传统汽油机改进成混合动力Atkinson循环专用发动机的节油效果

朱国辉^{1, 2}，夏孝朗^{1, 2}，刘敬平^{1, 2}，付建勤^{1, 2}

(1. 湖南大学 先进动力总成技术研究中心，湖南 长沙，410082；

2. 湖南奔腾动力科技有限公司，湖南 长沙，410205)

摘要：基于传统汽油机的实测数据建立GT-POWER模型；分析改进成Atkinson循环发动机的节油潜力及爆震指数。先选择3种方案并利用GT-POWER模型对部分负荷与万有特性对Atkinson循环进行计算，3种方案分别为：(1) 只用可变气阀正时(VVT)技术推迟进气阀关闭时刻；(2) 增加凸轮型线包角并用VVT技术推迟进气阀关闭时刻，(3) 在第二方案上将压缩比由10增加到12。计算结果表明：方案三节油效果明显，在5个典型工况及全转速范围上中小负荷节油率达7%以上。再分析推迟排气阀开启时刻对实现部分负荷节油基本没有应用价值；传统汽油机改进成Atkinson循环发动机的最佳方案为增加进气凸轮型线包角使进气持续期为350°，用VVT技术推迟进气阀关闭时刻来调节负荷，再将压缩比由10增加到12，而排气凸轮型线及相位不变。

关键词：Atkinson循环；泵气损失；爆震指数；可变气阀正时；节油率

中图分类号：TK411          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)04-1302-10

Fuel saving effect of Atkinson cycle engine applied to hybrid vehicle converted from conventional gasoline engine

ZHU Guohui^{1, 2}, XIA Xiaolang^{1, 2}, LIU Jingping^{1, 2}, FU Jianqin^{1, 2}

(1. Research Center for Advanced Powertrain Technology, Hunan University, Changsha 410082, China;

2. Hunan Peteco Technology Company Ltd, Changsha 410205, China)

Abstract: To study the fuel saving effect of the Atkinson cycle engine, a GT-POWER simulation model was built and calibrated against experimental data; the fuel saving potential and the knock intensity were analyzed after the engine was improved into Atkinson cycle. Firstly, three means were studied and modeled. (1) Delay intake valve timing by variable valve timing (VVT); (2) Increase intake duration to 350° with delaying intake valve timing by VVT; (3) Add geometry compress ratio from 10 to 12 on top of the second method. The results demonstrate that the third method has the obvious fuel saving effect, in which fuel saving ratio exceeds 7% on five typical conditions and at all speeds with low and middle load. Secondly, some work was done to analyze the fuel saving effect of delaying exhaust valve timing on partial loads, and little effect was discovered by this means. The most effective method is increasing intake duration to 350°based on the crankshaft angle, delaying the intake valve closing time to adjust the load by VVT and adjusting the geometry compress ratio from 10 to 12, while the exhaust structure and valve timing remain unchanged.

Key words: Atkinson cycle; pumping loss; knock intensity; variable valve timing; fuel saving ratio

乘用车第三阶段油耗法规将于2015年在我国全面实施^[1]，因此，我国将很快普及低油耗车，积极发展小排量车与电动汽车，但前者动力性不足，后者因能量多次转换而损失，两者皆不是节能减排的最佳方式。混合动力汽车能将制动能量回收，且发动机可经常工作在经济工况，具有真正意义上的节能减排作用，是今后乘用车的主要发展方向之一^[2]。但是，传统汽油机的负荷为节气阀“量”调节方式，城市路况下进气节流损失严重，造成不可避免的泵气损失，导致油耗增加^[3-5]，在一定程度上降低了混合动力汽车的节能减排的优势，因此，传统Otto循环发动机无法最大限度地发挥混合动力汽车的节油潜力。而Atkinson循环发动机无进气节流损失，泵气损失大大减少，燃油消耗率相对大幅下降。因此，作为混合动力汽车的动力源，Atkinson循环发动机更具优势，将成为混合动力乘用车的专用发动机。文献[6-10]对Atkinson循环发动机的节油优势进行了深入的理论研究，得出：(1) 无节气阀节流损失，泵气损失减少；因晚关进气阀导致有效压缩比减少，可增加几何压缩比弥补热效率的下降；(2) 推迟排气阀开启，增大膨胀比，提高热效率等。但利用其优势进行工程应用的研究相对较少。为此，本文作者将一传统汽油机改进成Atkinson循环发动机，对其理论优势进行实际应用，以期为相关改进与研发工作提供借鉴。

