米勒循環對汽油機性能的影響

任全水，吳寧，孫程龍，洪方明，袁爽

米勒循環對汽油機性能的影響

任全水1,2，吳寧1，孫程龍1，洪方明1，袁爽1

（1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利動力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

隨著我國汽車保有量的增加，能源問題和環境問題對傳統內燃機的發展提出巨大挑戰，米勒循環發動機以其特有的工作原理，能夠明顯提高發動機的熱效率，改善發動機的燃油消耗，滿足日益嚴格的油耗法規。文章對米勒循環汽油機的工作原理進行了分析，并通過試驗驗證了米勒循環對汽油機油耗率的影響，為米勒循環在汽油機上的應用提供參考。

米勒循環；汽油機；油耗率

引言

隨著我國汽車工業的蓬勃發展，汽車已走進千家萬戶，成為現代生活標配之一，我國乘用車保有量趨勢圖如圖1所示[1]。持續增長的汽車保有量也給社會帶來了較大的環境和能源問題，為了控制國內最大移動污染源的排放和能耗，相關法規也越來越嚴格，國內乘用車CAFC限值（企業平均油耗）如圖2所示[2]。同時隨著環境問題對人們生活影響的不斷加劇，公眾的環保意識也不斷加強，消費者也更傾向選擇更加環保節能的汽車。因此各汽車制造企業都將提高汽車的經濟性作為重要研究方向之一[3]。

汽油機目前是國內乘用車主要搭載動力，提高汽油機經濟性的方案有很多種，其中米勒循環技術國外汽車企業都進行了比較深入的研究，而國內相關企業大多還處于起步階段[4]。

1 米勒循環

傳統四沖程汽油機的工作形式是奧托循環，其活塞的壓縮沖程和膨脹做功行程基本一致[5]，進排氣門在上止點（TDC）和下止點(BDC)附近開啟和關閉，如圖3所示。實際運行中的汽油機，尤其是增壓汽油機，其膨脹做功沖程結束時，缸內依然具有較高的壓力，而這部分能量沒有得到的很好的利用[6]。

圖1 國內乘用車千人保有量趨勢

圖2 國內乘用車千CAFC值指標

圖3 四沖程汽油機配氣相位圖示

由內燃機的工作原理可知，如果膨脹做功行程大于壓縮行程，燃燒產生的能量就可以得到更多的利用，發動機的熱效率就可以得到提高，從而降低發動機的燃油消耗率，這種膨脹比大于壓縮比的熱力循環稱為過膨脹循環[7]。

十九世紀英國科學家詹姆斯·阿特金森通過一套復雜的連桿機構實現了發動機膨脹做功沖程大于壓縮沖程[8]，如圖4所示，由于該機構過于復雜，在實際應用中并未明顯改善發動機的油耗率。二十世紀美國科學家Ralph Miller在傳統汽油機的進氣與壓縮沖程之間增加了一個減壓的行程[9]，從而提高發動機的膨脹比，降低發動機的油耗率，該設計方案的缺點是流失的部分混合氣對發動機的功率輸出產生較大的損失。

現代成熟的過膨脹循環是通過進氣門的延遲關閉或者提前關閉，以減小活塞的有效壓縮行程實現過膨脹循環，通常將這種實現方案統稱為“米勒循環”，米勒和奧托熱力循環p-v圖示如圖5所示。

圖4 阿特金森的過膨脹循環發動機設計示意圖

圖5 奧托循環和米勒循環的熱力循環對比

由圖5可以得到，奧托循環（1-2-3-4）的熱效率明顯低于米勒循環（1-2-3-4-5-6），同時由于米勒循環汽油機有效壓縮比的降低，其爆震傾向隨之減弱，可以進一步提高幾何壓縮比來提升其熱效率。但是由于米勒循環自身的結構問題，其較低的充氣效率決定其能量密度低于奧托循環發動機[10]，也就是說相同排量的奧托循環發動機最大輸出功率高于米勒循環發動機。

2 米勒循環對油耗率的影響

了彌補與國外先進車企的差距，提高自主汽車發動機的核心競爭力，國內自主汽車企業和汽車工程師不斷的進行發動機降油耗技術的開發研究。本試驗所用發動機為某自主車企自主研發的四缸增壓汽油發動機，采用減小進氣凸輪軸包角和降低進氣凸輪軸升程的設計以實現米勒循環，同時提高其幾何壓縮比，以提高發動機的熱效率，降低燃油消耗率。凸輪軸和幾何壓縮比的主要變化如表1所示，米勒發動機進排氣凸輪軸型線方案如圖6所示。

表1 米勒循環發動機主要參數區別

乘用車實際常用工況為低速小負荷，常運行轉速為2000r/min左右，因此降低汽油機低速小負荷的燃油經濟性對降低整車油耗至關重要，在汽油機的的開發中，2000r/ min-2bar的工況點常作為重要的一個特征油耗點進行對比，該工況點的油耗優劣一定程度上反應該發動機的燃油消耗水平。

