米勒循環及低壓廢氣再循環技術對汽油機性能的影響研究

杜 輝，江 帆，鄧水根，孔凡良

(無錫沃爾福汽車技術有限公司，無錫 214000)

0 概述

目前內燃機仍是汽車的主要動力源，內燃機的石油消耗量占中國總石油消耗量的60%以上，內燃機CO2排放是CO2排放的重要來源。為實現節能減排目標，推進綠色低碳發展，中國大力發展新能源汽車，并持續推動內燃機效率的提升。2019年工信部發布了新版《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》的意見征求稿，旨在實現2025年乘用車新車平均百公里燃油消耗量降低至4 L以下。為了滿足法規要求，新開發的汽油發動機將應用多種技術以提高熱效率，包括渦輪增壓[1]、米勒循環[2]、高壓縮比[3]、廢氣再循環(exhaust gas recirculation，EGR)[4]、余熱回收[5]、可變氣門升程(variable valve lift，VVL)等。

米勒循環技術通過進氣門早關(短米勒循環)或晚關(長米勒循環)的方法，使壓縮比與膨脹比分離[6]。由于有效壓縮比減小，爆震傾向減弱，可以通過提前點火時刻來提升經濟性，同時部分負荷下泵氣損失也相應減少。而為了保證功率轉矩，一般需要提高增壓壓力或適當增大幾何壓縮比[7-10]。從對稱的角度說，短米勒循環和長米勒循環功能類似，但目前針對兩種手段性能差異的研究較少。

EGR技術在柴油機上的應用已經成熟，主要用于氮氧化物(NOx)排放的控制[11-12]。EGR技術在汽油機上的應用還處于探索階段，并且技術應用的側重點不僅在于控制NOx排放，還在于提升經濟性和降低排溫[13-15]。

應用GT-Power軟件，在某2.0 L渦輪增壓商用車缸內直噴汽油機概念設計階段進行了米勒循環技術和低壓EGR技術的性能影響研究，分析了兩種技術對性能產生影響的原理，著重對比了長短米勒循環的性能表現差異及原因，考慮了可變氣門正時(variable valve timing，VVT)角度的影響，本研究對國六汽油機技術路線的選取具有一定指導意義。

1 仿真邊界

研究用發動機是一款2.0 L直列4缸增壓直噴汽油機。該汽油機基本參數見表1。

表1 發動機主要參數

發動機基本架構如圖1所示，其中EGR從渦輪后取氣，即采用低壓EGR方案。

圖1 發動機架構

采用GT-Power軟件建立一維熱力學模型，模型主要包括進排氣系統模塊、氣缸模塊、控制模塊3個部分。

1.1 進排氣系統模塊

進排氣系統模塊主要包括進排氣管道、空氣濾清器、增壓器、中冷器、進排氣門、進排氣道、后處理模塊和EGR模塊。

進排氣管道模塊需輸入管道直徑和長度，并設定自然對流邊界。設定空氣濾清器模塊標定工況下壓差為0.03 MPa，其余工況軟件將根據氣體流量、溫度自動計算出相應壓差。增壓器模塊通過輸入實測Map表示不同工況的運行狀態。設定中冷器模塊標定工況壓差為0.02 MPa，出口溫度為55 ℃，其余工況軟件可自動計算出壓差和出口溫度。進排氣門模塊需要輸入氣門升程曲線。進排氣道模塊需輸入氣道流量系數，并根據經驗設定不同工況下的氣道表面溫度和傳熱系數。后處理模塊不考慮化學反應，僅考慮流動阻力的影響，本例中其標定工況的背壓為0.6 MPa。EGR模塊輸入目標EGR率，并設定EGR冷卻器標定工況出口溫度為100 ℃。

1.2 氣缸模塊

氣缸模塊包括噴油器模型、燃燒模型、傳熱模型和爆震模型。噴油器模型主要作用是決定燃油噴射量：根據發動機進氣量，按照當量比(過量空氣系數的倒數)1∶1的比例進行燃油噴射。燃燒模型采用Wiebe模型，需要定義燃燒起始點、燃燒持續期和燃燒形狀參數來擬合發動機實際放熱率曲線。考慮到短米勒循環和長米勒循環凸輪型線的不同及EGR率不同對燃燒的影響，還采用了修正模型進行燃燒持續期的修正。傳熱模型采用Woschni模型，需要根據經驗定義缸蓋、缸套、活塞的壁面溫度。爆震模型根據缸內實時未燃氣體質量分數、氣缸實時容積、缸內氣體溫度等參數計算爆震指數。當爆震指數計算結果超過設定限值時，認為發生爆震。

1.3 控制模塊

控制模塊包括增壓器放氣閥開度控制和爆震控制兩部分。放氣閥開度的控制因素是目標轉矩，根據設定的轉矩自動調節放氣閥開度，以達到轉矩需求值；而爆震控制模塊通過調節燃燒始點，抑制爆震的發生。

