Miller循環深度對缸內直噴汽油發動機性能影響的研究*

陳硯才，吳威龍，陳泓，林思聰，李鈺懷

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Miller循環深度對缸內直噴汽油發動機性能影響的研究*

陳硯才，吳威龍，陳泓，林思聰，李鈺懷

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511000）

對一款2.0L增壓缸內直噴汽油機進行了不同Miller循環深度的發動機試驗研究。通過采用不同的進氣包角和進氣相位以實現不同的Miller循環深度，分別研究了152°CA和170°CA曲軸轉角的進氣包角在進氣門開啟（Intake Valve Open, IVO）或進氣門關閉相位（Intake Valve Close, IVC）相同時，不同轉速和負荷下的發動機比油耗變化。試驗結果表明，發動機中、大負荷運行時，152°CA包角的比油耗相對于170°CA包角的油耗最高下降10%；而小負荷運行時，二者的油耗相當。可以得出結論，適度的Miller循環有利于發動機經濟性的改善。

GDI發動機；Miller循環；進氣包角；比油耗

前言

汽車工業的發展面臨著環境保護與能源危機的雙重壓力，為滿足國家第四階段油耗限值和國六階段排放法規，必須提高汽油機的綜合性能，實現清潔高效的燃燒。增壓中冷直噴汽油機技術達到了小型強化節能的目標[1-3]，但也帶來了爆震傾向增加的問題[4]。為了進一步提升汽油機的功率密度并降低油耗，可采用有效壓縮比小于膨脹比的Miller燃燒循環技術，其所帶來的Miller技術效應可以降低壓縮終了混合氣的溫度，進而減少汽油機發生爆震的風險，此外Miller效應可以使發動機采用更高的壓縮比，進而提升了發動機經濟性。

基于上述背景，文章對不同進氣包角對發動機在不同負荷下的經濟性能的影響進行了試驗研究，以獲取Miller循環燃燒技術對發動機性能影響的變化規律。

1 試驗系統和試驗方法

為了研究不同Miller深度對發動機運行在不同負荷經濟性能的影響，在保持發動機其它結構參數不變的條件下，分別采用152°CA包角和170°CA包角的進氣凸輪軸。Miller循環的核心是進氣門早關，因此本文參照文獻[1]定義了描述Miller循環深度的概念—有效壓縮比，如公式（1）：

式中，V為進氣門早關后壓縮延遲容積，單位為mm3；V為發動機排量，單位為mm3。

試驗研究的對象是一款2.0L直列式四缸渦輪增壓GDI汽油機，基本參數如見表1。試驗用燃油為92#汽油。

表1 試驗研究發動機主要參數

圖1為臺架試驗的結構，在整個試驗過程中選擇發動機運行在2000r/min的負荷特性進行比油耗的對比。圖2為發動機的進排氣門型線，進氣包角分別為152°CA和170°CA曲軸轉角，排氣門升程和型線保持不變。

圖2 試驗用發動機的進排氣凸輪型線

試驗過程中，為了提升不同進氣包角的比油耗對比精度，將循環波動率COV控制在3%以內，中冷后的進氣溫度保持45℃±2℃，冷卻水進水溫度保持88℃±2℃。

2 試驗結果與分析

2.1 2000r/min全負荷油耗對比結果與分析

圖3展示了2000r/min全負荷工況下，發動機采用152° CA小包角和170°CA大包角進氣凸輪軸時，分別在IVO和IVC相同時的油耗對比。

從圖3中可以看出，IVO相同時，小進氣包角相對于大進氣包角油耗降低約25g/kWh，下降幅度約10%；IVC相同時，二者之間的油耗差異減小，但170°CA包角的比油耗仍然較高。

