基于燃油經濟性的Atkinson循環發動機優化設計研究

摘 要：【目的】將傳統Otto循環發動機改型設計為混合動力Atkinson循環發動機，以提高發動機燃油經濟性。【方法】以某Otto循環發動機為原型機，建立發動機GT-power仿真模型，通過提高發動機壓縮比，增大進氣凸輪工作包角，將原機仿真模型改型為Atkinson循環發動機仿真模型。利用Atkinson循環發動機仿真模型對發動機進氣凸輪工作包角、進氣門關閉時刻和排氣門關閉時刻進行優化分析，確定最佳參數。【結果】Atkinson循環發動機在外特性工況下扭矩有所下降，燃油消耗率最高降低了7.2%；最低燃油消耗率由原型機的244 g/kW·h降至235 g/kW·h，低油耗區域轉速范圍增大。【結論】試驗結果顯示，優化后的Atkinson循環發動機燃油經濟性得到了改善，滿足混合動力汽車對發動機的工作需求，證明了優化設計方法的可行性。

關鍵詞：Atkinson循環；進氣門關閉時刻；燃油消耗率

中圖分類號：TK411 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）16-0041-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.009

Research on Optimization Design of Atkinson Cycle Engine

Based on Fuel Economy

CHEN Xiaoqiang ZHAO Xin

（Henan Polytechnic of School of Automotive and Transportation， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] This paper redesigns the traditional Otto cycle engine into a hybrid Atkinson cycle engine to improve engine fuel economy.[Methods] Using the Otto cycle engine as a prototype， a GT-power simulation model of the engine was established. By increasing the compression ratio of the engine and the working angle of the intake cam， the original simulation model is modified into an Atkinson cycle engine simulation model. The Atkinson cycle engine simulation model is used to optimize and analyze the working angle of the engine intake cam， the closing time of the intake valve， and the closing time of the exhaust valve， thus determining the optimal parameters.[Findings] The Atkinson cycle engine shows a decrease in torque under external characteristic conditions， with the highest fuel consumption rate reduced by 7.2%; the minimum fuel consumption rate has decreased from 244 g/kW·h of the original engine to 235 g/kW·h， and the speed range in the low fuel consumption area has increased.[Conclusions] The experimental results show that the fuel economy of the optimized Atkinson cycle engine has been improved， meeting the working requirements of hybrid vehicles for the engine， and proving the feasibility of the optimization design method.

Keywords： Atkinson cycle; intake valve closing timing; fuel consumption rate

0 引言

傳統Otto循環汽油機采用節氣門調節負荷，泵氣損失大，造成發動機在低負荷工況工作時燃油消耗率高［1-3］。此外，當前電動汽車電池技術、續航里程等方面還存在一些技術難題［4］。相較而言，混合動力汽車以其獨特的優勢能夠克服上述弊端，是當前汽車產業發展的一個重要方向［5］。從節能和環保的角度看，傳統Otto循環汽油機不能滿足混合動力汽車的要求，目前混合動力汽車普遍采用Atkinson循環發動機。Atkinson循環發動機通過晚關進氣門，將部分進氣推回進氣歧管，使做功行程大于有效壓縮行程，從而提高了燃油經濟性，但同時也會導致動力性有所下降。所以在混合動力汽車低速低負荷工況時，可以讓電動機取代發動機工作，發揮電動機低速大扭矩的優勢，彌補Atkinson循環發動機動力不足的缺陷，而在中等負荷工況時采用發動機工作，發揮Atkinson循環發動機高效率、低油耗的優勢，從而更好地實現節能減排［6］。因此，Atkinson循環發動機已成為混合動力汽車專用發動機。

本研究利用GT-Power仿真軟件建立某傳統Otto循環發動機仿真模型，然后通過提高發動機幾何壓縮比，增大進氣凸輪工作包角，將其改型設計為Atkinson循環發動機。在此基礎上，以提高燃油經濟性為優化目標，分別對進氣門關閉時刻和排氣門關閉時刻進行參數優化，最后通過臺架試驗驗證優化后的Atkinson循環汽油機燃油經濟性的改善效果。

