米勒循環與阿特金森循環凸輪軸摩擦扭矩對比研究

劉振興 ， 歐陽憲林 ， 景國璽 ， 曾小春 ， 張文凱

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330000；2.河北工業大學，天津 300000）

0 前言

不斷提高發動機熱效率是發動機發展的重要趨勢。對于汽油機，部分負荷泵氣損失和高負荷爆震是限制其熱效率的主要原因[1-2]，因此，降低泵氣損失和抑制爆震對提高燃油經濟性具有重要意義[3-4]。泵氣損失，主要原因是缸內壓力在進氣沖程低于排氣沖程，這是汽油機在部分負荷工況時，燃油經濟性較差的一個原因。減少壓縮過程的消耗功、充分提高膨脹過程的膨脹程度，是提高內燃機熱效率和燃油經濟性行之有效的方法[5]。

米勒循環和阿特金森循環正是在此想法的基礎上被創造出來的。1882 年，英國工程師詹姆斯·阿特金森在奧托循環內燃機的基礎之上,通過復雜的連桿機構，實現發動機做功行程長度大于壓縮行程，達到發動機的膨脹比高于壓縮比的目的。做功行程更長，就可以進一步利用燃燒后缸內殘存廢氣的高壓做功，有效提高發動機效率，這就是阿特金森循環[5]。1947 年，由于可變氣門技術的發展，美國人羅爾夫·米勒發明米勒循環發動機，通過調節氣門正時實現發動機膨脹比高于壓縮比，避免了復雜的機械結構，結構可靠性增加，改善了阿特金森循環[5]。

基本型循環（奧托循環）、米勒循環和阿特金森循環的最大區別是，基本型循環壓縮比等于膨脹比；米勒循環和阿特金森循環壓縮比小于膨脹比[6]。本文通過對這三種循環對比分析，理論計算與仿真分析結合，綜合比較了三種循環凸輪的接觸力、力臂以及摩擦扭矩之間的關系，為以后凸輪的選型設計以及提高燃油經濟性的措施有重要的指導意義。

1 研究對象

本文以一款1.5L GTDI汽油機為研究對象。通過改變三種循環[米勒循環、基本型（奧托循環）、阿特金森循環]不同的進氣凸輪對三種凸輪的摩擦扭矩進行仿真與實驗，對比分析結果，研究三種凸輪的摩擦扭矩趨勢變化，圖1為三種凸輪的實物對比圖。

圖1 三種凸輪實物對比圖

2 仿真模型建立

三種凸輪配氣機構動力學模型是一致的，只是凸輪型線參數不同。目前，測量凸輪升程值一般采用兩種方法[7-9]。1）接觸測量法：在凸輪輪廓測量儀或三坐標測量機上對凸輪廓形進行接觸測量。2）成像測量法：在萬能工具顯微鏡上通過光學成像測量凸輪廓形。

如圖2三種凸輪升程對比所示：由于米勒循環是通過進氣門提前關閉實現，米勒循環凸輪包角最小，因此也導致米勒循環凸輪的升程最小，外觀看起來就是最“矮”。阿特金森循環是通過進氣門延遲關閉實現，阿特金森循環凸輪包角最大，升程隨著提高，外觀看起來就是最“胖”。居中的就是奧托循環凸輪。

圖2 三種凸輪升程對比圖

配氣機構模型采用動力計算軟件EXCITE Timing Drive建模，利用軟件的優化設計與動態仿真，可在設計初期進行設計參數變化對性能影響的仿真試驗，在新產品開發設計或改進設計過程中，可大幅度提高其設計精度和效率。由于是4缸汽油機，每缸有2個進氣門，整個進氣機構有8個進氣門。圖3為配氣機構動力學計算模型。

