增壓汽油機(jī)米勒循環(huán)應(yīng)用研究

梁源飛 周正群 楊如枝

摘 要：米勒循環(huán)是當(dāng)前降低汽油機(jī)油耗的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)需要對汽油機(jī)的型線、壓縮比等重新設(shè)計(jì)，文章通過構(gòu)建發(fā)動機(jī)一維熱力學(xué)模型對米勒循環(huán)進(jìn)行了研究。研究表明：早關(guān)米勒循環(huán)（EIVC）應(yīng)用到增壓汽油機(jī)上降低油耗的效果比晚關(guān)米勒循環(huán)（LIVC）好，EIVC降低油耗5.6%，LIVC降低油耗3.2%;EIVC進(jìn)氣門型線設(shè)計(jì)受到低速氣門重疊角度限制和中高速增壓器壓比的限制，所以進(jìn)氣門型線設(shè)計(jì)應(yīng)具有窄跨度和高升程的特性;壓縮比為11.5和增壓器減小12%的方案較合適。

關(guān)鍵詞：增壓汽油機(jī);米勒循環(huán);熱力學(xué)仿真;型線設(shè)計(jì)

中圖分類號：U464.171? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）13-31-04

Application study on Miller Cycle Turbocharged Gasoline Engine

Liang Yuanfei， Zhou Zhengqun， Yang Ruzhi

（ SAIC-GM-Wuling Automobile Company Limited， Guangxi Liuzhou 545007 ）

Abstract： The miller cycle is the key technology to reduce the fuel consumption of gasoline engine at present. To apply the technology to the supercharged gasoline engine， it is necessary to redesign the profile and compression ratio of the gasoline engine. This paper studies the miller cycle by building a one-dimensional thermodynamic model of the engine. The results showed that the early closing miller cycle （EIVC） was better than the late closing miller cycle （LIVC） in reducing fuel consumption. EIVC reduced fuel consumption by 5.6%， and LIVC reduced fuel consumption by 3.2%.The intake valve profile of the EIVC is limited by the overlapping Angle on the low engine speed and the pressure ratio of supercharger on medium-high engine speed， so the intake valve profile should have the characteristics of narrow span and high lift. The compression ratio is 11.5 and the supercharger is reduced by 12%.

Keywords： Turbocharged Gasoline Engine; Miller Cycle; Thermodynamic Simulation; Valve Profile Design

CLC NO.： U464.171? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）13-31-04

引言

油耗和排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，純電動車是重要的解決方案;而現(xiàn)階段，純電驅(qū)動行駛里程受到動力電池能量密度的限制，依然面臨技術(shù)和成本的問題[1];由于汽油機(jī)車輛占比高，降低油耗帶來的整體效果巨大，是現(xiàn)階段節(jié)能的主要措施之一;米勒循環(huán)是當(dāng)前汽油機(jī)降低油耗的主流技術(shù)路線之一。

米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)的膨脹比大于壓縮比，做功行程更長，熱效率更高;在日益嚴(yán)格的油耗法規(guī)限值下，米勒循環(huán)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2];國內(nèi)外也對此進(jìn)行了許多的研究。祖炳鋒等人研究了在小型化增壓發(fā)動機(jī)上應(yīng)用進(jìn)氣門早關(guān)（EIVC）和進(jìn)氣門晚關(guān)（LIVC）兩種米勒循環(huán)形式對發(fā)動機(jī)油耗、爆震及燃燒特性的影響，表明兩種米勒循環(huán)形式均能有效降低全工況范圍的燃油消耗率，平均降幅約為8%[3]。吳中浪等人通過實(shí)驗(yàn)研究了米勒循環(huán)在中小負(fù)荷對高壓縮比汽油機(jī)熱效率提升的效果，研究表明：米勒循環(huán)在小負(fù)荷工況能促進(jìn)SI-HCCI混合燃燒，固定循環(huán)噴油量下的小負(fù)荷工況通過氣門相位優(yōu)化，熱效率提升幅度可達(dá)12%，在中等負(fù)荷工況指示熱效率可進(jìn)一步提升至40%[4]。可見，米勒循環(huán)技術(shù)具有顯著降低油耗的潛力。

1 概念設(shè)計(jì)

在某款增壓進(jìn)氣道噴油汽油機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)，其外特性要求最大扭矩224Nm，額定功率98kw，外特性曲線如圖1所示。