3 試驗結果

本試驗在公司內部試驗臺架進行，臺架設備維護和保養情況滿足要求，所用傳感器精度和數據處理均滿足GB/T 18297-2001要求，臺架所用電力測功機、油耗儀、控制系統等均為AVL公司生產。

由于進排氣凸輪軸型線發生變化，所以在米勒發動機的開發中，對其進排氣VVT選擇重新進行掃點，其選點原則為小負荷(非爆震影響區域)選擇充氣效率和點火效率最高的進排氣VVT組合，外特性兼顧早燃和爆震選擇扭矩最大的進排氣VVT組合，本文僅介紹米勒發動機的2000r/min-2bar油耗結果。表2為米勒發動機2000r/min-2bar進排氣VVT油耗掃描結果（以傳統奧托循環2000r/min-2bar最佳進排氣VVT的燃油消耗率為基準，進行比值），其中紅色區域為IMEP COV超限值區域，主要是由于進排氣重疊角過大，EGR率過高，引起缸內燃燒不穩定產生。

表2 米勒循環發動機2000r/min-2bar油耗結果(%)

由表2可以得到，與傳統奧托循環汽油機相比，米勒循環汽油機2000r/min-2bar特征油耗點最低燃油消耗率改善了3%，說明使用米勒循環同時加大幾何壓縮比的方案，可以明顯改善傳統奧托循環汽油機低速小負荷的燃油消耗率，降低整車油耗。

4 結論

通過試驗可以得到：使用米勒循環同時加大幾何壓縮比的汽油發動機，2000r/min-2bar特征油耗點的燃油消耗率明顯優于傳統汽油發動機。

由于采用米勒循環之后，相同排量的汽油發動機扭矩和功率有所降低，必然會影響到整車駕駛舒適性，因此在傳統汽車上制約了米勒循環發動機的使用。隨著國家排放和油耗法規的越來的嚴格，混合動力汽車得到了廣泛的發展和社會認可，在混合動力汽車上，米勒循環發動機能夠更好的發揮其優勢，避免其劣勢。因此可以猜測，隨著混合動力汽車的發展，米勒循環發動機必將得到進一步的發展。

[1] 中華人民共和國環境保護部. 2015 年中國機動車污染防治年報.http://wfs.mep.gov.cn/dq/jdc/zh/201601/P020160115523794855203.pdf, 2016.

[2] 乘用車燃料消耗量第四階段標準解讀,工信部,http://www.miit. gov.cn, 2015-01-26.

[3] 王建昕,王志.高效清潔車用汽油及燃燒的研究進展[J].汽車安全與節能學報. 2010.

[4] 周仁杰.米勒循環在傳統汽油機上的應用研究[D].天津大學,碩士學位論文, 2016.

[5] Heywood J.B,“Internal Combustion Engine Fundamentals”, Mc -Graw-Hill Book Co, ISBN 0-07-100499-8, 1988.

[6] 秦靜,李云龍,張少哲等.進氣門晚關與高壓縮比技術在汽油機上的應用[J].天津大學學報,2014,47(11):1008-1016.

[7] Martins J.J.G, Uzuneanu K., Ribeiro B.S and Jasasky O.“Thermod -ynamic Analysis of an Over-Expanded Engine”, SAE Technical Paper 2004-01-0617.

[8] Atkinson J., “Gas-Engine”, U.S. Patent 367496, Aug.1887.

[9] Miller R., “Supercharged engine”, U.S. Patent US2817322 A,Dec. 1957.

[10] 姜峰,李明海,王娟.兩種米勒循環對機車柴油機性能的計算分析與研究[J].內燃機工程.

Effects of Miller Cycle on Performance of Gasoline Engine

Ren Quanshui1,2, Wu Ning1, Sun Chenglong1, Hong Fangming1, Yuan Shuang1

( 1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336;2.Zhejiang Geely Powertrain Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315800 )

As the increase of vehicles in China, energy problems and environmental problems pose great challenges to the development of traditional internal combustion engines. The Miller cycle engines, with their unique working principles, can significantly improve the thermal efficiency of the engine, reduce the fuel consumption of the engine, and meet increasingly stringent fuel economy regulations requirement. This paper analyzes the working principal of Miller cycle engine, and verifies the effects of Miller cycle on engine performance by experiment, which provides reference for application of Miller cycle on the gasoline engine.

Miller cycle; Gasoline engine; Fuel consumption

TK41

A

1671-7988(2019)24-87-03

TK41

A

1671-7988(2019)24-87-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.029

任全水（1987-），男，工程師，碩士研究生，就職于寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，研究方向：內燃機性能開發。