圖3 2000r/min全負荷工況下不同進氣包角的比油耗對比

這主要是因為對于增壓中冷汽油機而言，IVO相同時小包角進氣門在活塞運行到下止點前就已經關閉，為了獲得相同的BMEP，進氣壓力將提升，而進氣經過增壓中冷后，會導致上止點附件壓縮終了的溫度較低，這種Miller效應有利于采用激進的點火角將燃燒相位提前（圖4），最后獲得油耗的改善收益。對于相同的IVC，170°CA大包角通過掃氣實現了與152°CA小包角相似的燃燒相位，但過多的掃氣將使經濟性惡化，兩種因素的綜合作用導致了此工況點大包角的比油耗仍然偏高。

圖4 2000r/min全負荷工況不同進氣包角的燃燒相位

2.2 2000r/min中大負荷油耗對比結果與分析

發動機采用不同的進氣包角運行在2000r/min 14bar和2000r/min 8bar時的比油耗對比和燃燒相位分布情況如圖5~8所示。

圖5~8的不同包角的比油耗和燃燒相位變化呈現出與2000r/min全負荷相同的變化趨勢，但比油耗和燃燒相位的差異在減小。在2000r/min 14bar時，比油耗相差14g/kWh，燃燒相位相差8°CA；而在2000r/min 8bar時，大包角比油耗比小包角大5g/kWh，燃燒相位晚8°CA。這說明隨著負荷的降低，由Miller效應帶來的燃燒相位提前優勢導致油耗改善的收益在減弱。

分析認為，隨著負荷的降低，增壓壓力降低，170°CA包角比152°CA包角壓縮終了的溫度增加值降低，因此152°CA可以采用的點火提前角度減小，導致最終由燃燒相位為主導的比油耗收益效果較弱。而且通過氣門可變正時系統的優化調節，在2000r/min 8bar時，不同進氣包角的燃燒相位差異可控制在4°CA以內，而比油耗170°CA包角比152°CA包角僅上升3g/kWh。

圖5 2000r/min14bar工況下不同進氣包角的比油耗對比

圖6 2000r/min14bar工況不同進氣包角的燃燒相位

圖7 2000r/min 8bar工況下不同進氣包角的比油耗對比

圖8 2000r/min 8bar工況不同進氣包角的燃燒相位

2.3 2000r/min小負荷油耗對比結果與分析

圖9~12分別給出了發動機運行在2000r/min 2bar和2000r/min 5bar時采用170°CA包角和152°CA包角比油耗和燃燒相位對比。

圖9~12的不同包角的比油耗和燃燒相位變化呈現出與2000r/min全負荷、中大負荷不相同的變化趨勢，不同包角在小負荷表現出的油耗差異并不明顯，并且在進行進氣優化后，二者的比油耗幾乎相當。

對以上的比油耗和燃燒相位變化的綜合分析認為，發動機運行在2000r/min 2bar和2000r/min 5bar工況時，由于進氣量少、有效壓縮比低，壓縮終了的溫度較低，爆震不在是點火提前角的限制因素，燃燒相位易于控制在上止點后6~8°CA曲軸轉角的最優相位，且燃燒相位在6~8°CA區間對比油耗幾乎沒有影響。從圖12可以確定，170°CA包角和152°CA包角的燃燒相位相差約1.5°CA，但二者的比油耗基本沒有差異。

圖10 2000r/min 5bar工況不同進氣包角的燃燒相位

圖11 2000r/min 2bar工況下不同進氣包角的比油耗對比

圖12 2000r/min 2bar工況不同進氣包角的燃燒相位

而從圖9~12經過進氣相位優化的比油耗數據可以看出，152°CA包角所實現的較深的Miller循環和170°CA所實現的較淺的Miller循環油耗基本一致，這說明當發動機其它參數相同，僅改變進氣包角對發動機小負荷的比油耗基本沒有影響。

