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轻型车辆可变压缩比的燃料经济性潜力

摘要：

提高压缩比（CR）是提高发动机效率的最基本方法之一，但实际上火花点火发动机的压缩比在高负荷下受到爆震和点火延迟的限制。可变压缩比机构可以通过在低负荷下使用更高的压缩比来提高效率，并且在高负荷下使用更低的压缩比（具有更少的点火延迟）。量化了将可变压缩比技术应用于现代小型增压汽油发动机的潜在效益。本次试验在多缸汽油涡轮增压直喷（GTDI）发动机上以几个不同的压缩比进行。将实验结果与文献中的效率与压缩比的相关性进行比较，并用于评估在多种发动机/车辆组合中的燃油经济性效益。对于具有自动变速器的车辆，EPA地铁-公路循环中两级可变压缩比的燃油经济性效益估计为2.5-3.1%，而US06循环相对于固定的10：1 的最低压缩比，效益为0.8-1.2 %。预计相同车辆采用连续可变压缩比的效益在EPA地铁-公路循环为2.7-3.3%，在US06循环为1.7-2.1%。同时还研究了压缩比对排气温度、峰值气缸压力、燃烧速率、低速扭矩和高速动力的影响。

介绍

目前已经有许多机制可以改变正在运行的发动机的压缩比。Asthana等人发表了对各种机制的回顾。一些已被提出的机制允许压缩比在最大值和最小值之间连续可变。其他的系统仅限于两个固定的压缩比，随着操作条件的变化而进行切换。

由于机构的耐久性、成本、尺寸、重量、NVH、摩擦以及其他的实际问题，可变压缩比在汽车上的实施仍然具有很大的挑战性。然而，日产已经宣布计划在即将生产的发动机上应用可变压缩比技术。

本研究评估了两级和连续可变压缩比相对于传统的固定压缩比 GTDI发动机的燃油经济性潜力。这里给出的结果是使用已公布的效率与压缩比的关系以及50%燃烧质量分数（CA50）的效率与曲轴角的关系，以及作为速度、载荷和压缩比的函数的爆震受限CA50的实验确定值。通过将实验导出的CA50的值与两个效率相关性结合，可变压缩比的效果就将在广泛的操作条件下得到评估。对于二级可变压缩比系统，使用迭代过程来选择能在环境保护局地铁-高速公路驾驶循环（M/H）中提供最佳的燃料经济性的两个压缩比。这项研究没有评估可变压缩比机制可能产生的副作用，如摩擦、寄生损失、缝隙损失和燃烧室形状磨损（传热损失、燃烧速率、空气燃料混合等）。

测试方法

表1.该发动机的主要参数

图1

8：1、9：1、10：1（顶部），11.9：1（中部）和13：1 （底部）压缩比的活塞

通过在传统的固定压缩比60°V6 GTDI发动机上进行负荷扫描，获得了实验结果（发动机规格参见表1）。基础压缩比为10：1。通过用较短的杆替换连杆并使用基准活塞以8：1和9：1的压缩比进行实验。通过使用生产的连杆搭配原型活塞实现更高的压缩比（11.9：1和13：1）（图1）。在每次改变压缩比时，发动机需要进行足够的改变以拆除和更换连杆或活塞，从而保持头部和缸体组件完好无损。这种方法尽可能地保留了基线机械摩擦。

图2

表2.发动机运行条件和限制

在1000、1500、2000和2500转的条件下进行负荷扫描，以评估压缩比改变对与燃料经济性驱动循环相关的发动机操作范围的影响。负荷扫描也在5000转下进行，以评估峰值功率附近的性能变化。 在给定的发动机转速下收集数据点，并逐渐增加制动平均有效压力（BMEP），如图2所示，直到BMEP由于表2中列出的一个或多个约束条件而不再增加。对于较低的发动机转速，最大BMEP也受到涡轮增压器系统提供的可用增压压力的限制。

基础发动机具有双独立可变凸轮正时。为了简化测试计划，对于每个RPM-BMEP设定点，以10：1的压缩比选择凸轮正时，并将相同的时间应用于所有其他压缩比。进一步的凸轮正时优化可能会稍稍改善非基线压缩比处的结果。