1 仿真模型建立及校核

本研究以一款自然吸氣的傳統Otto循環發動機為原型機，發動機基本參數見表1。根據原機結構布置形式，建立一維GT-power仿真模型，然后在模型中輸入邊界條件和不同模塊的幾何參數，其中燃燒模型選擇準三維預測SITurb燃燒模型，傳熱模型選擇Woschni傳熱模型，在仿真模型中對部分復雜管路進行簡化處理。

為了確保GT-power仿真模型仿真結果準確可靠，根據原機試驗數據，通過與仿真計算結果進行對比，對仿真模型進行校核。外特性工況扭矩和燃油消耗率的仿真計算結果和試驗數據對比如圖1所示。由圖1可知，在全轉速范圍內發動機扭矩和燃油消耗率的仿真計算結果和試驗數據最大誤差在5%以內，與試驗數據吻合較好，因此可以認為該仿真模型有較高的精度，能夠用于下一步的分析研究。

2 燃油經濟性優化

2.1 結構改型設計

根據混合動力發動機的使用設計要求，以發動機轉速2 000 r/min、扭矩80 N·m工況點為例進行優化研究。由于Otto循環和Atkinson循環的有效壓縮起始點不同，因而 Atkinson循環有效壓縮比較原機的壓縮比小，使得發動機工作遠離爆震邊界，這就為提高幾何壓縮比留下了空間［7］，提高幾何壓縮比主要通過增加活塞頂面高度來實現。原機幾何壓縮比為10.5，本研究設計幾何壓縮比為13。同時增大進氣凸輪工作包角，設計新的進氣凸輪型線。原機進氣凸輪工作包角為270°，本設計進氣凸輪工作包角為290°和300°兩種進氣凸輪型線，進氣凸輪型線如圖2所示。

2.2 進氣門關閉時刻優化

Atkinson循環發動機工作過程包括進氣、進氣回流、壓縮、做功和排氣，其中進氣回流是由于進氣門延遲關閉，活塞上行時將部分混合氣推回至進氣歧管中，因此需要對改型設計的Atkinson循環發動機進氣門關閉時刻進行優化，以確定最佳進氣門關閉時刻。

在原機配氣相位的基礎上，推遲發動機進氣門關閉時刻，原機進氣門關閉時刻為下止點后的74°～101°，本次優化選擇進氣門關閉時刻為下止點后的111°～131°，每隔5°進行一次仿真計算。該工況下兩種進氣凸輪型線的發動機熱效率、泵氣損失和燃油消耗率隨進氣門關閉時刻的變化如圖3所示。

由圖3（a）可知，隨著進氣門關閉時刻的推遲，熱效率逐漸下降，這是由于過多的進氣回流和有效壓縮比的降低導致燃燒過程中出現惡化現象。當進氣門關閉時刻不變時，Atkinson循環發動機進氣凸輪工作包角為290°，比300°的熱效率高，原因是相同的進氣門關閉時刻，進氣凸輪工作包角越小，則氣門重疊角越小，混合氣倒流量少，因此熱效率相對較高。由圖3（b）可知，進氣門關閉時刻越晚，氣泵損失越小，這是由于隨著進氣門關閉時刻的推遲，在壓縮過程中較多的混合氣倒流至進氣歧管中，導致缸內混合氣量減少，為了保證該負荷下所需的混合氣量，必須增大節氣門開度，以降低節流損失。而在相同的進氣門關閉時刻，進氣凸輪工作包角越小，泵氣損失越小。由圖3（c）可知，燃油消耗率隨著進氣門關閉時刻的推遲，呈先降低后增大的變化趨勢，在進氣門關閉時刻為121°時，燃油消耗率最低，當進氣門關閉時刻一定時，進氣凸輪工作包角290°則比300°的燃油消耗率低。

因此，根據優化計算結果，綜合考慮發動機燃油經濟性、熱效率和泵氣損失等因素，最終選擇Atkinson循環發動機進氣凸輪工作包角為290°，進氣門關閉時刻為下止點后121°。

