容積比對工質移缸類內燃機燃油經濟性能的影響規律

范攀攀，盧 勇，裴普成

（1.清華大學汽車工程系，北京 100084；2.清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084）

化石資源的枯竭已經對全球經濟的發展產生了重要的影響，而車用燃油占石油消耗的1／3，因此提高汽車發動機的燃油經濟性對減輕全球能源危機有著重要的意義。傳統內燃機已經到了精雕細琢的程度，很難大幅度提升內燃機效率，近年來，國內外一些學者從發動機結構上另辟蹊徑，取得了很好的效果。

美國Scuderi集團發明了“一分為二式”內燃機［1－2］，該發動機將傳統四沖程發動機的工作過程分為兩部分，一個循環由兩個氣缸共同完成，前缸負責進氣和壓縮，后缸負責做功和排氣，前后缸通過一個轉接管實現工質的轉移。Scuderi發動機的特點是壓縮沖程和做功沖程分離，可以實現高壓縮比，通過縮小前缸的缸徑可以使膨脹比大于壓縮比，實現米勒循環。

德國META公司的K內燃機［3］一個工作單元由冷缸和熱缸兩個氣缸組成。新鮮空氣和燃油的混合氣進入冷缸壓縮后經轉接管進入熱缸，熱缸內的殘余廢氣溫度高達900℃，可以迅速引燃混合氣。K內燃機不僅可以提高壓縮比，還可以實現均質壓燃，從而提高內燃機的燃油經濟性。

法國伊爾莫（Ilmor）公司發明了一種新型的五沖程內燃機［4］，該內燃機一個工作單元由3個氣缸組成，其中兩個為傳統的四沖程氣缸，兩個氣缸在排氣沖程交替將工質排至第三個氣缸內繼續膨脹做功，而第三個氣缸缸徑往往比前兩個氣缸要大，這樣就實現了膨脹比大于壓縮比的米勒循環，從而提高了內燃機熱效率。

縱觀這些新型發動機，一個共同的特點就是采用了工質移缸技術。工質移缸是指內燃機循環做功的工質先后在多個氣缸之間轉移。這種新型的內燃機循環方式可以帶來以下優點：壓縮氣缸與膨脹氣缸分離，可以實現高壓縮比；通過增大膨脹氣缸的容積，膨脹比大于壓縮比，從而實現米勒循環；排氣經轉接管移缸后可實現二次膨脹做功。這些措施都可以提高內燃機的熱效率，Scuderi內燃機在進氣增壓比為3.2的情況下，平均有效壓力比傳統內燃機增加139.7%，燃油消耗率減少13.4%；伊爾莫公司的增壓五沖程內燃機比傳統機型提高效率5%～20%，1臺排量僅為0.7L的3缸五沖程增壓內燃機可以輸出97kW的最大功率和165N·m的最大扭矩。

通過工質移缸做功提升內燃機熱效率，需要解決一些關鍵技術，比如：移缸轉接管的設計，不同氣缸之間配氣正時的匹配，后缸與前缸容積比的優化等。目前，國內外對于這些技術的研究還處于比較初級的階段［5－7］，本研究主要針對前缸為傳統的四沖程發動機，后缸為非燃燒缸的工質移缸類內燃機，通過試驗與仿真的手段，研究前缸和后缸行程不變缸徑改變時，容積比β對內燃機性能的影響規律。

1 試驗

為了研究內燃機工質移缸過程，將1臺傳統4缸四沖程內燃機改造成工質移缸做功的新型循環內燃機［8］。改造的內燃機為4RB2車用汽油機，原機各項技術參數見表1。

表1 4RB2內燃機技術參數

內燃機改造方案見圖1。4個氣缸從左至右依次編號為1～4缸，1缸和4缸為傳統四沖程燃燒做功缸，2缸和3缸為四沖程非燃燒缸，1缸和4缸點火時刻相差360°曲軸轉角。將2缸和3缸的原進氣門改為排氣門，原排氣門改為進氣門，1缸排氣時2缸進氣，4缸排氣時3缸進氣，內燃機4個氣缸的進排氣正時見圖2。新鮮空氣先進入燃燒缸，然后再通過轉接管進入非燃燒缸，最后從非燃燒缸的排氣門排出內燃機，后文將1缸和4缸稱作前缸，將2缸和3缸稱作后缸。后缸和前缸的容積比β定義為

