小排量發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用阿特金森循環(huán)降油耗研究

王泰晟　汪文廣　隆貴

摘 要：通過(guò)在小排量發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用阿特金森循環(huán)，可以有效抑制爆震和降低泵氣損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，應(yīng)用阿特金森循環(huán)后發(fā)動(dòng)機(jī)匹配混動(dòng)車(chē)型常用工作區(qū)域燃油消耗率降幅達(dá)到3%～6%。在阿特金森循環(huán)基礎(chǔ)上應(yīng)用冷卻EGR技術(shù)后，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率進(jìn)一步提升至39.1%，滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：阿特金森循環(huán) 冷卻EGR技術(shù) 降油耗

1 背景

隨著燃油經(jīng)濟(jì)性和排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，傳統(tǒng)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足整車(chē)匹配的要求。匹配混合動(dòng)力和較高的熱效率、低油耗率成為新的目標(biāo)[1]。

對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，爆震和部分負(fù)荷泵氣損失是限制其熱效率提升的主要原因。因此，抑制爆震和降低部分負(fù)荷泵氣損失對(duì)提高整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。阿特金森循環(huán)的目的就是在保持發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹比的情況下，減小有效壓縮比以抑制發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，同時(shí)還可以降低部分負(fù)荷的泵氣損失。因此，應(yīng)用阿特金森循環(huán)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，降低整車(chē)油耗的理想選擇。

2 阿特金森循環(huán)工作原理

傳統(tǒng)四沖程汽油機(jī)的工作形式是奧托循環(huán)，其活塞的壓縮沖程和膨脹做功行程基本一致，進(jìn)排氣門(mén)在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)附近開(kāi)啟和關(guān)閉，膨脹比基本等于壓縮比。而阿特金森循環(huán)中，通過(guò)進(jìn)氣門(mén)的延遲關(guān)閉，將氣缸中的部分混合氣體推回到進(jìn)氣歧管中，使實(shí)際壓縮比小于幾何壓縮比，而膨脹比還是等于發(fā)動(dòng)機(jī)幾何壓縮比。汽油機(jī)阿特金森循環(huán)P-V圖如圖1所示。

根據(jù)上圖，原奧托循環(huán)等容放熱曲線為ba，而阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)則是先將絕熱膨脹線由zb延長(zhǎng)至zb，再按ba進(jìn)行等壓放熱回到壓縮如點(diǎn)a。因此阿特金森循環(huán)通過(guò)膨脹比（1+Vs/Vc）大于壓縮比（1+Vs/Vc），增加了圖示中bbab面積大小的有效功，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。同時(shí)阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)由于氣缸的實(shí)際進(jìn)氣量減少，壓縮終了的溫度降低，降低發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向可以擁有更高的幾何壓縮比，所以其熱效率得到進(jìn)一步提升。

3 技術(shù)路線

本文研究的對(duì)象為1.5L自然吸氣直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)基本參數(shù)如表1所示。現(xiàn)計(jì)劃應(yīng)用阿特金森循環(huán)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率至39%，未來(lái)可以匹配混合動(dòng)力整車(chē)，整體達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。

通過(guò)CAE仿真分析，計(jì)劃采用增大進(jìn)氣凸輪軸升程及包角實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)，同時(shí)提高幾何壓縮比。由于實(shí)際進(jìn)氣量的減少抑制了缸內(nèi)滾流的形成，降低了缸內(nèi)混合氣滾流比和湍動(dòng)能。因此還需要對(duì)缸蓋進(jìn)氣道形狀進(jìn)行優(yōu)化，提高進(jìn)氣滾流比。發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)變化如表2所示。

4 試驗(yàn)測(cè)試及分析

根據(jù)上述方案制造樣件，然后裝機(jī)在本公司內(nèi)部AVL試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試，臺(tái)架設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)情況滿(mǎn)足要求，所用傳感器精度和數(shù)據(jù)處理均滿(mǎn)足GB/T 8297-2001要求。試驗(yàn)過(guò)程分別對(duì)2000，2bar特征油耗點(diǎn)，部分負(fù)荷工況點(diǎn)及外特性工況進(jìn)行了測(cè)試。

