基于公差分布和過程能力的發動機壓縮比研究

趙紅波

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海201206）

0 引言

隨著中國汽車市場的大力發展，作為汽車最重要零件之一，發動機的研究是重中之重。壓縮比表示發動機氣缸中空氣或可燃混合氣在壓縮過程中被壓縮的程度，可以由發動機的結構尺寸決定，即氣缸總容積與燃燒室容積之比［1］。壓縮比是發動機的一個重要參數，與發動機功率、扭矩及燃燒效率息息相關，所以許多汽車制造公司很重視壓縮比方面的研究。國內外針對壓縮比作了大量研究。鄭建軍等人研究了壓縮比對燃燒與排放特性的影響［2］。崔彪等人針對可變壓縮比進行研究［3］。

隨著中國市場一致被看好，發動機的競爭也越加激烈，雖然國內廠家也不斷引進國際先進的生產線，但國內的發動機本土制造水平與國外相比，仍有一定差距。這是由于發動機的設計與制造水平往往是，設計脫離自身生產能力，或生產線或設備不能完全滿足設計要求，造成發動機質量不高。其最直觀的表現就是發動機的性能波動比較大，即使是同批生產的發動機，各方面的性能也有很大差異。壓縮比是影響發動機性能的最重要參數之一，其適當性和一致性直接影響發動機的動力性、經濟性和排放水平。

發動機的制造精度即制造過程能力在很大程度上影響發動機壓縮比的精確度。鐘明明等人對發動機的關鍵尺寸進行敏感性分析，分析壓縮比對發動機性能的影響，建立尺寸到性能的Kriging模型［4］。龔華等人通過對發動機公差的優化來提高發動機性能， 減小燃油消耗率［5］。

壓縮比分為幾何壓縮比和有效壓縮比，幾何壓縮比是一個幾何物理量，它只由發動機設計結構決定。有效壓縮比不僅與氣缸結構有關，還受實際的進氣狀況的影響，其中最大影響因素是相關尺寸的公差。有效壓縮比難于直接控制，但與幾何壓縮比有很強的關系。

本研究從幾何壓縮比模型進行研究，建立尺寸與壓縮比關系模型，為搭建尺寸公差-性能模型做準備。

1 壓縮比偏差產生的原因及影響

影響發動機壓縮比的相關尺寸偏差主要來源是：零部件之間的干涉、工裝、夾具定位的不穩定性、零件本身的偏差、裝配影響等［6］，如圖1所示。

圖1 壓縮比相關尺寸偏差主要來源

2 尺寸-壓縮比關系模型

壓縮比定義是，活塞運行至下止點時，氣缸工作總容積與活塞運行到上止點時氣缸容積之比：

式中：Va活塞運行至下止點時氣缸工作總容積，mm3；Vc活塞運行至上止點氣缸容積，mm3；Vs為氣缸工作容積，mm3；V1為活塞燃燒室容積，mm3；V2為缸蓋燃燒室容積，mm3；V3為缸墊孔容積，m3；V4為缸體燃燒室容積，mm3；V5為配缸間隙容積，mm3。

發動機氣缸內各容積簡化如圖2所示。

2.1 尺寸與氣缸各容積關系

2.1.1 氣缸工作容積Vs

圖2 發動機氣缸各容積簡化

氣缸工作容積Vs是指活塞上下運動所掃過的容積。Vs計算如下：

式中：d為氣缸直徑，mm；rc為曲軸回轉半徑，mm。

2.1.2 活塞燃燒室容積V1

活塞燃燒室容積V1由在活塞表面凹陷的活塞坑形成的容積，其大小由活塞結構和形狀決定。

2.1.3 缸蓋燃燒室容積V2

缸蓋燃燒室容積V2是指氣缸蓋火力面上氣門凹坑形成的容積，其大小由發動機氣缸蓋結構和形狀決定。

2.1.4 缸墊孔容積V3

缸墊孔容積V3是指氣缸蓋墊片在發動機裝配后，其上的氣缸孔容積。V3計算如下：

式中：dn為氣缸蓋墊片缸孔直徑，mm；hn為氣缸蓋墊片在發動機裝配后的高度，mm。

2.1.5 缸體燃燒室容積V4

缸體燃燒室容積V4是指活塞達到上止點時，活塞頂面到缸體頂面形成的容積。V4計算如下：

式中：d為氣缸直徑，mm；hm為缸體上表面到上止點活塞頂面距離，mm；hc為缸體上表面到曲軸孔中心的距離，mm；rc為曲軸回轉半徑，mm；hr為連桿中心距，mm；hp為活塞壓縮高度，mm。

