基于Miller循環的缸內直噴汽油機性能研究

金明，黃昭明，潘金元，陳偉國

基于Miller循環的缸內直噴汽油機性能研究

金明1，黃昭明2*，潘金元3，陳偉國3

（1.安慶職業技術學院機電工程系，安徽安慶246003；2.河海大學文天學院機械工程系，安徽馬鞍山243031；3.奇瑞汽車股份有限公司汽車工程技術研發總院，安徽蕪湖241006）

針對一款進氣凸輪包角為190°CA的2.0 T GDI缸內直噴奧拓循環汽油發動機，采用BOOST軟件建立了一維性能仿真計算模型，在對模型進行標定的基礎上，仿真計算了150°CA、170°CA進氣凸輪包角所實現的Miller循環發動機的動力性和經濟性.研究結果表明，所建立的一維仿真計算模型能夠較為精確的模擬缸內直噴汽油機的比油耗、功率及扭矩；采用150°CA、170°CA進氣凸輪包角的發動機相比于190°CA進氣凸輪包角的額定功率有所下降，且150°CA和170°CA進氣凸輪包角需采用更高的增壓比；隨著進氣凸輪包角的減小，外特性工況油耗依次上升，但部分負荷的油耗隨著進氣包角的減小而顯著改善.

進氣凸輪包角；GDI缸內直噴；Miller循環；一維仿真計算模型

隨著油耗法規的日益嚴苛，開發高熱效率的內燃機顯得日益迫切.傳統汽油發動機采用節氣門控制負荷水平，造成較大的泵氣損失和排氣熱量損失.Miller循環發動機能夠有效提升發動機的幾何壓縮比，使得膨脹做功循環的有效膨脹比增加，更多的利用排氣能量，發動機熱效率上升［1-4］.

Miller循環一般采用小凸輪包角的低升程氣門實現進氣門早關，從而減小有效壓縮比，降低壓縮終了的溫度，從而降低終燃混合氣自燃的可能性，Miller循環發動機可以采用更高的幾何壓縮比.而且Miller循環發動機實際運行過程中，泵氣損失減少同時傳熱損失降低，這些因素的綜合作用可以使得Miller循環發動機獲得比傳統奧拓循環發動機更高的熱效率收益［5-7］.

基于上述背景，研究將建立一維BOOST仿真計算模型，開展不同進氣凸輪包角凸輪和升程對Miller循環發動機動力性和經濟性的影響規律分析，為Miller循環發動機的進氣凸輪包角設計提供參考.

1一維BOOST仿真計算模型建立

1.1模型概述

研究樣機為一款2.0 L立式、直列、水冷、四沖程、電控直噴4氣門、噴射系統為200 bar側置直噴，增壓中冷汽油機，點火次序為1、3、4、2，主要性能參數見表1，建立的BOOST模型見圖1.

1.2燃燒參數確定及模型標定方法

燃燒放熱規律決定了缸內氣體壓力與溫度的變化，影響內燃機的熱力過程，對發動機的動力性、經濟性、燃燒噪聲和排放產生重要影響.發動機在某一運行點的放熱率可由測量的缸內壓力曲線計算得到.通過對高溫循環的逆計算，即可得到相應曲軸轉角的放熱率.

研究采用BOOST軟件的Vibe燃燒模型，燃燒參數主要包括：燃燒起始角、燃燒持續期、燃燒品質指數.本文中，Vibe燃燒參數的獲取方式是通過BOOST內置的Burn功能，輸入試驗缸內壓力曲線，計算出Vibe燃燒參數，這樣能保證燃燒參數的準確性［8］.

表1研究樣機主要技術參數

圖12.0L缸內側置直噴汽油機BOOST模型

對汽油機模型進行外特性的模擬計算，將計算結果與試驗數據進行對比分析，以驗證模型的正確性.汽油機BOOST模型建立及標定過程見圖2.

1.3汽油機BOOST模型標定結果

汽油機原機BOOST模型中，進氣門凸輪包角為190°CA，升程為9.6 mm（見圖3）.

圖2汽油機BOOST模型建立過程

圖3汽油機原機進氣凸輪包角和升程

對汽油機原機模型進行外特性的模擬計算，將充氣效率、進氣量、扭矩、比油耗和功率仿真數據與物理試驗數據進行對比分析，以驗證模型的正確性，對比數據見圖4.

圖4模型仿真數據與試驗數據對比

所建模型的模擬計算結果與試驗結果相符，滿足模擬計算的精度要求，可用于后續不同進氣凸輪包角和升程發動機的性能計算（見圖4）.