2.3 排氣門關閉時刻優化

根據熱力循環理論的相關知識［8］，理想Atkinson循環的指示熱效率計算公式見式（1）。

[ηi=1-kλρk-1-1λ-1] （1）

式中：[λ]為壓力升高比；[ρ]為膨脹比；[k]為絕熱指數。

由式（1）可知，理想Atkinson循環的指示熱效率[ηi]與膨脹比[ρ]呈正相關。可見，理想情況下推遲發動機排氣門關閉時刻，膨脹功率增大，則熱效率增加。為了分析實際應用中Atkinson循環發動機排氣門關閉時刻對燃油消耗率的影響，在原機排氣門關閉時刻的基礎上，取排氣關閉推遲角為0～15 °，每推遲5 °進行仿真計算。仿真計算得到的燃油消耗率和熱效率結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著排氣關閉推遲角的增大，發動機熱效率略微有所增大，最大增幅為0.2%，但燃油消耗率卻逐漸增加。主要原因是原排氣門關閉時刻時，氣缸內瞬時膨脹壓力較小，已經沒有膨脹的潛力，再通過推遲排氣門開啟時刻所獲得的膨脹功較小。所以實際推遲排氣門關閉時刻對降低燃油消耗率改善不大，因此排氣門關閉時刻保持不變。

3 試驗結果

根據仿真優化結果，在原機基礎上重新設計并安裝新的進氣凸輪軸和活塞，開發出Atkinson循環發動機樣機。在臺架上對Atkinson循環汽油機進行標定試驗，在小負荷時調節節氣門和可變氣門正時系統（Variable Valve Timing，VVT）共同控制負荷變化，在中大負荷時保持節氣門全開，調節 VVT來控制負荷變化。由于Atkinson循環發動機主要在中低轉速工作，因此在中低轉速標定時主要以改善燃油經濟性為主，在高轉速時保證發動機動力輸出。標定過程中應時刻監測排氣溫度，使其低于850 °C，以保護三元催化轉化器，同時監聽爆震音響，以防止發動機發生爆震。

發動機外特性下測得的原機和優化后的Atkinson循環發動機的扭矩和燃油消耗率的對比如圖5所示。由圖5可知，Atkinson循環發動機最大扭矩從146 N·m降低至127 N·m，在中低轉速時燃油消耗率最高降幅為7.2%，在高轉速時燃油消耗率最高降幅為2.1%。

原機與優化后的Atkinson循環汽油機的萬有特性曲線對比如圖6所示。由圖6可知，原機最低燃油消耗率為244 g/kW·h，優化后的Atkinson循環汽油機最低燃油消耗率為235 g/kW·h。在轉速1 600～3 600 r/min、扭矩70～110 N·m的區域內為Atkinson循環發動機的低油耗區，是混合動力發動機主要運行工況，并且244 g/kW·h低油耗區轉速范圍比原機的更寬，可以更好提高混合動力汽車的燃油經濟性。因此，優化后的Atkinson循環發動機達到了提高燃油經濟性的目標。

4 結論

本研究通過建立某Otto循環發動機GT-power仿真模型，根據改型設計方案，更改仿真模型中發動機壓縮比、進氣凸輪型線結構參數，將其改型為Atkinson循環發動機仿真模型。以提高燃油經濟性為目標，對兩種不同進氣工作包角的凸輪型線和進氣門關閉時刻、排氣門關閉時刻進行仿真優化計算。根據仿真優化計算的結構參數和控制參數，設計開發Atkinson循環發動機樣機，并進行臺架標定試驗。通過對發動機試驗數據進行分析，得出以下結論。

①由于Atkinson循環發動機存在進氣回流過程，在外特性工況下，Atkinson循環發動機最大扭矩從原機的146 N·m降至127 N·m。在中低轉速時燃油消耗率最高降幅為7.2%，在高轉速時燃油消耗率最高降幅為2.1%。

②通過對比萬有特性曲線可知，Atkinson循環發動機最低燃油消耗率由原機的244 g/kW·h降至235 g/kW·h，并且低油耗區域轉速范圍比原機的更寬，更加適應混合動力汽車的工作需求。

③試驗結果證明改型設計方案和仿真優化方法正確可行，研究成果為Atkinson循環發動機開發設計提供參考。

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