2 仿真結果及分析

2.1 短米勒循環與長米勒循環外特性性能對比

設計了兩組進氣門升程曲線分別實現短米勒循環與長米勒循環，如圖2所示。為保證短米勒循環和長米勒循環有效壓縮比一致，設計時使短米勒循環氣門關閉的提前角度(1 mm升程對應角度)與長米勒循環氣門關閉的推遲角度一致，即圖2中紅色和黑色實線所示的氣門升程。由于發動機采用了VVT技術，在對比短米勒循環和長米勒循環時還將考慮VVT角度的影響。VVT角度是指短米勒循環的氣門升程相對基礎升程提前的相位角度，或長米勒循環的氣門升程相對基礎升程推遲的相位角度，其值越大表示有效壓縮比越小，米勒效應越大。仿真時，設定最大可變的VVT角度為55°，如圖2中紅色和黑色虛線所示的氣門升程對應的角度。

圖2 氣門升程曲線

圖3展示了不同轉速下，短米勒循環與長米勒循環VVT角度變化對比油耗的影響。總體來說，隨著VVT角度增加，有效壓縮比降低，爆震傾向減弱，點火角度提前，經濟性變好。但當VVT角度過大時，由于需求的增壓壓力增加，也會導致增壓器耗功增加，經濟性惡化，甚至可能導致進氣量不足,功率達不到目標需求。因此，不同轉速下，無論是長米勒循環或短米勒循環，都存在最佳的VVT角度使比油耗最低。不過由于VVT可變角度范圍有限，4 000 r/min、2 800 r/min短米勒循環及2 000 r/min長米勒循環未能達到最佳油耗的VVT角度。

圖3 VVT角度對經濟性的影響

在2 000 r/min～4 000 r/min轉速范圍內，短米勒循環最佳VVT角度的經濟性比長米勒循環更有優勢。原因主要有兩方面：(1)隨著轉速增加，進氣量增加，氣流慣性也增加，長米勒循環的缸內空氣無法順利回流，米勒效應降低；而短米勒循環仍能起到降低有效壓縮比的作用。由于有效壓縮比降低，短米勒循環能夠使用更早的點火時刻，經濟性也更佳。(2)對于長米勒循環，氣體先流入氣缸而后又被排出，兩次泵氣過程會導致泵氣損失增加，高轉速氣體流量更大，泵氣損失對經濟性的影響也更大。

在1 000 r/min下長米勒循環更有利。這是因為：短米勒氣門升程低，在相同的功率、進氣量下，短米勒循環需要更高的增壓壓力，這會使增壓器做功增加，即泵氣損失增加。

取每個轉速下最佳的VVT角度，對比短米勒循環和長米勒循環的外特性性能水平，如圖4所示。由于長米勒循環在中高轉速米勒效應減弱，其點火角度相應靠后，因此50%放熱量對應的角度(即燃燒重心，記為CA50)也靠后，這是其經濟性惡化的最主要原因。相比短米勒循環，長米勒循環在2 000 r/min下經濟性惡化5%，而在2 800 r/min～4 000 r/min下惡化20%，僅在轉速1 000 r/min時長米勒循環略有優勢。

圖4 短米勒循環與長米勒循環最佳外特性性能對比

長短米勒循環的最佳VVT角度隨轉速變化趨勢也不同。隨著轉速增加，短米勒循環VVT角度始終增加。這是由于轉速提高，增壓器能力也提高，采用大VVT角度時也能提供足夠的增壓壓力，維持功率水平；同時大VVT角度使得有效壓縮比減小，米勒效應增強，爆震傾向降低，可以使CA50提前，經濟性更好。而長米勒循環在2 000 r/min時VVT角度最大。這是因為更高轉速時，氣流慣性增加，增加VVT角度反而使米勒效應減弱，不利于經濟性。

由于CA50靠后，長米勒循環中高轉速的渦前排溫明顯高于短米勒循環，且高于一般發動機渦前排溫限值(1 200 K)。由此可見，對于本款汽油機，短米勒循環更具有優勢。

2.2 低壓EGR對外特性性能的影響

采用低壓EGR技術的主要目的是提高經濟性和降低NOx排放。由于未經標定的排放模型精度不佳，且汽油機在當量燃燒時排放控制的壓力不大，本次計算不考慮低壓EGR對排放的影響。

運用低壓EGR時，為了保證動力性維持在目標水平，必須提高增壓壓力以維持新鮮空氣進氣量水平基本不變。選用短米勒循環，計算外特性各轉速下應用不同EGR率時發動機性能的變化情況，結果如圖5所示。隨著EGR率增加，缸內平均溫度明顯降低，原因主要有兩個：一方面EGR廢氣比熱容較大，有利于降低缸內最高溫度；另一方面，由于需要維持功率不變，將提升增壓壓力以維持新鮮空氣流量基本不變，因此EGR與新鮮空氣總量增加，這也有利于降低缸內最高溫度。