式中：VL，VF，RL，RF分別為后缸與前缸的容積和缸徑；S為行程。

內燃機缸蓋改造的三維模型見圖3。進氣歧管和排氣歧管在內燃機的同一側，兩個連接管分別連接前后缸。根據表2所示的工作順序改造內燃機凸輪軸。改造后的內燃機見圖4。

表2 試驗機前后缸進排氣門相位設計

2 仿真模型及驗證

采用內燃機一維仿真軟件GT－Power進行仿真分析，仿真模型見圖5。其中1缸和4缸是前缸，工作過程和普通的四沖程內燃機相同，2缸和3缸是后缸，1缸和4缸的排氣經轉接管分別進入2缸和3缸，2次做功后排入外界。仿真模型的主要參數見表3。

表3 GT－Power模型主要參數

圖6示出改造后的內燃機在1 600，2 000，2 400r／min時，仿真數據與試驗數據的對比。從圖中可以看到，仿真結果和試驗結果比較吻合，仿真模型可用于下一步的分析。

3 仿真結果與分析

分別在1 600，2 000，2 400，2 700，3 000，3 400，3 700，4 000，4 400，5 000，6 000r／min下進行仿真，后缸缸徑由70mm逐漸增大到140mm，相應地容積比由0.54增大到2.17，重點關注燃油消耗率和扭矩隨轉速和容積比變化的規律。

轉速為1 600r／min，2 400r／min，3 000r／min，扭矩為20N·m，40N·m，60N·m以及外特性工況時，燃油消耗率隨容積比的變化規律見圖7。以轉速1 600r／min為例進行說明。扭矩為20N·m時，容積比為0.62時獲得最低燃油消耗率，相比原機燃油消耗率降低5.9%；扭矩為40N·m時，容積比為0.8時獲得最低燃油消耗率，相比原機燃油消耗率降低2%；扭矩為60N·m時，容積比為0.96時獲得最低燃油消耗率，相比原機燃油消耗率降低1%；當工況為外特性時，容積比在1.34時取得最低燃油消耗率，相比原機燃油消耗率降低1.7%，外特性扭矩相比原機扭矩增大9.8%。可以看到，當轉速不變時，最低燃油消耗率容積比隨著扭矩的增大而增大，當扭矩較小時，最低燃油消耗率容積比小于1，表明后缸的缸徑要小于前缸，這是因為對于汽油機來說，低負荷時節氣門開度較小，燃燒后的廢氣量也少，可用于二次膨脹的潛力小；而高負荷時，進氣量增加，燃燒后的廢氣量較大，可用于二次膨脹的潛力大，此時就需要增大后缸容積，以便于實現米勒循環，從而提高整機的燃油利用率。轉速為2 400r／min，3 000r／min時的規律與1 600r／min時相似。

各轉速下，不同扭矩對應的最低燃油消耗率容積比見圖8。可以看到，當扭矩為20N·m，30N·m，40N·m時，不同轉速下最低燃油消耗率容積比是相同的；當扭矩為50N·m和60N·m時，最低燃油消耗率容積比隨著轉速的提高有一點增加，但大部分轉速下是相同的。從圖中還可以看出，轉速的變化對最低燃油消耗率容積比的影響很小，而隨著扭矩增大，最低燃油消耗率容積比在逐漸增大。這是因為改造后的內燃機主要目的是利用排氣能量做功，相比轉速，扭矩對排氣溫度的影響更顯著。