米勒循環(huán)降低油耗的原理：（1）外特性工況，提高增壓器壓比，保持一定的進(jìn)氣量，保證外特性扭矩;部分負(fù)荷工況，增大節(jié)氣門開度，減小泵氣損失;（2）進(jìn)氣門早關(guān)或晚關(guān)，降低有效壓縮比，降低爆震;（3）增加壓縮比或提前點(diǎn)火角，降低油耗。根據(jù)米勒循環(huán)降低油耗的原理，制定發(fā)動機(jī)的主要更改包括：（1）進(jìn)氣門型線;（2）壓縮比;（3）增壓器。

本文應(yīng)用GT-Power仿真軟件，完成了某款增壓汽油發(fā)動機(jī)應(yīng)用米勒循環(huán)開發(fā)中的進(jìn)氣門型線設(shè)計(jì)、壓縮比選擇和增壓器匹配分析研究。

2 一維熱力學(xué)模型

某款增壓汽油發(fā)動機(jī)，其基本參數(shù)見表1，一維熱力學(xué)模型如圖2所示，應(yīng)用該熱力學(xué)模型，研究了進(jìn)氣門型線、壓縮比和增壓器對發(fā)動機(jī)性能的影響。

米勒循環(huán)一維熱力學(xué)模擬方法：（1）標(biāo)定原機(jī)模型，獲得原機(jī)模型的爆震指數(shù);（2）使用SITurbo預(yù)測燃燒模型評估氣門型線、壓縮比、當(dāng)量比對燃燒的影響;（3）使用DOE研究進(jìn)/排氣VVT，選擇出滿足外特性扭矩且爆震指數(shù)最小的進(jìn)/排氣VVT角度。（4）使用PID控制點(diǎn)火角，限制爆震指數(shù)小于原機(jī)水平，尋優(yōu)目標(biāo)為最低油耗。（5）對發(fā)動機(jī)外特性及部分負(fù)荷關(guān)鍵工況點(diǎn)進(jìn)行模擬研究。

3 進(jìn)氣門型線設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)氣門型線

通過對標(biāo)分析，選擇12的幾何壓縮比研究進(jìn)氣門型線的影響;早關(guān)米勒循環(huán)提前關(guān)閉進(jìn)氣門，達(dá)到降低有效壓縮比的目的，提前關(guān)閉進(jìn)氣門可以通過調(diào)整VVT和縮小進(jìn)氣門型線跨度來實(shí)現(xiàn)。

調(diào)整VVT實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門提前關(guān)閉，在低轉(zhuǎn)速時存在明顯的掃氣現(xiàn)象，由于發(fā)動機(jī)為進(jìn)氣道噴油，掃氣將大量的混合氣體直接排到排氣系統(tǒng)中，導(dǎo)致油耗迅速上升，如圖3所示。跨度系數(shù)大于0.7后，隨氣門重疊角度加大，掃氣將導(dǎo)致油耗顯著上升。因此，由于低速工況的氣門重疊角限制，早關(guān)米勒循環(huán)需要小跨度的進(jìn)氣門型線，同時這也是深度米勒循環(huán)的要求。

由于目標(biāo)外特性要求的限制，進(jìn)氣門跨度系數(shù)越小，進(jìn)氣門越早關(guān)閉，為了保證足夠的進(jìn)氣量，需要的增壓器壓比越大，如圖4所示，4000轉(zhuǎn)的外特性工況壓氣機(jī)壓比最大，而該發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)最大壓比限制在2.5以下，則要求跨度系數(shù)大于0.7。由于該發(fā)動機(jī)的氣門機(jī)構(gòu)為直驅(qū)，隨著跨度縮小，為了滿足氣門機(jī)構(gòu)動力學(xué)的要求，型線最大升程必須下降，這也導(dǎo)致高速工況壓比較高。

綜合以上分析可見，低速工況需要小的進(jìn)氣門跨度來減小氣門重疊角，中高速工況則需要相對較大的氣門跨度來降低壓氣機(jī)的壓比，因此早關(guān)米勒循環(huán)要求進(jìn)氣門型線具有小的跨度和盡可能高的升程。

據(jù)此選擇兩組早關(guān)米勒循環(huán)進(jìn)氣門型線進(jìn)行模擬研究，分別為Miller4.5和Miller5.5進(jìn)氣門型線方案，其跨度系數(shù)分別為0.68和0.73，最大升程分別為4.5mm和5.5mm，如圖5所示。

