，又避免了高负荷工况下爆燃的发生。

1 可变压缩比弹性活塞概述

可变压缩比技术很早以前就已被人提出，其基本思想是通过改变发动机的燃烧室容积，达到改变压缩比的目的[4]。其概念简单，但由于各种原因，各种可变压缩比技术方案都未能得到应用。近年来，可变压缩比技术再次受到关注，很多公司已设计出可变压缩比汽油机。可变压缩比发动机通过可变压缩比弹性活塞来改变活塞运动，调整自身的压缩比。

弹性活塞结构如图1所示，大致由活塞顶部、压板、紧固件、弹性元件和活塞体组成。紧固件和活塞体之间采用螺纹连接，活塞顶部和压板之间采用刚性连接。可变压缩比弹性活塞的基本设计思路如下：弹性活塞的紧固件提供一定的预紧力，在燃烧过程中，气缸内的气体压力通过活塞顶和压板传递到弹簧上，当燃烧室内的气体压力大于紧固件提供的预紧力时，弹性元件形变增加，活塞顶部自动向下移动，让出部分体积给气体膨胀，使得燃烧室的容积变大，从而起到适当调整压缩比的目的。

2 搭建发动机模型

AVL-BOOST是为建立发动机模型而开发的一套模拟程序。它不仅可以在设计阶段预测发动机的稳态性能，还可以分析成型发动机的热力学过程。发动机模拟图如图2所示。该模型包括4个气缸（C1～C4）、4个喷嘴（I1～I4，代表混合器）、1个空气清洁器（CL1）、1个催化器（CAT1）、10个限流阀（R1～R10）、4个容积腔（PL1～PL4）、2个系统边界（SB1～SB2）、18个测量点（MP1～MP18）、34个连接管（1～34）和6个连接点（J1～J6）。

通过改变汽油机的压缩比，得到同一负荷工况和不同压缩比条件下汽油机的运行参数。在同一压缩比下，改变空燃比和气门进气量，调整汽油机负荷，得到汽油机的负荷特性。原型汽油机的主要技术参数如表1所示。

3 低负荷工况下汽油机的经济性

基于汽油机常用压缩比范围（6.0～12.0），本文选定讨论的压缩比为8.5、9.0、9.5、10.0、10.5。其间探究了低负荷工况下压缩比对汽油机经济性的影响，因此选用的负荷工况为10%负荷、25%负荷、50%负荷。压缩比变化后的指示热效率变化曲线如图3所示，压缩比变化后的指示燃油消耗率变化曲线如图4所示，压缩比变化过程中汽油机有效转矩变化曲线如图5所示。

4 结论

本文用AVL-BOOST软件对汽油机进行建模和模拟计算，分析了汽油机的负荷特性和提高压缩比后汽油机低负荷运行状态的性能变化。由汽油机负荷特性分析得出（此时汽油机压缩比为9.0），在汽油机负荷升高的过程中，汽油机的经济性和动力性能逐渐提升，其在较高负荷工况下有较为良好的性能，而在低负荷工况下，汽油机性能较差，随着负荷的减小，发动机性能逐渐恶化;压缩比的提高可以有效提升汽油机低负荷工况的经济性，汽油机经济性的主要表现为有效燃油消耗率，在低负荷工况下，当汽油机压缩比由8.5提高到10.5时，有效燃油消耗率降低约6%。在发动机运行过程中，弹性活塞可以改变发动机低负荷工况的压缩比，提升发动机低负荷工况的经济性。

参考文献：

[1]武汉市城市综合交通规划设计研究院.交通发展年度报告[Z].2019.

[2]孟兆生.压缩比对四行程内燃机性能的影响分析[J].内燃机，2001（2）：22-23.

[3]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]林承伯，刘敬平，唐琦军，等.一种可变压缩比对汽油机性能的影响[J].内燃机工程，2015（6）：84-90.