基于Miller循環(huán)的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)性能研究

金明，黃昭明，潘金元，陳偉國

基于Miller循環(huán)的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)性能研究

金明1，黃昭明2*，潘金元3，陳偉國3

（1.安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽安慶246003；2.河海大學(xué)文天學(xué)院機(jī)械工程系，安徽馬鞍山243031；3.奇瑞汽車股份有限公司汽車工程技術(shù)研發(fā)總院，安徽蕪湖241006）

針對一款進(jìn)氣凸輪包角為190°CA的2.0 T GDI缸內(nèi)直噴奧拓循環(huán)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，采用BOOST軟件建立了一維性能仿真計(jì)算模型，在對模型進(jìn)行標(biāo)定的基礎(chǔ)上，仿真計(jì)算了150°CA、170°CA進(jìn)氣凸輪包角所實(shí)現(xiàn)的Miller循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性.研究結(jié)果表明，所建立的一維仿真計(jì)算模型能夠較為精確的模擬缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的比油耗、功率及扭矩；采用150°CA、170°CA進(jìn)氣凸輪包角的發(fā)動(dòng)機(jī)相比于190°CA進(jìn)氣凸輪包角的額定功率有所下降，且150°CA和170°CA進(jìn)氣凸輪包角需采用更高的增壓比；隨著進(jìn)氣凸輪包角的減小，外特性工況油耗依次上升，但部分負(fù)荷的油耗隨著進(jìn)氣包角的減小而顯著改善.

進(jìn)氣凸輪包角；GDI缸內(nèi)直噴；Miller循環(huán)；一維仿真計(jì)算模型

隨著油耗法規(guī)的日益嚴(yán)苛，開發(fā)高熱效率的內(nèi)燃機(jī)顯得日益迫切.傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)采用節(jié)氣門控制負(fù)荷水平，造成較大的泵氣損失和排氣熱量損失.Miller循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何壓縮比，使得膨脹做功循環(huán)的有效膨脹比增加，更多的利用排氣能量，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率上升［1-4］.

Miller循環(huán)一般采用小凸輪包角的低升程氣門實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門早關(guān)，從而減小有效壓縮比，降低壓縮終了的溫度，從而降低終燃混合氣自燃的可能性，Miller循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用更高的幾何壓縮比.而且Miller循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，泵氣損失減少同時(shí)傳熱損失降低，這些因素的綜合作用可以使得Miller循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)獲得比傳統(tǒng)奧拓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)更高的熱效率收益［5-7］.

基于上述背景，研究將建立一維BOOST仿真計(jì)算模型，開展不同進(jìn)氣凸輪包角凸輪和升程對Miller循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律分析，為Miller循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣凸輪包角設(shè)計(jì)提供參考.

1一維BOOST仿真計(jì)算模型建立

1.1模型概述

研究樣機(jī)為一款2.0 L立式、直列、水冷、四沖程、電控直噴4氣門、噴射系統(tǒng)為200 bar側(cè)置直噴，增壓中冷汽油機(jī)，點(diǎn)火次序?yàn)?、3、4、2，主要性能參數(shù)見表1，建立的BOOST模型見圖1.

1.2燃燒參數(shù)確定及模型標(biāo)定方法

燃燒放熱規(guī)律決定了缸內(nèi)氣體壓力與溫度的變化，影響內(nèi)燃機(jī)的熱力過程，對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒噪聲和排放產(chǎn)生重要影響.發(fā)動(dòng)機(jī)在某一運(yùn)行點(diǎn)的放熱率可由測量的缸內(nèi)壓力曲線計(jì)算得到.通過對高溫循環(huán)的逆計(jì)算，即可得到相應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的放熱率.

研究采用BOOST軟件的Vibe燃燒模型，燃燒參數(shù)主要包括：燃燒起始角、燃燒持續(xù)期、燃燒品質(zhì)指數(shù).本文中，Vibe燃燒參數(shù)的獲取方式是通過BOOST內(nèi)置的Burn功能，輸入試驗(yàn)缸內(nèi)壓力曲線，計(jì)算出Vibe燃燒參數(shù)，這樣能保證燃燒參數(shù)的準(zhǔn)確性［8］.

表1研究樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖12.0L缸內(nèi)側(cè)置直噴汽油機(jī)BOOST模型

對汽油機(jī)模型進(jìn)行外特性的模擬計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證模型的正確性.汽油機(jī)BOOST模型建立及標(biāo)定過程見圖2.

1.3汽油機(jī)BOOST模型標(biāo)定結(jié)果

汽油機(jī)原機(jī)BOOST模型中，進(jìn)氣門凸輪包角為190°CA，升程為9.6 mm（見圖3）.

圖2汽油機(jī)BOOST模型建立過程

圖3汽油機(jī)原機(jī)進(jìn)氣凸輪包角和升程

對汽油機(jī)原機(jī)模型進(jìn)行外特性的模擬計(jì)算，將充氣效率、進(jìn)氣量、扭矩、比油耗和功率仿真數(shù)據(jù)與物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證模型的正確性，對比數(shù)據(jù)見圖4.

圖4模型仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

所建模型的模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符，滿足模擬計(jì)算的精度要求，可用于后續(xù)不同進(jìn)氣凸輪包角和升程發(fā)動(dòng)機(jī)的性能計(jì)算（見圖4）.

