小排量發(fā)動機應用阿特金森循環(huán)降油耗研究

王泰晟　汪文廣　隆貴

摘 要：通過在小排量發(fā)動機上應用阿特金森循環(huán)，可以有效抑制爆震和降低泵氣損失，提高發(fā)動機的熱效率。經(jīng)試驗測試，應用阿特金森循環(huán)后發(fā)動機匹配混動車型常用工作區(qū)域燃油消耗率降幅達到3%～6%。在阿特金森循環(huán)基礎上應用冷卻EGR技術后，發(fā)動機熱效率進一步提升至39.1%，滿足開發(fā)目標。

關鍵詞：阿特金森循環(huán) 冷卻EGR技術 降油耗

1 背景

隨著燃油經(jīng)濟性和排放法規(guī)的日趨嚴格，傳統(tǒng)自然吸氣發(fā)動機已經(jīng)越來越無法滿足整車匹配的要求。匹配混合動力和較高的熱效率、低油耗率成為新的目標[1]。

對于汽油發(fā)動機，爆震和部分負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荷泵氣損失對提高整車燃油經(jīng)濟性具有重要意義。阿特金森循環(huán)的目的就是在保持發(fā)動機膨脹比的情況下，減小有效壓縮比以抑制發(fā)動機爆震，同時還可以降低部分負荷的泵氣損失。因此，應用阿特金森循環(huán)是提高發(fā)動機熱效率，降低整車油耗的理想選擇。

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，進排氣門在上止點和下止點附近開啟和關閉，膨脹比基本等于壓縮比。而阿特金森循環(huán)中，通過進氣門的延遲關閉，將氣缸中的部分混合氣體推回到進氣歧管中，使實際壓縮比小于幾何壓縮比，而膨脹比還是等于發(fā)動機幾何壓縮比。汽油機阿特金森循環(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)動機則是先將絕熱膨脹線由zb延長至zb，再按ba進行等壓放熱回到壓縮如點a。因此阿特金森循環(huán)通過膨脹比（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)動機的熱效率。同時阿特金森循環(huán)發(fā)動機由于氣缸的實際進氣量減少，壓縮終了的溫度降低，降低發(fā)動機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一步提升。

3 技術路線

本文研究的對象為1.5L自然吸氣直噴發(fā)動機，發(fā)動機原機基本參數(shù)如表1所示。現(xiàn)計劃應用阿特金森循環(huán)，提高發(fā)動機的熱效率至39%，未來可以匹配混合動力整車，整體達到行業(yè)先進水平。

通過CAE仿真分析，計劃采用增大進氣凸輪軸升程及包角實現(xiàn)阿特金森循環(huán)，同時提高幾何壓縮比。由于實際進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能。因此還需要對缸蓋進氣道形狀進行優(yōu)化，提高進氣滾流比。發(fā)動機主要參數(shù)變化如表2所示。

4 試驗測試及分析

根據(jù)上述方案制造樣件，然后裝機在本公司內(nèi)部AVL試驗臺架進行測試，臺架設備維護和保養(yǎng)情況滿足要求，所用傳感器精度和數(shù)據(jù)處理均滿足GB/T 8297-2001要求。試驗過程分別對2000，2bar特征油耗點，部分負荷工況點及外特性工況進行了測試。

4.1 阿特金森循環(huán)對抑制發(fā)動機爆震的影響

發(fā)動機應用阿特金森循環(huán)后，進氣門延遲關閉可以降低有效壓縮比，導致壓縮終了缸內(nèi)溫度降低，有效抑制爆震，從而可以采用較大的點火提前角，最終達到降低油耗的目的。

因為乘用車實際常用工況為低速小負荷，常運行轉(zhuǎn)速為2000r/min附近。因此選取整車常用的典型工況點2000r/min，2bar工況進行分析。如圖2所示，隨著進氣關閉角的延后，進氣門逐漸延遲關閉。由于爆震傾向減小，發(fā)動機的點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)對發(fā)動機泵氣損失的影響

在小負荷區(qū)域，泵氣損失對發(fā)動機的熱效率影響較大。因為在小負荷區(qū)域，節(jié)氣門開度較小，活塞向下運動吸氣過程中，缸內(nèi)的壓力小于大氣壓力，需要消耗一部分功來維持活塞向下運動，導致泵氣損失較大。發(fā)動機應用阿特金森循環(huán)后，由于有部分混合氣體被推回至進氣道，為了保證足夠的進氣量，需增大進氣壓力，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，隨著節(jié)氣門開度增大，進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)對發(fā)動機燃油消耗率的影響

經(jīng)過測試，應用阿特金森循環(huán)后，發(fā)動機匹配混動車型常用工作區(qū)域燃油消耗率降幅達到3%～6%。其中最低燃油消耗率降低至224.3g/kW·h，發(fā)動機燃油消耗率對比如表3所示。

4.4 阿特金森循環(huán)對發(fā)動機動力性的影響

由于阿特金森循環(huán)采用較大的進氣包角，導致氣缸的實際進氣量減小，發(fā)動機外特性扭矩從160Nm降低到145Nm，動力性有所降低，如圖4所示。經(jīng)整車性能仿真，可以滿足匹配中小型混動車輛的動力需求。

4.5 阿特金森循環(huán)疊加冷卻EGR技術

在阿特金森循環(huán)的基礎上應用冷卻EGR技術，發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度降低，爆震得到進一步抑制，最低燃油消耗率可降低至216.5g/Kw·h，熱效率達到39.1%，滿足了開發(fā)目標，最低燃油消耗率對比如圖5所示。

5 結(jié)論

（1）應用阿特金森循環(huán)后，1.5L自然吸氣直噴發(fā)動機由于抑制爆震及泵氣損失的降低，發(fā)動機匹配混動車型常用工作區(qū)域燃油消耗率降幅達到3%～6%。但是由于阿特金森循環(huán)引起實際進氣量的減少，發(fā)動機扭矩有所降低。

（2）在阿特金森循環(huán)的基礎上應用冷卻EGR技術，發(fā)動機燃油消耗率進一步降低，熱效率達到39.1%，滿足開發(fā)目標。

參考文獻：

[1]郭平，李紅洲，朱小春，葛峰，吳建財.基于阿特金森循環(huán)1.8L直列四缸汽油機性能開發(fā)[J].汽車實用技術，2019.