阿特金森循環(huán)對(duì)整車油耗影響的研究

彭成張德勝崔亞彬?qū)O科李東輝劉亞奇（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

?

阿特金森循環(huán)對(duì)整車油耗影響的研究

彭成1，2張德勝1，2崔亞彬1，2孫科1，2李東輝1，2劉亞奇1，2
（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

阿特金森循環(huán)凸輪型線配合較高的幾何壓縮比是一種行之有效的節(jié)能減排手段。而且隨著混合動(dòng)力的發(fā)展，采用阿特金森循環(huán)后發(fā)動(dòng)機(jī)低速外特性的不足也可得到彌補(bǔ)。可以說(shuō)，阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)更適合于未來(lái)的整車匹配需求。基于AVL_Boost整機(jī)仿真模型設(shè)計(jì)了阿特金森循環(huán)型線，并結(jié)合AVL_Cruise整車仿真提供的整車工況點(diǎn)對(duì)整車油耗改善情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)。初步探討了阿特金森循環(huán)對(duì)于整車油耗的影響。

凸輪型線阿特金森循環(huán)油耗

引言

阿特金森循環(huán)本質(zhì)上是通過(guò)對(duì)進(jìn)排氣相位的控制，使得一部分進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮充量回流，相當(dāng)于改變了部分負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，并且通過(guò)適當(dāng)?shù)卦黾訋缀螇嚎s比使得發(fā)動(dòng)機(jī)的有效壓縮比恢復(fù)甚至高于原機(jī)水平。最終削弱了發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)節(jié)氣門(mén)處的節(jié)流損失，從泵氣損失方面降低發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗［1］。因此阿特金森循環(huán)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的降低主要體現(xiàn)在中小負(fù)荷，這部分區(qū)域也是整車常用工況點(diǎn)的分布區(qū)域，阿特金森循環(huán)可以有效地改善整車油耗。但為了實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)設(shè)計(jì)出來(lái)的凸輪型線需相位非常靠后，在有限的可調(diào)相位下，往往無(wú)法兼顧外特性時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。因此在增壓能量不足的低速段，充氣效率對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響非常明顯。阿特金森循環(huán)凸輪型線不可避免地帶來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)低速性能的降低。

1　工況點(diǎn)選擇

本次基于阿特金森循環(huán)進(jìn)行的整車油耗優(yōu)化工作是基于一款實(shí)際3.0T整車進(jìn)行，因此我們可以利用現(xiàn)有的實(shí)車數(shù)據(jù)建立整車仿真模型，獲得較為準(zhǔn)確的整車工況點(diǎn)。再此基礎(chǔ)上進(jìn)行凸輪型線優(yōu)化，一方面可以獲得整車油耗改善最大的型線，一方面可以為優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗改善向整車油耗進(jìn)行轉(zhuǎn)化提供基礎(chǔ)。

1.1整車模型搭建

根據(jù)整車參數(shù)以及整車試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行整車仿真模型的建立與校核。整車仿真模型及參數(shù)如圖1、表1所示。

圖1　整車仿真模型

表1　整車參數(shù)

1.2整車NEDC仿真結(jié)果

進(jìn)行整車仿真模型校核，保證與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)搭載整車NEDC的工況點(diǎn)分布，如圖2所示。

圖2是軟件自動(dòng)擬合出的重要發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)，作者對(duì)這些工況點(diǎn)再次擬合，最終確定三個(gè)工況點(diǎn)作為型線選取和優(yōu)化的基礎(chǔ)，分別是1 500 r/min@ 0.2 MPa，1 500 r/min@0.4 MPa和2 000 r/min@0.6 MPa。分別占NEDC循環(huán)時(shí)間比重的30%，12%和10%，如

表2所示。這將是估算整車油耗改善的必要條件。

表2　選取的工況點(diǎn)及時(shí)間比重

2　凸輪型線優(yōu)化

2.1一維仿真模型搭建

進(jìn)行凸輪型線優(yōu)化首先需要建立一維仿真模型，這里我們利用boost軟件建立優(yōu)化所需的模型如圖3所示，并進(jìn)行相關(guān)校核，共校核三個(gè)工況點(diǎn)，即是整車仿真中確定的1 500 r/min@0.2 MPa，1 500 r/min@ 0.4 MPa和2 000 r/min@0.6 MPa。保證仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果誤差在5%以內(nèi)（包括油耗、扭矩、空氣流量等關(guān)鍵性能參數(shù)）。