2汽油機(jī)性能計(jì)算

基于所標(biāo)定的汽油機(jī)原機(jī)BOOST模型，重新輸入氣門升程曲線，分別進(jìn)行進(jìn)氣凸輪包角150°CA（升程7.6 mm，見圖5）和進(jìn)氣凸輪包角170°CA（升程8.3 mm），見圖6汽油機(jī)性能計(jì)算.

圖5進(jìn)氣凸輪包角150°CA（7.6 mm）型線

圖6進(jìn)氣凸輪包角170°CA（8.3 mm）型線

由于汽油機(jī)凸輪型線的變化對Viber燃燒模型參數(shù)沒有影響，因此可以基于汽油機(jī)原機(jī)BOOST模型直接更換進(jìn)氣門凸輪型線進(jìn)行性能計(jì)算.

2.1不同進(jìn)氣凸輪型線的汽油機(jī)外特性對比

圖7、圖8和圖9指出了進(jìn)氣凸輪包角分別為150°CA（升程7.6 mm）、170°CA（升程8.3 mm）和190°CA（升程9.6 mm）汽油機(jī)外特性扭矩、功率和比油耗對比.

圖7不同進(jìn)氣凸輪包角的扭矩對比

圖8不同進(jìn)氣凸輪包角的功率對比

圖9不同進(jìn)氣凸輪包角的比油耗對比

圖10不同進(jìn)氣凸輪包角的增壓器壓比對比

從圖7~圖9可以看出，隨著進(jìn)氣凸輪包角的增大，汽油機(jī)最大功率呈現(xiàn)順序下降的趨勢，而比油耗則依次增加；150°CA（升程7.6 mm）低速扭矩下降，且扭矩平臺(tái)變窄，4 500 r/min最大扭矩下降.相比190°CA進(jìn)氣凸輪包角，150°CA和170°CA進(jìn)氣門升程和持續(xù)期均減小，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩，增壓器必須采用更大的壓比，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對進(jìn)氣量的需求（見圖10）；而受制于增壓器喘振和阻塞邊界的限制，150°CA和170°CA進(jìn)氣凸輪包角所實(shí)現(xiàn)的進(jìn)氣量有所下降，功率和扭矩依次下降.同時(shí)，壓比的增加使得增壓器運(yùn)行在偏離高效率區(qū)域，增壓器運(yùn)行總體效率下降，隨著進(jìn)氣凸輪包角的減小，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性油耗依次增壓［9］.

2.2不同進(jìn)氣凸輪型線的部分負(fù)荷油耗對比

應(yīng)用建立的AVL BOOST模型仿真計(jì)算了不同進(jìn)氣凸輪包角下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、平均有效壓力為12 bar的比油耗，結(jié)果見表2.

表2不同進(jìn)氣凸輪包角比油耗對比

隨著進(jìn)氣凸輪包角的不斷減小，比油耗依次下降（見表2）.這主要是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)氣凸輪包角從190°CA減小至150°CA時(shí)，Miller循環(huán)的深度不斷增加，泵氣損失的改善和有效膨脹比的持續(xù)增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率獲得改善［10-11］.

3結(jié)論

（1）隨著進(jìn)氣凸輪包角的持續(xù)減小，汽油機(jī)外特性功率、扭矩呈下降趨勢，而比油耗依次上升；（2）相比于190°CA進(jìn)氣凸輪包角，為盡可能大的獲得功率和扭矩，150°CA和170°CA進(jìn)氣凸輪包角需采用更高的增壓比，導(dǎo)致增壓器運(yùn)行在偏離高效率的區(qū)域；（3）Miller循環(huán)深度隨著進(jìn)氣凸輪包角的減小不斷加深，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性獲得提升，比油耗下降.

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Research on Performance of Gasoline Direct Injection Engine Based on Miller Cycle

JIN Ming1，HUANG Zhao-ming2*，PAN Jin-yuan3，CHEN Wei-guo3
（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering,Anqing Vocational and Technical College,Anqing 246003,Anhui；2.Department of Mechanical Engineering,Hehai University Wentian College,Ma'anshan 243031, Anhui；3.Auto R and D Institute,Chery Automobile Co.Ltd,Wuhu 241006,Anhui,China）

For a 2.0 turbo charging gasoline direct injection engine with the 190°CA(degree intake cam event angle),1 dimensional model for performance simulation was established.On the basis of model calibration,power and economic performances were calculated when the engine used 150°CA,170°CA respectively.The results indicate that the established model can calculate the brake specific fuel consumption,power and torque accurately.Comparing to the 190°CA,the rated power of 150°CA and 170°CA decreases,while the engine has higher pressure ratio. With the intake cam event angle being decreasing,the brake specific fuel consumption of power performance increases,while the case of that improves remarkably for the part load point.

intake cam event angle；gasoline direct injection；miller cycle；1 dimensional model for performance simulation

TK421+.2%

A%%%

1007-5348（2017）03-0047-05

（責(zé)任編輯：歐愷）

2017-01-03

安徽省高教創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃骨干專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（XM-01）.

金明(1963-)，男，江蘇海安人，安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師；研究方向：汽車現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法.*通訊作者.