以上是部分負荷時，轉速、扭矩、燃油消耗率和容積比之間關系，下面研究外特性工況下，以上參數之間關系。方法為在某一轉速下改變容積比，找出該轉速下燃油消耗率最低時的容積比（即最低燃油消耗率容積比）和扭矩最大時的容積比（即最大扭矩容積比）；然后改變轉速再次計算。仿真結果見圖9，其中最低燃油消耗率降幅和最大扭矩增幅均是與容積比為1時相比得到。

由圖9可以看出，不同轉速下，容積比的變化對外特性燃油消耗率和扭矩的影響作用不同，當轉速為2 400r／min時，可以得到全工況下的最低燃油消耗率和最大扭矩，燃油消耗率降幅和扭矩增幅分別達到2.1%和11.2%。隨著轉速的提高，容積比的影響越來越小，到轉速為4 000r／min時，容積比的變化已經對改善外特性燃油消耗率沒有影響，當轉速大于4 000r／min時，隨著容積比的增加，外特性燃油消耗率持續惡化；當轉速大于4 400r／min時，容積比的增大對扭矩提升已沒有明顯效果。這是因為低速時，后缸工質有更充足的時間進行膨脹做功，并且前后缸之間轉接管中殘留氣體更少，從而減小了前缸的背壓，提高了燃油經濟性。

隨著轉速的提高，外特性工況下最低燃油消耗率容積比和最大扭矩容積比越來越小。轉速大于4 000r／min時，原機能取得較好的燃油經濟性和動力性。當轉速在1 600～3 000r／min，容積比為1.65時，在外特性工況下發動機能夠獲得較大的扭矩，容積比為1.22時能獲得較好的燃油經濟性。

外特性下燃油消耗率和扭矩對容積比變化的敏感度不同，扭矩受到的影響更大，提升作用更明顯。

4 結論

a）部分負荷下，扭矩不變時，最低燃油消耗率容積比隨著轉速的增大幾乎不變；轉速不變時，最低燃油消耗率容積比隨著扭矩的增大逐漸增大；

b）在中低轉速時（小于4 000r／min），選擇適當的容積比可以提高外特性工況下發動機的扭矩和燃油經濟性，并且存在最優轉速（2 400r／min），在最優轉速下選擇合適的容積比，可以得到發動機全工況下的最低燃油消耗率或最大扭矩；

c）外特性工況下，相比燃油消耗率，扭矩受容積比的影響更大。

［1］ Phillips F，Gilbert I，Pirault J，et al.Scuderi Split Cycle Research Engine：Overview，Architecture and Operation［C］.SAE Paper 2011－01－0403.

［2］ Branyon D，Simpson D.Miller Cycle Application to the Scuderi Split Cycle Engine（by Downsizing the Compressor Cylinder）［C］.SAE Paper 2012－01－0419.

［3］ META Motoren－Und Energie－Technik：K－Engine［EB／OL］.［2013－12－11］.http：／／www.metagmbh.de／technologies／charging／？L＝1＃technologies／new－engines／.

［4］ Ilmor Engineering.5－Stroke Concept Engine［EB／OL］.［2013－12－11］.http：／／www.ilmor.co.uk／concept＿5－stroke＿1.php.

［5］ 盧 勇，裴普成.非常規熱力循環內燃機的節能技術［J］.汽車安全與節能學報，2013，4（1）：1－15.

［6］ 盧 勇，裴普成.配氣正時對工質移缸類非常規循環內燃機性能的影響規律［J］.西安交通大學學報，2013，47（9）：41－49.

［7］ 盧 勇，裴普成.四缸五沖程內燃機的性能預測［J／OL］.［2013－12－11］.http：／／www.cnki.net／kcms／detail／31.1255.TK.20130813.1358.009.html.

［8］ 盧 勇.八沖程雙循環發動機原理性樣機設計［D］.北京：清華大學，2009：25－32.