1  样机与试验

1.1  样机

试验对象为1台自然吸气式汽油机，其主要参数如表1所示。

1.2  试验

采用AVL试验台架测试发动机性能包括功率、扭矩、燃油消耗量、过量空气系数、进气总管压力与温度、进气歧管压力与温度、排气总管压力与温度、排气歧管压力与温度、机油压力与温度、冷却液进出口压力与温度。测量时发动机转速为1 000~6 000 r/min，转速步长为400 r/min，负荷步长0.1 MPa；控制冷却液温度为(361±5) K；机油温度控制策略：中低转速时为(371±5) K，高速、高负荷时为(283±5) K；控制进气温度为(298±1) K。放置λ仪(即过量空气系数测量仪)的传感器于三元催化转化器前测试过量空气系数。采用4个Kistler缸压传感器同时测量各缸压力，运用AVL燃烧分析仪进行缸内压力采集。为减少缸压测量误差，对每个工况连续采集200个工作循环的缸压。

表1  试验用发动机主要参数

Table 1  Test engine main specification

2  计算模型

以样机的结构参数为基础，对样机建立GT-POWER模型。然后，基于试验数据对全负荷的平均有效压力(BMEP)、功率、燃油消耗率、排气背压等关键参数以及部分负荷典型工况的燃油消耗率进行校准，采用乘用车发动机的5个常用典型工况作为部分负荷校准工况，见表2。对比结果如图1和图2所示。由图1和图2可知：模型计算值误差都在3%之内，模型的可信度高。

表2  5个常用典型工况

Table 2  Five typical operation condition

图1  全负荷工况模型校准

Fig. 1  Model calibration of full load

图2  部分负荷典型工况模型校准

Fig. 2  Model calibration of typical working conditions

3  无进气节流损失的节油效果

3.1  节油潜力理论分析

高压循环(闭阀循环)的平均指示压力(用GIMEP表示)的能量被平均有效压力(BMEP)、泵气损失(PMEP)、平均摩擦损失压力(FMEP)这3部分所消耗。称PMEP占GIMEP的百分比为泵气损失能耗比^[11-13]。泵气损失分为两部分：一部分由进气节流真空度引起，且随节气阀开度增大逐渐减少至0，可以消除；另一部分由排气背压所引起，因排气背压客观存在，不可消除。称前者占总泵气损失的百分比为泵气损失消除率，则发动机在无节气阀节流损失的最大节油潜力等于泵气损失能耗比与泵气损失消除率的乘积。

图3所示为分析发动机实测缸压数据得出的无节气阀节流损失的节油潜力万有特性(MAP)图。图3中全转速范围内负荷不超过0.4 MPa时，节油潜力高于10%。所以，选择这一区域来研究Atkinson循环混合动力专用发动机实际节油价值。至于Atkinson循环发动机动力性不足的问题，则由电机辅助驱动加以解决。显然，这一区域包括乘用车发动机的5个常用典型工况，见表2。

值得强调的是：上述节油潜力MAP图并没有考虑进气阀推迟关闭后导致有效压缩比减少而热效率下降对油耗的影响，所以，图3反映的只是一种节油潜力(最大节油效果)，而不是一定能获得的节油效果。如果要较准确得到节油效果，必须考虑发动机改进前后热效率发生变化时对油耗的影响。利用标定好的GT-POWER模型模拟Atkinson循环发动机的运行工况，能得到比较准确的节油率。

图3  无进气节流的节油潜力MAP

Fig. 3  Fuel saving potential MAP without inlet throttle

3.2  节油率模拟计算

3.2.1  进气阀晚关的计算方案

Atkinson循环发动机是通过调节进气阀关闭时刻来控制负荷(不是调节节气阀开度)：利用进气阀晚关，将进入气缸的多余新鲜充量反推入进气道，在缸内保留满足所需负荷的油气混合工质。