圖5 應用不同EGR率時發動機的性能變化

缸內最高溫度隨EGR率的增加而降低，爆震傾向也隨之降低，因此CA50可以適當提前，有利于提高經濟性，但燃燒持續期將有所增加，對經濟性不利。另外，EGR和新鮮空氣總量的增加也會使缸內做功氣體質量增加和燃燒壓力增加，也有利于經濟性。綜合這些因素，應用EGR將使經濟性得到改善，且在一定范圍內，EGR率越高，經濟性越好，渦前排溫也越低。在不同轉速下，應用EGR對經濟性和渦前排溫改善幅度不同。以16%的EGR率為例，相比無EGR的情況，在1 000 r/min下油耗降低了6.7%，渦前排溫下降120 K；2 000 r/min下油耗降低了2.7%，渦前排溫下降90 K；2 800 r/min下油耗降低了4.7%，渦前排溫下降110 K；而4 000 r/min下油耗反而升高，但渦前排溫仍下降114 K。4 000 r/min 下油耗升高的原因是增壓器無法提供足夠的增壓壓力，因此功率無法維持在目標值。

由此可見，低壓EGR對提升經濟性有明顯的好處，但也帶來了一定負面影響：(1)外特性引入EGR會增加冷卻系統的散熱壓力，如圖5所示，16%的EGR率下，4 000 r/min的EGR冷卻器散熱功率將達到9.6 kW，經過評估可知冷卻系統存在風險；(2)EGR率過高會導致中冷后冷凝水過多。綜合考慮，推薦選用8%的EGR率。

3 性能驗證

概念設計階段完成后，將進入燃燒開發階段。燃燒開發階段首要任務是選定最終的發動機硬件，主要包括以下內容：VVT最大移動范圍確定，重要工況VVT角度選定，3組短米勒凸輪型線選型，VVL切換工況選定，3組噴油器選型，3組活塞型線選型(包括壓縮比選定)，3組增壓器選型，2組點火線圈選型。在VVT角度選定階段，采用仿真時的短米勒氣門升程曲線對應的凸輪型線，配合8%的EGR率進行試驗驗證，結果如圖6所示，發動機轉矩達到設計目標，且比油耗優于仿真結果。從趨勢上看，仿真的比油耗、CA50趨勢與實測結果非常吻合，這說明了燃燒模型與爆震模型有較好的預測性。仿真與實測的誤差來源之一是一維模型沒有考慮充氣過程缸內流動對燃燒及爆震的影響，而實際設計時，為了提高燃燒速度并抑制爆震，設計了高滾流比氣道和燃燒室，因此預測的CA50偏大，油耗偏高。另外，VVT角度的趨勢也與實測非常相似，說明采用仿真的方法能夠指導VVT角度的選定。

圖6 實測與仿真外特性性能對比

圖6(b)還展示了實測的外特性裸機排放數據，外特性NOx排放在1 400×10-6～3 050×10-6范圍。考慮到三元催化器300 ℃以上當量燃燒的排放物轉化效率大于95%，對應NOx排放物裸機限值為3 100×10-6，因此NOx排放符合要求。碳氫化合物排放遠小于目標限值(1 040×10-6)，CO排放體積分數也遠小于目標限值(4.5%)。綜上可知，發動機外特性排放水平具備達到國六排放標準的潛力。

4 結論

(1)隨著VVT角度增加，試驗用汽油機的有效壓縮比降低，爆震傾向減弱，點火角度提前，經濟性變好。但當VVT角度過大時，由于需求的增壓壓力增加，會導致增壓器功耗增加，經濟性惡化。存在最佳的VVT角度，使米勒循環的比油耗最低。

(2)在中高轉速區域，長米勒循環米勒效應減弱，且有兩次泵氣損失，因此短米勒循環更有優勢；而低轉速區域，短米勒循環需要更高的增壓壓力，所以長米勒循環更有優勢。綜合來說，短米勒循環更具有優勢：在2 800 r/min～4 000 r/min轉速范圍內經濟性提升約20%，渦前排溫降低的幅度達到100 K～200 K。

(3)低壓EGR技術能夠降低缸內最高溫度，減輕爆震的傾向，因此CA50可以適當提前，有利于提升經濟性。16%的EGR率將使外特性比油耗降低2.7%～6.7%，渦前排溫降低100 K以上，但EGR冷卻器散熱功率將達到9.6 kW，且存在中冷后冷凝水過多的風險，推薦本機外特性采用8%的EGR率。