2汽油機性能計算

基于所標定的汽油機原機BOOST模型，重新輸入氣門升程曲線，分別進行進氣凸輪包角150°CA（升程7.6 mm，見圖5）和進氣凸輪包角170°CA（升程8.3 mm），見圖6汽油機性能計算.

圖5進氣凸輪包角150°CA（7.6 mm）型線

圖6進氣凸輪包角170°CA（8.3 mm）型線

由于汽油機凸輪型線的變化對Viber燃燒模型參數沒有影響，因此可以基于汽油機原機BOOST模型直接更換進氣門凸輪型線進行性能計算.

2.1不同進氣凸輪型線的汽油機外特性對比

圖7、圖8和圖9指出了進氣凸輪包角分別為150°CA（升程7.6 mm）、170°CA（升程8.3 mm）和190°CA（升程9.6 mm）汽油機外特性扭矩、功率和比油耗對比.

圖7不同進氣凸輪包角的扭矩對比

圖8不同進氣凸輪包角的功率對比

圖9不同進氣凸輪包角的比油耗對比

圖10不同進氣凸輪包角的增壓器壓比對比

從圖7~圖9可以看出，隨著進氣凸輪包角的增大，汽油機最大功率呈現順序下降的趨勢，而比油耗則依次增加；150°CA（升程7.6 mm）低速扭矩下降，且扭矩平臺變窄，4 500 r/min最大扭矩下降.相比190°CA進氣凸輪包角，150°CA和170°CA進氣門升程和持續期均減小，為了實現發動機的功率和扭矩，增壓器必須采用更大的壓比，以滿足發動機對進氣量的需求（見圖10）；而受制于增壓器喘振和阻塞邊界的限制，150°CA和170°CA進氣凸輪包角所實現的進氣量有所下降，功率和扭矩依次下降.同時，壓比的增加使得增壓器運行在偏離高效率區域，增壓器運行總體效率下降，隨著進氣凸輪包角的減小，發動機外特性油耗依次增壓［9］.

2.2不同進氣凸輪型線的部分負荷油耗對比

應用建立的AVL BOOST模型仿真計算了不同進氣凸輪包角下發動機轉速為3 000 r/min、平均有效壓力為12 bar的比油耗，結果見表2.

表2不同進氣凸輪包角比油耗對比

隨著進氣凸輪包角的不斷減小，比油耗依次下降（見表2）.這主要是因為當進氣凸輪包角從190°CA減小至150°CA時，Miller循環的深度不斷增加，泵氣損失的改善和有效膨脹比的持續增加，導致發動機熱效率獲得改善［10-11］.

3結論

（1）隨著進氣凸輪包角的持續減小，汽油機外特性功率、扭矩呈下降趨勢，而比油耗依次上升；（2）相比于190°CA進氣凸輪包角，為盡可能大的獲得功率和扭矩，150°CA和170°CA進氣凸輪包角需采用更高的增壓比，導致增壓器運行在偏離高效率的區域；（3）Miller循環深度隨著進氣凸輪包角的減小不斷加深，發動機經濟性獲得提升，比油耗下降.

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Research on Performance of Gasoline Direct Injection Engine Based on Miller Cycle

JIN Ming1，HUANG Zhao-ming2*，PAN Jin-yuan3，CHEN Wei-guo3
（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering,Anqing Vocational and Technical College,Anqing 246003,Anhui；2.Department of Mechanical Engineering,Hehai University Wentian College,Ma'anshan 243031, Anhui；3.Auto R and D Institute,Chery Automobile Co.Ltd,Wuhu 241006,Anhui,China）

For a 2.0 turbo charging gasoline direct injection engine with the 190°CA(degree intake cam event angle),1 dimensional model for performance simulation was established.On the basis of model calibration,power and economic performances were calculated when the engine used 150°CA,170°CA respectively.The results indicate that the established model can calculate the brake specific fuel consumption,power and torque accurately.Comparing to the 190°CA,the rated power of 150°CA and 170°CA decreases,while the engine has higher pressure ratio. With the intake cam event angle being decreasing,the brake specific fuel consumption of power performance increases,while the case of that improves remarkably for the part load point.

intake cam event angle；gasoline direct injection；miller cycle；1 dimensional model for performance simulation

TK421+.2%

A%%%

1007-5348（2017）03-0047-05

（責任編輯：歐愷）

2017-01-03

安徽省高教創新行動計劃骨干專業建設項目（XM-01）.

金明(1963-)，男，江蘇海安人，安慶職業技術學院機電工程系講師；研究方向：汽車現代設計理論與方法.*通訊作者.