圖3 配氣機構計算模型

3 計算結果分析

3.1 凸輪及從動件接觸力對比

在發動機低轉速時，慣性力的作用不明顯，接觸力主要與彈簧力相關，最大接觸力出現在凸輪最大升程處。在發動機高轉速時，慣性力與彈簧力作用相當，凸輪加速度產生很大的沖擊影響到接觸力，在凸輪正加速度區域，慣性力與彈簧力疊加，使接觸力增加。在負加速度段，慣性力抵消彈簧力是接觸力減小。在發動機轉速很高時，接觸力主要由最大慣性力決定。

由于米勒循環凸輪最大升程更小，在低速時接觸力最小，在高速時，接觸力反而最大。如圖4所示，從三種凸輪接觸力分布看，接觸力最大值差別不大。主要區別是接觸力持續時間不一樣，阿特金森循環凸輪延遲了進氣門的關閉時刻，凸輪包角最大，接觸力持續時間最長，奧托循環凸輪次之，米勒循環凸輪最小。

3.2 凸輪軸摩擦扭矩計算

圖4 凸輪及從動件接觸力對比圖

凸輪軸摩擦力矩主要來源于凸輪軸于搖臂滾體接觸摩擦力。圖5為凸輪軸摩擦扭矩計算示意圖。凸輪與從動件摩擦力F可由滾體滾動軸承得到，r是滾體半徑。則摩擦力矩為：

圖5 凸輪軸摩擦扭矩計算

3.3 力臂計算對比

力臂R2最大值由凸輪最大升程決定，米勒循環凸輪由于最大升程最小，故其力臂最大值最小。奧托與阿特金森循環凸輪由于最大升程相當，所以力臂最大值相當，均出現在凸輪轉角180°附近。阿特金森循環凸輪由于包角最大，所以接觸的范圍最大。奧托循環凸輪次之，米勒循環凸輪最小。圖6為三種凸輪力臂對比。

圖6 力臂對比圖

3.4 凸輪軸扭矩計算與實測結果

通過上述的摩擦力矩計算方法可得到三種凸輪的摩擦力矩。在低轉速時，摩擦力矩較大，主要是由于低轉速時，力臂起作用范圍內，摩擦力矩較大。隨著轉速升高，力臂起作用范圍內，凸輪接觸力降低。摩擦力矩隨著降低。

三種進氣凸輪的摩擦扭矩還可以通過倒拖實驗測試得到。計算結果顯示，氣門及從動件摩擦扭矩與發動機轉速成線性反比，阿特金森與基本型有同樣的特性。米勒循環發動機只有阿特金森及基本型循環發動機的一半。與實測對比，實測摩擦扭矩與發動機轉速呈現更強的非線性。計算與實測還有明顯的區別是：三種循環發動機凸輪摩擦扭矩分布差異一致；米勒循環發動機最小摩擦扭矩在3 000rpm，不是在最大發動機轉速，在3 000rpm以上，米勒及阿特金森循環發動機摩擦扭矩隨發動機轉速上升。

4 結論

通過對比基本型(奧托)裝配普通進氣凸輪軸、米勒循環發動機裝配短進氣凸輪、阿特金森裝配長進氣凸輪三種進氣凸輪軸摩擦扭矩的區別，如圖7所示。得出以下結論。

圖7 三種凸輪摩擦力矩對比圖

1）三種進氣凸輪軸接觸力大小近似相等，但阿特金森循環凸輪接觸時間最長，米勒循環凸輪接觸時間最短，這是由凸輪升程的差異導致的。

2）三種進氣凸輪軸的力臂，米勒循環凸輪的力臂最小，其余兩種凸輪力臂大小相差不大。力臂的大小為以后的摩擦扭矩計算提供了基礎。

3）米勒循環發動機摩擦扭矩低于基本型，阿特金森循環發動機摩擦扭矩高于基本型。阿特金森循環與基本型循環的差異、基本型循環與米勒循環的差異類似。并通過試驗實測數據，顯示模擬計算結果與實測結果接近。

4）盡管計算扭矩沒有表示出與發動機轉速的非線性關系，但是三者的區別還是與實測一致。計算結果在2 500rpm以下對凸輪摩擦扭矩預測比較合理。隨著轉速升高，預測結果偏差越大。