4.1 阿特金森循環(huán)對(duì)抑制發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用阿特金森循環(huán)后，進(jìn)氣門(mén)延遲關(guān)閉可以降低有效壓縮比，導(dǎo)致壓縮終了缸內(nèi)溫度降低，有效抑制爆震，從而可以采用較大的點(diǎn)火提前角，最終達(dá)到降低油耗的目的。

因?yàn)槌擞密?chē)實(shí)際常用工況為低速小負(fù)荷，常運(yùn)行轉(zhuǎn)速為2000r/min附近。因此選取整車(chē)常用的典型工況點(diǎn)2000r/min，2bar工況進(jìn)行分析。如圖2所示，隨著進(jìn)氣關(guān)閉角的延后，進(jìn)氣門(mén)逐漸延遲關(guān)閉。由于爆震傾向減小，發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角可以逐漸變大，燃油消耗率也隨之降低。

4.2 阿特金森循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失的影響

在小負(fù)荷區(qū)域，泵氣損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率影響較大。因?yàn)樵谛∝?fù)荷區(qū)域，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度較小，活塞向下運(yùn)動(dòng)吸氣過(guò)程中，缸內(nèi)的壓力小于大氣壓力，需要消耗一部分功來(lái)維持活塞向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致泵氣損失較大。發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用阿特金森循環(huán)后，由于有部分混合氣體被推回至進(jìn)氣道，為了保證足夠的進(jìn)氣量，需增大進(jìn)氣壓力，減小缸內(nèi)氣體與大氣的壓力差，從而減小泵氣損失。

如圖3所示，2000r/min工況時(shí)，隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度增大，進(jìn)氣歧管壓力也逐漸增大，泵氣損失減少，燃油消耗率也隨之下降。

4.3 阿特金森循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的影響

經(jīng)過(guò)測(cè)試，應(yīng)用阿特金森循環(huán)后，發(fā)動(dòng)機(jī)匹配混動(dòng)車(chē)型常用工作區(qū)域燃油消耗率降幅達(dá)到3%～6%。其中最低燃油消耗率降低至224.3g/kW·h，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率對(duì)比如表3所示。

4.4 阿特金森循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響

由于阿特金森循環(huán)采用較大的進(jìn)氣包角，導(dǎo)致氣缸的實(shí)際進(jìn)氣量減小，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩從160Nm降低到145Nm，動(dòng)力性有所降低，如圖4所示。經(jīng)整車(chē)性能仿真，可以滿(mǎn)足匹配中小型混動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力需求。

4.5 阿特金森循環(huán)疊加冷卻EGR技術(shù)

在阿特金森循環(huán)的基礎(chǔ)上應(yīng)用冷卻EGR技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度降低，爆震得到進(jìn)一步抑制，最低燃油消耗率可降低至216.5g/Kw·h，熱效率達(dá)到39.1%，滿(mǎn)足了開(kāi)發(fā)目標(biāo)，最低燃油消耗率對(duì)比如圖5所示。

5 結(jié)論

（1）應(yīng)用阿特金森循環(huán)后，1.5L自然吸氣直噴發(fā)動(dòng)機(jī)由于抑制爆震及泵氣損失的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)匹配混動(dòng)車(chē)型常用工作區(qū)域燃油消耗率降幅達(dá)到3%～6%。但是由于阿特金森循環(huán)引起實(shí)際進(jìn)氣量的減少，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩有所降低。

（2）在阿特金森循環(huán)的基礎(chǔ)上應(yīng)用冷卻EGR技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率進(jìn)一步降低，熱效率達(dá)到39.1%，滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭平，李紅洲，朱小春，葛峰，吳建財(cái).基于阿特金森循環(huán)1.8L直列四缸汽油機(jī)性能開(kāi)發(fā)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2019.