进气阀关闭时刻推迟后，可消除部分泵气损失而节省燃油；也可增加几何压缩比来弥补因晚关进气阀造成的有效压缩比减少导致的热效率下降。

因此，选择计算方案须同时考虑推迟进气阀关闭与增加几何压缩比，可采用3种方案。

(1) 方案一：利用可变气阀正时(VVT)技术调节进气凸轮型线相位，推迟进气阀关闭时刻。原机气阀定时如图4所示。

(2) 方案二：以消除部分泵气损失为目标，先增大进气凸轮包角，再利用VVT技术调整进气凸轮轴，推迟进气阀关闭时刻，具体参数调整见表3。

图4  原机气阀定时

Fig. 4  Valve timing of original engine

表3  原机与方案二的气阀定时数据

Table 3  Valve timing data of original engine and Scheme 2

(3) 方案三：在方案二的基础上增加几何压缩比，增加限度以最易爆震工况的最大几何压缩比为上限，使爆震指数不超过原机的爆震指数。

将传统汽油机改进成Atkinson循环发动机时，先确定其最易爆震工况。图5所示为原机模拟计算的爆震指数MAP。由图5可知原机最易爆震转速为1 000 r/min；若以节油率10%为具有可开发价值的界限，改进后最易爆震工况为1 000 r/min，平均有效压力为0.4 MPa。方案三中的几何压缩比由10增加到12。3种方案的计算结果如图6所示。方案一基本没有节油效果，原因是尽管无进气节流损失，但进排气阀重叠角过小(很多情况下气阀重叠角为0)，在进气行程活塞下行一段时间后进气阀才开启，使活塞最初下行的一段时间内气缸容积变大而缸内压力则变小，泵气损失大部分并未被消除。方案二有一定的节油效果，因为进排气阀重叠角合理，无泵气损失，但节油效果有限，原因是有效压缩比下降导致指示热效率下降。方案三节油效果明显，原因是在方案二的基础上增加了几何压缩比，使有效热效率大幅度增加。

图5  原机模拟计算的爆震指数MAP

Fig. 5  Knock intensity MAP of prototype simulation

3.2.2  典型工况的模拟计算

现对5种典型工况应用以上3种方案计算模型的节油率、泵气损失、热效率及爆震指数，并与原机实测试验数据进行对比。图7~11所示分别为5种典型工况的计算结果，其中典型工况3~5的爆震指数几乎为0。

由图7~11可知：5种典型工况3种方案的节油率与图6的结果类似，原因也相同。因此，将传统汽油机改进成Atkinson循环发动机时，单纯采用VVT平移凸轮型线相位来推迟进气阀关闭根本无法实现节油效果，必须扩大进气凸轮型线包角，一方面，使进气阀关闭时刻能够推迟；另一方面，进排气阀重叠角又维持在合理范围内，使泵气损失尽可能减少，进而大幅度地减少泵气损失所消耗的能量，从而达到节油的目的。同时，必须合理地增加几何压缩比(本文压缩比由10增加到12)才能弥补有效热效率的下降，达到明显的节油效果。如图7~11中5种典型工况方案三的节油率都超过了7%。

图6  1 000 r/min和0.4 MPa时3种方案的计算结果

Fig. 6  Calculation data of three schemes at 1 000 r/min and BMEP 0.4 MPa

图7  1 300 r/min和0.295 MPa时3种方案的计算结果

Fig. 7  Calculation data of three schemes at 1 300 r/min and BMEP 0.295 MPa

图8  1 500 r/min和0.262 MPa时3种方案的计算结果

Fig. 8  Calculation data of three schemes at 1 500 r/min and BMEP 0.262 MPa

图9  1 600 r/min和0.241 MPa时3种方案的计算结果

Fig. 9  Calculation data of three schemes at 1 600 r/min and BMEP 0.24 MPa

图10  2 000 r/min和0.200 MPa时3种方案的计算结果

Fig. 10  Calculation data of three schemes at 2 000 r/min and BMEP 0.200 MPa

图11  2 200 r/min和0.245 MPa时3种方案的计算结果

Fig. 11  Calculation data of three schemes at 2 200 r/min and BMEP 0.245 MPa

3.2.3  万有特性上的模拟计算

采用方案三对Atkinson循环发动机的外特性以及万有特性进行模拟，得到改进后的发动机动力性以及万有特性的节油率，为改进后发动机驱动节油率MAP图，如图12所示。

