基于可变压缩比技术的车用汽油机性能研究

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本文基于团队项目申请的一种可变压缩比(VCR)机构的专利,在某汽油机上搭载了此VCR机构,进行了模型仿真与计算分析。文中以某1.5L汽油机为例,对其进行VCR机构的搭载,研究了VCR结构的运动规律。其原理为通过调节机构对相位角β进行调节,来改变辅助活塞的停留位置,即改变了燃烧室容积,从而改变发动机压缩比,设计了辅助活塞等零件的尺寸,推导出压缩比的变化范围为9~18。通过台架实验获得了基础机实验数据,对基础机进行了性能描述,以GT-Power软件为计算平台,搭建了基础机的一维仿真模型,并以实验数据校准,误差不超过5%,在此基础上添加VCR模块,实现了向可变压缩比模型的转变。以2000r/min、8.16bar工况为例,设计了10个仿真案例,仿真结果发现,随着压缩比CR的增加,燃烧过程中缸内压力随之增大,峰值压力阶段提前,同时放热率峰值增大,点火延迟缩短,燃烧相位提前,使得活塞有足够的膨胀来工作。当CR从10增加到18时,有效膨胀比EER和有效膨胀效率EEE分别增加8.1%和9.6%。又当压缩比CR从10增加到14.5时,VCR发动机的有效燃油消耗率BSFC和指示燃油消耗率ISFC分别降低了10.5%和12.8%。由此可得,此VCR发动机的动力性和燃油经济性均得到了提高,而NOX、爆震指数皆随压缩比CR的增加而增加。于是本文采用废气再循环EGR来降低NOX和爆震倾向。在添加废气再循环EGR模块后,对EGR率和压缩比CR进行了矩阵扫描,以2000r/min、进气压力2bar、4bar、6bar、8bar为例,仿真结果发现,在EGR的存在下,发动机性能随压缩比的变化规律与无EGR时一致,当压缩比固定时,随着EGR率的增加有效热效率略有提升,泵气损失PMEP和有效燃油消耗率BSFC也随之下降,这说明EGR能有效提升发动机的燃油经济性和动力性,以压缩比10为例,计算可知有效热效率提升了1.5%,泵气损失降低了近47%,有效燃油消耗率降低了5.1%,并且随着EGR率的增加,爆震指数KI明显下降,证明EGR能有效改善爆震。
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