2.1.6 配缸間隙容積V5

配缸間隙容積V5是指第1道氣環頂面處的活塞與缸體內壁之間的間隙容積。V5計算如下：式中：h為活塞第1道氣環槽上環岸到活塞頂面的距離，mm；d為氣缸直徑，mm；d1為活塞頂面圓直徑，mm。

2.2 尺寸-壓縮比計算模型

根據尺寸與各容積的關系，得到尺寸-壓縮比計算模型：

2.3 尺寸參數的分布和過程能力

發動機制造過程屬于批量生產。大量的試驗、統計和理論分析表明，其偏差由許多相互獨立的隨機因素引起，而這些偏差因素中有沒有任何特殊傾向，偏差的分布服從正態分布規律，其分布曲線稱為正態分布曲線 （高斯曲線）。

根據正態分布過程能力指數Cp的大小，可以將尺寸參數分為4個等級，如表1所示。

表1 過程能力參數Cp與尺寸精度等級關系

在發動機生產過程中，一般將公式 （6）中d、dn、hc、rc、hr和dn這幾個參數定義為特殊關鍵尺寸， 要求其CP＞1.67， 其余尺寸參數要求CP＞1.0。

3 發動機壓縮比自動計算模型

首先，假設影響壓縮比的各個尺寸符合正態分布，根據尺寸-壓縮比計算數學模型，同時考慮各個尺寸的名義值、公差和過程能力參數Cp；然后，采用Matlab軟件開發 “發動機壓縮比自動計算模型”。

3.1 模型的輸入

計算模型可以實現2種形式的輸入：1）設計數據輸入；2）實際生產數據輸入。如圖3所示，可以通過輸入影響壓縮比的各個尺寸的名義值、上下公差和對應的過程能力參數CP，實現基于設計要求的壓縮比分布計算。在實際生產中，常?？梢垣@得大量的實際生產測量數據，這就要求計算模型可以讀取某個尺寸的實際生產數據，然后根據實際生產數據，實現基于實測數據的壓縮比分析計算。計算模型的輸入界面如圖3所示。

3.2 模型的輸出

計算模型主要基于各個尺寸公差的分布進行發動機壓縮比的自動計算，可以實現計算并輸出如下結果：壓縮比分布曲線、壓縮比中值、壓縮比3σ、壓縮比名義值、壓縮比極值和壓縮比超差概率及各個尺寸公差對最終結果貢獻度。計算模型的計算和輸出界面如圖4所示?！?/p>

圖3 計算模型的輸入界面

圖4 計算模型的計算和輸出界面

4 壓縮比計算實際案例

以某款發動機為實際案例，運用發動機壓縮比自動計算模型進行尺寸對壓縮比貢獻率的計算。

4.1 計算輸入

根據式 （6），識別出影響壓縮比的尺寸和公差，并收集相關參數如表2所示。

4.2 計算結果與分析

采用發動機壓縮比自動計算模型計算壓縮比的分布、極值等參數，獲得各個尺寸對壓縮比的貢獻率，如表3所示。

表2 各相關尺寸的名義值、公差和Cp

由表3可見，對壓縮比貢獻較大的幾個參數分別是連桿中心距hr、缸蓋燃燒室容積V2、曲軸回轉半徑rc、活塞燃燒室容積V1和缸體頂面到曲軸孔中心hc。這幾個尺寸參數對整個壓縮比的貢獻達到了85.8%；同時，曲軸回轉半徑rc和缸體頂面到曲軸孔中心hc的公差是相同的，但是最終計算發現二者對于壓縮比的貢獻不同。這說明了控制尺寸的時候，不僅僅要關注尺寸公差的大小，還應考慮尺寸的過程能力參數Cp的要求。

表3 各尺寸對壓縮比貢獻率

5 結論

本文通過研究尺寸與壓縮比的關系、過程能力參數對壓縮比分布和貢獻率的影響，采用MATLAB軟件開發并形成了尺寸與壓縮比自動計算模型。該模型不僅可以根據公差和過程能力要求計算獲得壓縮比分布等參數，還能通過實測值的導入方式分析實際生產零件對壓縮比的影響。這為在設計和生產過程中控制和改進壓縮比偏差提供了分析手段和依據。

s