图12  发动机驱动节油率

Fig. 12  Fuel saving effect of engine drive

由图12可见：改进后发动机动力明显下降，若要维持原机动力性则需电机助力。若平均有效压力在0.1MPa以下采用电机直接驱动，则混合动力汽车的动力分布如图13所示。改进后全转速范围内中低负荷的节油率为7%以上，因此，改进成Atkinson循环发动机对降低油耗是成功的。

图13  混合动力驱动动力分布

Fig. 13  Power distribution of hybrid drive

4  排气阀晚关增大膨胀比的节油效果

相关文献将Otto循环理想化为图14中的a-b-c-d-a，再推迟排气阀开启时刻至d′，成为理想化的Atkinson循环的示功图。

图14  理想Otto循环与理想Atkinson循环示功图

Fig. 14  Indicator diagram of ideal Otto cycle and ideal Atkinson cycle

结合热力学相关知识^[14-15]求得Atkinson循环的指示热效率η计算公式：

             (1)

式中：ρ为膨胀比；λ为压力升高比；k为绝热指数；ε为实际压缩比。

从式(1)可知：当膨胀比增加时，理论指示热效率提高；排气开启推迟后，膨胀功增多，则热效率提高。

上述论述只是单纯从理想化的角度研究了晚关排气阀对指示热效率提高的优点，具有一定的指导意义。但在实际工程应用中，推迟排气阀开启的措施不一定具有很大的应用价值。

表4所示为原机排气阀定时的参数。工程应用开启时刻是指气阀升程达到0.25 mm的时刻，尽管气阀在小于0.25 mm时已经开启，但其流通面积太小，对缸内压力不能产生实质影响。但在此点之后，缸内压力下降明显加快。因此，实际的最终膨胀比应以气阀工程应用开启时刻为计算点，此处膨胀比很小(1.06)，几乎已没有膨胀潜力。因此，在膨胀比很小的情况下，推迟排气阀关闭所获得膨胀功是非常有限的，在实际应用中，这种措施基本没有节油效果，如图15所示。从图15可见：典型工况1与2下的燃油消耗率随有效热效率变化都非常小。

表4  排气阀开启时刻参数

Table 4  Exhaust valve opening parameters

图15  方案三采用推迟排气阀关闭时刻的节油率

Fig. 15  Fuel saving effect of delaying exhaust valve closing time in Scheme 3

5  结论

(1) 传统汽油机改进成Atkinson循环发动机时，仅采用VVT方法平移凸轮型线相位推迟进气阀关闭时刻的措施无法实现节油，必须采用扩大进气凸轮型线包角与VVT相结合的方法才能实现节油效果。

(2) 推迟进气阀关闭须合理增加几何压缩比才能达到明显节油效果，增加值以最易爆震的转速与负荷为准。

(3) 对于排气阀开启时刻标定较合理的现代汽油机，用推迟排气阀开启时刻的措施来增大膨胀比对Atkinson循环降低油耗几乎没有实质性效果。

(4) 对本研究对象进行改进的最佳方案为增加进气阀凸轮包角，使进气持续期为350°，平移凸轮型线相位推迟进气阀晚关，压缩比由10增加到12，而排气凸轮型线及其相位保持不变。

(5) 本研究对象以方案3改进后，在全转速范围内的中小负荷的节油率达7%以上。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2013-05-25；修回日期：2013-09-10

基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2012AA111801，2012AA111703)

通信作者：刘敬平(1962-)，男，美籍华人，博士，教授，博士生导师，从事内燃机性能开发研究；电话：15802541946；E-mail：wavyt@msn.com