2.21500 r/min@0.2 MPa基礎(chǔ)型線掃點(diǎn)

為初步確定阿特金森循環(huán)型線的優(yōu)化方向。經(jīng)對(duì)標(biāo)，獲得基礎(chǔ)凸輪型線如圖4所示，并將原機(jī)壓縮比由9.7提升至12。

圖3　BOOST整機(jī)仿真模型

圖4　標(biāo)桿機(jī)型凸輪型線

圖5　掃點(diǎn)云圖—BMEP

選取最重要的1 500 r/min@0.2 MPa工況點(diǎn)，將該套型線帶入校核好的整機(jī)仿真模型中，設(shè)定進(jìn)氣VVT動(dòng)作為-50°至50°，排氣VVT動(dòng)作為-50°至50°，進(jìn)行掃點(diǎn)計(jì)算，獲得結(jié)果云圖如圖5～8所示。

在保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能，保證0.3以下的殘余廢氣系數(shù)，降低泵氣功獲得最優(yōu)比油耗這一系列的要求下［2］。結(jié)合四張?jiān)茍D結(jié)果，可以認(rèn)為該套型線在黑圈處的VVT角度下，實(shí)現(xiàn)了阿特金森循環(huán)。可以在該套型線基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，獲得更優(yōu)結(jié)果。

圖6　掃點(diǎn)云圖—泵氣功

2.3凸輪型線優(yōu)化

為獲得更優(yōu)型線結(jié)果，在基礎(chǔ)型線上進(jìn)行持續(xù)期的改變，分別增加，獲得5個(gè)進(jìn)氣型線，5個(gè)排氣型線，如圖9、10所示，共25種型線組合。設(shè)定VVT角度進(jìn)行掃點(diǎn)計(jì)算，并利用modefrontier軟件進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的篩選。

進(jìn)行掃點(diǎn)計(jì)算后獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)量比較大，使用mode-frontier軟件進(jìn)行結(jié)果數(shù)據(jù)的處理，可以極大地節(jié)省尋優(yōu)過(guò)程所耗費(fèi)的時(shí)間，如圖11所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)初步的篩選和判斷，我們?cè)O(shè)定了以下尋優(yōu)條件：

1）BMEP等于0.2 MPa；

2）BSFC最低；

圖7　掃點(diǎn)云圖—BSFC排氣生成曲線

圖8　掃點(diǎn)云圖—?dú)堄鄰U氣系數(shù)排氣生成曲線

圖9　不同持續(xù)期排氣型線

圖10　不同持續(xù)期進(jìn)氣型線

圖11　進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的mode-frontier模型

3）殘余廢氣系數(shù)小于0.3。

獲得滿足以上條件的型線組合柱狀圖如圖12、13所示。

出現(xiàn)幾率最高的持續(xù)期組合為ex300in290，第二高的持續(xù)期組合為ex280in290。此時(shí)需要結(jié)合整車油耗的改善結(jié)果在兩個(gè)方案中選取一個(gè)最優(yōu)。

圖12　滿足條件的排氣持續(xù)期

圖13　滿足條件的進(jìn)氣持續(xù)期

3　整車油耗改善

根據(jù)整車NEDC循環(huán)計(jì)算結(jié)果，我們將NEDC工況點(diǎn)擬合成了三個(gè)重要的工況點(diǎn)，1 500 r/min@0.2 MPa，1 500 r/min@0.4 MPa和2 000 r/min@0.6 MPa。共占整個(gè)NEDC循環(huán)時(shí)間比重的52%。把優(yōu)化獲得的兩套最優(yōu)持續(xù)期帶入這三個(gè)工況點(diǎn)的BOOST模型中進(jìn)行掃點(diǎn)計(jì)算，分別獲得最優(yōu)的比油耗結(jié)果，如表3所示。當(dāng)然，需要限制殘余廢氣系數(shù)小于0.3［3］。

結(jié)合上表可以得出ex300in290的型線組合對(duì)于整車油耗的改善程度優(yōu)于ex280in290的型線組合。最終選定ex300in290為油耗最優(yōu)型線，進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