晚關(guān)米勒循環(huán)通過推遲進(jìn)氣門關(guān)閉角度，將部分進(jìn)氣推出氣缸，實(shí)現(xiàn)降低有效壓縮比的目的;設(shè)計(jì)上可將進(jìn)氣門型線在最大升程時保持一定的角度來實(shí)現(xiàn)晚關(guān)米勒循環(huán)。選擇3組晚關(guān)米勒循環(huán)進(jìn)氣門型線方案進(jìn)行研究，分別為：Dwell35、Dwell43、Dwell50方案，如圖5所示。將原機(jī)進(jìn)氣門型線在最大升程位置分別保持35°CAD、43°CAD、50°CAD得到上述三組型線。

3.2 模擬結(jié)果

按上述模擬方法，對5個關(guān)鍵外特性工況點(diǎn)和三個關(guān)鍵部分負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行模擬研究，在達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷的情況下，外特性油耗表現(xiàn)，如圖6所示;部分負(fù)荷油耗表現(xiàn)，如圖7所示。早關(guān)米勒循環(huán)中高速外特性油耗下降幅度高于晚關(guān)米勒循環(huán);早關(guān)米勒循環(huán)和晚關(guān)米勒循環(huán)低速外特性工況油耗下降不明顯;部分負(fù)荷早關(guān)米勒循環(huán)油耗下降幅度高于晚關(guān)米勒循環(huán)。

米勒循環(huán)各進(jìn)氣門型線方案油耗平均下降幅度對比見表2，早關(guān)米勒循環(huán)的外特性和部分負(fù)荷油耗降幅都大于晚關(guān)米勒循環(huán)，早關(guān)米勒循環(huán)Miller4.5方案的油耗降幅為5.6%，晚關(guān)米勒循環(huán)Dwell50方案的油耗降幅為3.2%，可見增壓汽油發(fā)動機(jī)使用早關(guān)米勒循環(huán)效果更好。

4 壓縮比選擇

4.1 壓縮比

選擇Miller4.5進(jìn)氣門型線研究壓縮比的影響;米勒循環(huán)降低油耗的關(guān)鍵在于提高壓縮比，但壓縮比過大將導(dǎo)致外特性工況為了控制爆震，不得不將點(diǎn)火角推遲，有可能油耗反而上升，得不償失，因此需要選擇與外特性匹配的壓縮比，通過對標(biāo)分析選擇11、11.5和12的壓縮比方案進(jìn)行研究，分別命名為：CR11、CR11.5和CR12。

4.2 壓縮比的影響

壓縮比為11、11.5和12的方案油耗降低幅度，如圖8所示，隨壓縮比增大，外特性油耗降低幅度減小，部分負(fù)荷特性油耗降低幅度增加。外特性工況隨壓縮比增加必須進(jìn)一步推遲點(diǎn)火角，導(dǎo)致了油耗上升;而部分負(fù)荷工況爆震相對沒有外特性工況強(qiáng)烈，提高壓縮比油耗降低更顯著。綜合考慮外特性和部分負(fù)荷工況，選擇11.5的壓縮比更合適。

5 增壓器匹配

5.1 增壓器

增壓器匹配受到兩方面的影響，一是外特性功率扭矩降低了，即最大扭矩由原機(jī)的275Nm降低到224Nm，額定功率由原機(jī)的112kw降低到98kw，因此可減小增壓器;另一方面是由于使用早關(guān)米勒循環(huán)，增壓器壓比提高了，為了保證低速扭矩目標(biāo)，需要一個稍小的增壓器。

5.2 增壓器匹配

通過模擬分析，將原機(jī)增壓器減小12%后，大部分工況點(diǎn)運(yùn)行在增壓器的高效區(qū)，增壓器低速喘振裕度和高速余量都比較合適，增壓器的運(yùn)行曲線，如圖9所示，可將此提供給增壓器供應(yīng)商匹配增壓器。

6 結(jié)論

（1）早關(guān)米勒循環(huán)應(yīng)用到增壓汽油機(jī)上降低油耗的效果比晚關(guān)米勒循環(huán)好。

（2）早關(guān)米勒循環(huán)降低油耗5.6%，晚關(guān)米勒循環(huán)降低油耗3.2%;

（3）早關(guān)米勒循環(huán)進(jìn)氣門型線設(shè)計(jì)受到低速氣門重疊角度限制和中高速增壓器壓比的限制，所以進(jìn)氣門型線設(shè)計(jì)應(yīng)具有窄跨度和高升程的特性。

（4）壓縮比為11.5時，早關(guān)米勒循環(huán)外特性油耗降低5.0%，部分負(fù)荷特性油耗降低6.1%;原機(jī)增壓器減小12%時，大部分工況點(diǎn)運(yùn)行在增壓器的高效區(qū)。

參考文獻(xiàn)

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