綜合上述的試驗結果和相關分析可以得出結論，Miller效應、燃燒相位、點火提前角、爆震限制、有效壓縮比以及大負荷掃氣是影響不同Miller循環深度發動機經濟性的因素。而且發動機中大負荷和全負荷運行時，Miller效應所影響的壓縮終了溫度直接控制著點火提前角，進而控制燃燒相位，最終對比油耗產生影響。小負荷運行時，雖然較深度的Miller循環會提升進氣壓力，但進氣包角的減小縮短了進氣對活塞的做功時間，因此泵氣損失并沒有得到很大程度的改善，所以170°CA包角所控制的較淺Miller循環通過進氣正時的優化實現了與152°CA包角相同的比油耗。此外，大負荷的掃氣會使發動機經濟性變差。

3 結論

1）進氣包角所控制的Miller效應隨著發動機負荷的降低而減弱；發動機大負荷掃氣過程會使經濟性變差；

2）發動機中大負荷工況及全負荷工況運行時，發動機比油耗主要受燃燒相位和掃氣的影響，大包角由于爆震推遲燃燒和大重疊角導致油耗較高，推薦小包角方案；

3）發動機小負荷運行時，進氣包角對泵氣損失的影響不明顯，通過進氣相位的優化控制，可以實現不同深度的Miller循環具有相近的比油耗水平。

[1] 武彬,楊益民,蔣文虎等.缸內直噴增壓汽油機熱負荷分析及優化設計[J].汽車技術,2012,446 (11): 5-8.

[2] 代春雨,洪偉,黃恩利等.增壓直噴汽油機部分負荷燃燒及排放特性試驗研究[J].汽車技術,2012,449 (8):18-22,26.

[3] 倪計民,李釗,張小矛等.渦輪增壓汽油機匹配計算及性能預測[J].汽車技術,2012,445 (10):1-3.

[4] Ｍ.Sens,S.Zwahr,M.Günthe.可變壓縮比在全米勒循環汽油機上的潛力[J].國外內燃機.2017, (1):49-52.

[5] Shahnawaz Ahmed Khan and Prajod Ayyappath. Design and Deve -lopment of Variable Timing and Lift Mechanism for Improving the Performance of Single Cylinder Two Wheeler Gasoline Engine[C]. SAE paper,2014:01-169.

[6] Jimin Ni.Automobile Internal Combustion Engine Theory[M]. Shang -hai:Tongji University Press,1997,1.

[7] Jiaxiang Lu. Turbocharger Technology for Diesel Engine[M].Beijing: Mechanical and Industrial Press,1999,12.

[8] Maktoto Hagashi. Development of a Turbo charging System with Variable Area Turbine Nozzle for HD Trucks[C]. SAE paper, 920045.

[9] Akiyuki Yonekawa, Masaki Ueno, Osamu Watanabe, et al. Develop -ment of New Gasoline Engine for ACCORD Plug-in Hybrid[C]. SAE paper, 2013-01-1738.

Study on the Effects of Different Miller Cycles on the Performance for a GDI Engine*

Chen Yancai, Wu Weilong, Chen Hong, Lin Sicong, Li Yuhuai

( GAC Automobile Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 511000 )

Study on the effects of different Miller cycles on engine performance has been done for a 2.0 liter gasoline direct injection engine. Different intake valve event angles were adopted to realize different Miller cycles. And bake specific fuel consumption changing trends are compared when the intake valve open or close phase is the same for 152°CA and 170°CA respectively. Test results indicate that when the engine is operating at middle and large load, comparing to 170°CA intake valve event angle, BSFC decrease by 10% when the intake valve event angle is 152°CA intake valve event angle, while the BSFC is very similar at small load. It can be concluded that reasonable Miller cycle is helpful to the improving of the engine’s economic performance.

Gasoline Direct Injection Engine; Miller Cycle; Intake Event Angle; Brake Specific Fuel Consumption

A

1671-7988(2018)24-43-04

U464

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1671-7988(2018)24-43-04

U464

陳硯才，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院。課題來源于基金項目：國家重點研發計劃（2017YFB0103300）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.014