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        Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性與排放性試驗(yàn)

        2016-11-24 08:24:19孫柏剛湯弘揚(yáng)陳宇航謝誠范英杰
        關(guān)鍵詞:原機(jī)消耗率扭矩

        孫柏剛,湯弘揚(yáng),陳宇航,謝誠,范英杰

        (1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081; 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100081)

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        Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性與排放性試驗(yàn)

        孫柏剛1,2,湯弘揚(yáng)1,陳宇航1,謝誠1,范英杰1

        (1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081; 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100081)

        在外特性及汽油機(jī)常用工況點(diǎn)下,研究了高壓縮比Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性與排放特性. 研究表明:Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)在外特性工況下,扭矩降低5%,有效燃油消耗率降低5%~8%左右;在2 000 r/min,0.2 MPa與3 000 r/min,0.3 MPa常用工況點(diǎn)下,扭矩?fù)p失較小,泵氣損失分別降低34%與24%,有效燃油消耗率分別降低9.0%與7.5%;負(fù)荷越低,泵氣損失減少越明顯;在排放特性上,NOx排放分別降低了65.0%與31.5%,HC排放增加23.7%與26.0%.

        混合動力;Atkinson循環(huán);泵氣平均有效壓力;燃油消耗率;NOx

        由于傳統(tǒng)汽油機(jī)是基于奧托(Otto)理論循環(huán)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)的,具有部分負(fù)荷燃油經(jīng)濟(jì)性差、泵氣損失大等缺點(diǎn),已經(jīng)不能滿足混合動力汽車對于經(jīng)濟(jì)性和排放的需求. 而Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)因其自身所具有的優(yōu)勢,已成為混合動力汽車動力研發(fā)的主要選擇[1].

        隨著VVT技術(shù)與混合動力汽車的出現(xiàn),Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)憑借著和電動機(jī)的高效結(jié)合獲得了快速的發(fā)展. 截至2014年9月底,采用Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)的豐田Prius混合動力汽車全球銷量超過218萬輛,最新推出的第三代Prius整車實(shí)現(xiàn)了超低的燃油消耗(4.3 L/100 km)和二氧化碳排放量(104 g/km),僅為配備有尾氣控制裝置的同等級別汽油機(jī)的45%[2]. 國內(nèi)Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)的研究也已迅速開展,同濟(jì)大學(xué)的田永祥等[3]對混合動力車用Atkinson發(fā)動機(jī)的基本工作原理及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹.

        長安汽車與北京理工大學(xué)合作,在JL475Q3發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上通過減小燃燒室容積將壓縮比提高到12并對原有配氣相位進(jìn)行全新設(shè)計(jì),使發(fā)動機(jī)膨脹比增加的同時,又避免了壓縮比增加及爆燃的發(fā)生[4-5]. Zhao等[6]提出了一種基于一維發(fā)動機(jī)仿真模型的Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化方法.

        文中探討了Atkinson循環(huán)的理論優(yōu)勢,同時分析了采用高壓縮比后,在汽油機(jī)常用工況點(diǎn)下Atkinson循環(huán)汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性及排放特性,為后續(xù)研究提供指導(dǎo)作用.

        1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

        1.1 試驗(yàn)設(shè)備

        試驗(yàn)在一臺自然吸氣、VVT、直列四缸汽油機(jī)上進(jìn)行. 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如表1所示.

        試驗(yàn)裝置布局如圖1所示.

        表1 原型發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

        試驗(yàn)過程中使用的主要設(shè)備儀器:測功機(jī)為AVL公司的動態(tài)電力測功機(jī)和測控控制系統(tǒng);燃燒分析系統(tǒng)為AVL公司的622型燃燒分析儀;進(jìn)氣壓力傳感器為Kistler 4045A;缸壓傳感器為Kistler 6117B.

        1.2 試驗(yàn)方法

        為實(shí)現(xiàn)Atkinson循環(huán),將原機(jī)凸輪軸更換為進(jìn)氣包角為295°CA的長進(jìn)氣凸輪軸;同時為保證動力性,提高壓縮比,更換高幾何壓縮比活塞,將幾何壓縮比提高為13. 基于上述的改進(jìn),通過可變氣門定時機(jī)構(gòu)(VVT)對Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)實(shí)時調(diào)節(jié),進(jìn)行萬有特性試驗(yàn). 試驗(yàn)從1 000~6 000 r/min進(jìn)行掃描(轉(zhuǎn)速間隔500 r/min,負(fù)荷間隔0.1 MPa);在2 000 r/min,0.2 MPa;3 000 r/min,0.3 MPa工況點(diǎn)使用Bosch ECU及開發(fā)工具ETK進(jìn)行電噴參數(shù)微調(diào),記錄最佳性能參數(shù),當(dāng)量空燃比控制為1. 通過試驗(yàn)獲得能反映動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析試驗(yàn)結(jié)果,并得出采用Atkinson循環(huán)后的各項(xiàng)性能指標(biāo).