由于需要花费大量的时间和精力来改变压缩比，因此不可能进行背靠背测试。 为了在整个测试计划中始终如一地确定边界（爆震限制）火花正时，让一位有经验的技术人员进行了所有测试，使用基于气缸压力的爆震检测和可闻爆震的组合来确定边界火花提前量。

在低压缩比的高负荷情况下进行测试时遇到了一些提前点火事件。这阻止了充分探索低压缩比发动机额外的BMEP潜力。

实验结果

这项工作的实验部分是在2012年、2013年和2015年进行的。所有测试都使用了相同的物理发动机，但测试之间的长时间间隔需要多批燃料。要考虑到燃料热值的变化。

发动机效率（不受爆震限制）

评估压缩比对指示和制动器热效率（ITE和BTE）的影响并与之前公布的数据相关性进行比较。对于热效率计算，作为以前高辛烷值燃料研究的一部分而收集的数据被纳入，以提高MBT数据点的BMEP范围，并提供更多的数据来减少测量的不确定性。以下步骤是作为数据分析的一部分完成的：

1 .ITE和BTE是在每种燃料和压缩比的每个RPM和BMEP设定点计算的。

2.效率值被调整为化学计量的lambda;、虚设的BMEP以及MBT燃烧相位。

3.随后调整值在每个BMEP和发动机转速处作为压缩比的函数被回归。 在大多数速度加载点使用二阶回归。在2000rpm、16巴的BMEP下曲率不足以拟合二阶方程，因此使用线性回归。

4.然后使用回归来计算BTE和ITE的百分比变化作为相对于10：1压缩比的函数。

第二步中的调整用于消除实验数据中存在的BMEP和lambda;的微小变化。MBT相位的调整拓展了对在较高压缩比处受到敲击限制的BMEP水平的比较。MBT的相位调整采用Ayala、Gerty和Heywood发表的相关性研究进行。

ITE结果

指示热效率的定义为：

图3.在各种发动机转速下ITE相对于10：1压缩比的百分比变化（调整为受爆震限制的MBT燃烧相位）

ITE受传热、工作流体特性、压缩比、燃烧效率、燃烧持续时间、燃烧相位以及一定程度的排气门开启和进气门关闭时间的影响。测得的ITE随速度和负荷的变化很大，但当ITE变化与压缩比相比时变化较小（图3）。数据显示，对于2.62和5 巴BMEP下的高压缩比值（在1000转下无法获得2.62巴的数据），其益处较小。在14巴BMEP、1000 转下收集的数据是通过进气获得的，不包含在ITE图中。16巴BMEP在1000 转条件下无法通过所使用的实验硬件达到。

在7巴及以上的相同BMEP下，ITE与发动机转速之间的相对百分比变化几乎没有差异，但在5 巴和2.62巴BMEP处有一些变化。5巴BMEP的数据如图4所示。一般来说，在低发动机转速下的低负荷运行在压缩比增加时收益较小，这可能是由于在低负荷下传热是较大比例的热释放。图4中所示的曲线是gamma;=1.3时的理想气体循环的燃料转化效率。当以相对于压缩比10：1的百分比变化表示时，实验数据与理想曲线非常相似。这表明高压缩比时的燃烧室形状对火焰传播没有显著的不利影响。

图4.5巴BMEP时ITE相对于10：1 压缩比的百分比变化

BTE结果

图5.BTE相对于10：1 压缩比的百分比变化

对于制动器热效率（BTE）与压缩比（图5）也进行了类似的回归。机械摩擦倾向于随着压缩比增加而增加，这是由于较高的气缸压力导致了较高的活塞环负荷、较高的活塞侧负荷和较高的轴承负荷。为了评估可变压缩比对提高燃油经济性的潜力，在后面的分析中进行BTE回归计算。

测得的燃料消耗变化与压缩比的函数一致，与Caris和Nelson以及Smith、Heywood和Cheng发表的结果一致。注意：这项工作的数据是Smith等人使用的数据源之一。为了避免依赖单一数据来源，Smith等人的BTE结果（平均7个数据来源）被本文用于燃油经济性分析。