為了初步估算該型線對(duì)于整車油耗的影響，這里我們假定新型線對(duì)于整車怠速油耗沒(méi)有影響，即未被擬合在這三個(gè)工況點(diǎn)內(nèi)的48%時(shí)間比重的減速與怠速工況油耗變化率為0%。則可以計(jì)算出該型線結(jié)合12壓縮比對(duì)于整車油耗的改善率為3.932%。

表3　不同型線組合對(duì)各工況點(diǎn)油耗改善

圖14　重要工況點(diǎn)油耗降低率

4　整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)最終確定的方案進(jìn)行了凸輪軸和12壓縮比活塞的樣件制作，并針對(duì)上文選取的工況點(diǎn)進(jìn)行整機(jī)性能試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果如圖14所示。

1 500 r/min下發(fā)動(dòng)機(jī)不同負(fù)荷率最優(yōu)的VVT角度如圖15所示。

三個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行VVT角度掃點(diǎn)后最優(yōu)相位如表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)型線配合高壓縮比的確可以有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷油耗，從而降低整車油耗。

其中在1 500 r/min@0.2 MPa固定進(jìn)氣VVT不變，推遲排氣VVT，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗先降低后增加，說(shuō)明在阿特金森循環(huán)下，通過(guò)增加疊開(kāi)角增加一定的內(nèi)部EGR可以進(jìn)一步降低泵損降低油耗，但是如果內(nèi)部EGR過(guò)多，燃燒持續(xù)期會(huì)變長(zhǎng)，燃燒熱效率下降，反而會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的增加［4-6］。這是在相關(guān)試驗(yàn)中需要注意的。

圖151　 500 r/min下發(fā)動(dòng)機(jī)不同負(fù)荷率最優(yōu)的VVT角度

表4　三個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行VVT角度掃點(diǎn)后最優(yōu)相位

5　結(jié)論

1）阿特金森循環(huán)利用刻意推遲的進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角，改變了發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際排量，弱化了節(jié)氣門(mén)處的節(jié)流損失，可以大幅降低小負(fù)荷區(qū)域的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。從而降低整車油耗。

2）阿特金森循環(huán)型線會(huì)導(dǎo)致有效壓縮比降低，使得燃燒熱效率變差，需要增加發(fā)動(dòng)機(jī)幾何壓縮比和優(yōu)化氣道燃燒室以獲得最優(yōu)部分負(fù)荷油耗。

3）本文結(jié)合整車仿真結(jié)果以及優(yōu)化軟件對(duì)凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化，可以快速設(shè)計(jì)出貼合整車需求的凸輪型線組合。

4）幾何壓縮比的提升必然導(dǎo)致外特性性能的降低，可嘗試采用兩段式可變氣門(mén)升程或外部冷卻EGR提升發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性性能。

1周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)（第2版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

2劉永長(zhǎng).內(nèi)燃機(jī)原理［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001

3余志生.汽車?yán)碚摚ǖ?版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009

4蔣德明.高等車用內(nèi)燃機(jī)原理［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2006

5吳兆漢.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1990

6楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981

A Study on the Influence of Atkinson Cycle on Vehicle Fuel Consumption

Peng Cheng1，2，Zhang Desheng1，2，Cui Yabin1，2，Sun Ke1，2，Li Donghui1，2，Liu Yaqi1，2
1-Technical Center of Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Automobile Engineering&Technology Research Center of Hebei Province

Atkinson cycle cam profile matching with geometric compression ratio is an effective way for energy saving and emission reduction.Along with the development of hybrid power，enging's performance could be improved after adopting Atkinson cycle.Atkinson cycle engine is more suitable for the future vehicle matching requirements.Based on AVL Boost engine simulation model，Atkinson cycle profile is designed.Combined with the vehicle working conditions provided by AVL Cruise vehicle simulation，the improvement of fuel consumption is predicted.The influence of Atkinson cycle on vehicle fuel consumption is preliminarily explored.

Cam profile，Atkinson cycle，F(xiàn)uel consumption

U467.4+98

A

2095-8234（2015）06-0043-06

彭成（1990-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)。

（2015-06-19）