        2 分析和討論

        2.1 Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)外特性

        原機(jī)改為Atkinson 循環(huán)發(fā)動機(jī)后,外特性曲線如圖2所示. Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)的外特性扭矩曲線在1 000~4 500 r/min范圍內(nèi)整體低于原機(jī),在5 000~6 000 r/min范圍內(nèi)與原機(jī)扭矩相當(dāng). 在1 000~2 000 r/min范圍內(nèi)扭矩相對下降最多約為10%;在2 000~4 500 r/min范圍內(nèi)扭矩下降5%;在4 500~6 000 r/min范圍內(nèi),扭矩相對下降減少,基本上與原機(jī)大致相當(dāng).

        外特性工況下,在不同轉(zhuǎn)速下Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率都低于原機(jī),如圖2所示. 從圖2中可以看出,在中低轉(zhuǎn)速下,有效燃油消耗率降低5%左右. 表明采用Atkinson循環(huán)后,雖然發(fā)動機(jī)扭矩部分降低,但有效燃油消耗率得到明顯改善.

        2.2 Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷特性

        where Tc(hkl) is the texture coefficient of the (hkl) plane,I(hkl) is the measured intensity from the (hkl) plane, I0(hkl) is JCPDS standard intensity of the (hkl) plane, and N is the number of diffraction peaks.

        車用汽油機(jī)常用轉(zhuǎn)速范圍為2 000~3 000 r/min. 分別選取2 000,3 000 r/min時有效燃油消耗率隨平均有效壓力的變化曲線與原機(jī)對比,如圖3所示.

        在低負(fù)荷范圍內(nèi),Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)的油耗小于原機(jī). 在高負(fù)荷范圍內(nèi),Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)與原機(jī)的油耗率基本相當(dāng).

        為研究其經(jīng)濟(jì)性,在常用部分負(fù)荷區(qū)0.2~0.3 MPa,2 000~3 000 r/min范圍內(nèi),選取工況點(diǎn)2 000 r/min,0.2 MPa;3 000 r/min,0.3 MPa與原機(jī)對比. 進(jìn)氣歧管壓力數(shù)據(jù)由進(jìn)氣歧管壓力傳感器測得,其安裝于缸壓傳感器所在缸的進(jìn)氣歧管上.

        在2 000 r/min,0.2 MPa與3 000 r/min,0.3 MPa工況點(diǎn)處,原機(jī)與Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性對比如圖4所示. 在圖4(a)中,Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)扭矩Tq略微下降,但下降并不明顯. 但是有效燃油消耗率ηbe在2 000 r/min,0.2 MPa與3 000 r/min,0.3 MPa處,大幅度下降. 其中2 000 r/min,0.2 MPa時相比于原機(jī)ηbe降低了9%,3 000 r/min,0.3 MPa時降低了7.5%.

        由于泵氣損失是造成Otto循環(huán)發(fā)動機(jī)低負(fù)荷工況運(yùn)轉(zhuǎn)時燃油消耗率高的主要原因之一. 圖4(b)為發(fā)動機(jī)2 000 r/min和3 000 r/min的平均泵氣損失壓力. 由圖4(a)中可以看出,Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)相比于原機(jī)的泵氣損失明顯減小. 此時泵氣損失減小,燃油消耗率降低.

        為進(jìn)一步了解泵氣損失的變化,將分析缸內(nèi)壓力與進(jìn)氣歧管壓力的變化. 進(jìn)氣壓力由位于進(jìn)氣歧管上的壓力傳感器測得,2 000 r/min,0.2 MPa時,Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)與原機(jī)的缸內(nèi)壓力曲線對比如圖5所示.

        盡管采用了高壓縮比活塞,在2 000 r/min,0.2 MPa時,原機(jī)的Pmax仍高于Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī). 相比于原機(jī),Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)的Pmax出現(xiàn)角度變大. 在進(jìn)氣遲閉角范圍內(nèi),原機(jī)的缸內(nèi)壓力約為0.04 MPa高于Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī).

        圖7為3 000 r/min,0.3 MPa時,Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)與原機(jī)的缸內(nèi)壓力曲線對比圖. 在轉(zhuǎn)速升高,負(fù)荷增大的情況下,Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)的Pmax高于原機(jī),且Pmax出現(xiàn)角度提前. 在進(jìn)氣門開啟范圍內(nèi),Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力約為0.065 MPa,高于原機(jī).