图5中的“Smith等”线通过拟合二阶回归，参考图6中的“更改相对制动”图得到。图5中的“Caris和Nelson”曲线是通过数字化参考图10和拟合三阶多项式的点生成的。回归被用于计算一系列压缩比中BTE的相对百分比变化，结果表示为相对于10：1压缩比的BTE百分比变化。

作为压缩比函数的边界线CA50

高压缩比火花点火发动机的主要限制是在高负荷下爆震。为避免爆震产生的噪音（以及可能的发动机损坏），延迟点火正时以避免在高负荷时爆震。来自MBT的这种延迟导致燃烧相位晚于发动机效率的最佳值。燃烧相位被量化为CA50，即燃料质量50%燃烧时的曲轴转角。

图6.测量受爆震限制的CA50与BMEP的所有点

图7.只测量受爆震限制的CA50与BMEP的化学计量点

为了量化可变压缩比的燃料经济性潜力，将压缩比对受爆震限制的CA50的影响映射为发动机转速、BMEP和压缩比（使用91RON E10燃料）的函数。在每个压缩比上进行负荷扫描，并且在每个负荷下调整点火正时至MBT或出现爆震。为了避免低速提前点火，点火延迟量限制在CA50lt;30°ATC。一旦受爆震限制的CA50在化学计量A/F达到30°ATC时，通过增加浓度来减轻0.75lambda;极限浓度时的敲击。2000转下的试验数据如图6所示（附加速度见附录）。

图7展示了作为BMEP函数的受爆震限制的CA50值的线性回归，数据与图6相同，不同之处在于已经消除了浓缩、漏气和MBT燃烧相位的点。在每个发动机转速下为每个压缩比产生受爆震限制的CA50与BMEP的回归，稍后将在燃料经济性分析中使用。

正如预期的那样，较高的压缩比会使发动机在高负荷时受到更多的爆震限制（图7）。这导致后期的燃烧阶段（更高的CA50）和高负荷时的效率降低，这将在下一部分中量化。还要注意的是，在高压缩比时，CA50对BMEP的斜率更陡峭。 改变压缩比不会导致受爆震限制的CA50简单偏移。

汽车燃料经济性分析

方法

如上所述，压缩比在不同的负荷下会不同地影响燃料消耗。在发动机不受爆震限制的低至中等负荷下，更高的压缩比提高了燃油消耗量。由于发动机在较高负荷下受到爆震限制，最佳压缩比是延迟燃烧相位的效率损失与较高压缩比的效率损失之间的平衡。在非常高的负荷下，最佳压缩比比基础发动机压缩比低。 在非常低的负荷下，动力在基础压缩比处就得到充分扩展，从而导致增加压缩比后燃油经济性降低。车辆燃油经济性分析将单独评估这些影响，以确定每个运行状态下的最佳压缩比值，并量化该运行状况下对燃料消耗的净影响。

使用Smith等人对BTE变化与压缩比（包括常规曲轴-滑块机构的摩擦效应）的回归以及高负荷下限制爆震的燃烧相位的燃料消耗影响分析来对燃料消耗量的相对影响进行量化。

图8.避免在2000 rpm、91 RON燃料下爆震所需的相对于MBT的CA50延迟

实线代表数据的回归，虚线是CR之间的线性插值

对高负荷爆震极限的分析始于受爆震限制的CA50的回归（例如图7中的2000转转速）。最佳CA50（即MBT燃烧相位）假定为7°ATC。图8中显示的值代表避免爆震所需的CA50延迟量。每条线代表不同的压缩比。以8、9、10、11.9和13：1的压缩比收集数据，然后通过线性回归减少散射（从回归中排除了漏气或显著浓缩的点）。使用线性插值估计其他压缩比的受爆震限制的CA50（例如，用虚线示出的8.5、9.5、10.5：1）。

使用Ayala等人公布的净燃料消耗量（NSFC）与燃烧阶段的回归来量化燃烧相位（即由于爆震产生的火花延迟）的燃料消耗影响。如参考文献所示，这种

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