        圖8為3 000 r/min,0.3 MPa時,進(jìn)氣歧管壓力對比. 此時Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管壓力仍高于原機(jī)的進(jìn)氣歧管壓力,但幅度較小約為0.01~0.015 MPa. 同時與原機(jī)相比,由于推遲了進(jìn)氣門開啟角度,進(jìn)氣門開啟后出現(xiàn)一個急速的壓力下降過程,壓力最小值出現(xiàn)在進(jìn)氣上止點(diǎn)后80°CA附近,壓力最大值出現(xiàn)在進(jìn)氣下止點(diǎn)前27°CA附近. 與圖7中缸內(nèi)壓力結(jié)合分析,在進(jìn)氣遲閉角內(nèi),Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力高于原機(jī)進(jìn)氣壓力,同時Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)壓力高于原機(jī)的缸內(nèi)壓力. 此時進(jìn)氣壓力與缸內(nèi)壓力雖然仍有壓差,但無2 000 r/min,0.2 MPa時明顯,故此時泵氣損失雖然降低,但降低幅度減少. 故在低轉(zhuǎn)速,低負(fù)荷下Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)的泵氣損失減小.

        2.3 常用工況點(diǎn)排放特性

        Atkinson循環(huán)中HC排放惡化,如圖9所示. 在2 000 r/min,0.2 MPa與3 000 r/min,0.3 MPa時,HC排放分別增加23.7%與26.0%. 由于采用了高壓縮比活塞,使得氣缸容積變小,面容比增加,HC排放惡化.

        由圖9可知,相比于原機(jī),采用Atkinson循環(huán)后,NOx排放明顯減少. 在2 000 r/min,0.2 MPa及3 000 r/min,0.3 MPa下,NOx排放分別降低65.0%與31.5%. 由于采用Atkinson循環(huán)后,缸內(nèi)燃燒變慢,燃燒持續(xù)期變長,溫度降低,NOx排放減少;Atkinson循環(huán)對CO排放影響較少,CO排放基本維持不變.

        2.4 全工況燃油經(jīng)濟(jì)性分析

        采用Atkinson循環(huán)后,在全工況范圍內(nèi)燃油經(jīng)濟(jì)性發(fā)生變化. 圖10 為Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)與原機(jī)的萬有特性對比圖. 圖中實(shí)線代表原機(jī)Otto循環(huán),其有效燃油效率標(biāo)注下劃線,虛線代表Atkinson循環(huán).

        原機(jī)的最低油耗區(qū)分布在2 000~3 500 r/min,最低油耗區(qū)的最低燃油消耗率等值線為250 g/(kW·h),在2 800 r/min時最低油耗區(qū)的扭矩約為93~132 N·m,隨轉(zhuǎn)速上升最低油耗區(qū)向高扭矩區(qū)域移動. 由圖10中可以看出Atkinson循環(huán)如果以240等值線為界限,最低油耗區(qū)分布在2 600~3 200 r/min,如果仍以250等值線劃分,則最低油耗區(qū)范圍大大增加,分布在1 600~3 600 r/min范圍內(nèi). 在3 000 r/min時的最低油耗區(qū)域扭矩約為80~112 N·m,相對原機(jī)型,低油耗區(qū)面積增加.

        3 結(jié) 論

        Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)具有高效循環(huán)、降低泵氣損失的優(yōu)勢.

        Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)與原機(jī)相比,動力性能在中、低轉(zhuǎn)速下外特性扭矩降低5%~10%,在高轉(zhuǎn)速時外特性扭矩與原機(jī)基本相同. 在2 000 r/min,0.2 MPa與3 000 r/min,0.3 MPa時扭矩基本不變.

        Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)同原機(jī)相比大幅降低了油耗. 在萬有特性時,最低燃油消耗率235.5 g/(kW·h),原機(jī)為242.25 g/(kW·h);在2 000 r/min,0.2 MPa;3 000 r/min,0.3 MPa時有效燃油消耗率為350.7 g/(kW·h),原機(jī)的有效燃油消耗率為376.0 g/(kW·h)時有效燃油消耗率為302.5 g/(kW·h),原機(jī)的為327.5 g/(kW·h),與原機(jī)相比,Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)最低油耗區(qū)范圍增加.

        NOx排放降低65.0%與31.5%,HC排放增加23.7%與26.0%,CO基本無變化.

        [1] Koichiro Mum, Makoto Yamazaki, Junji Tokieda. Development of new-generation hybrid system THS II—Drastic improvement of power performance and fuel economy,SAE Paper,2004-01-0064[R]. Detroit, USA: SAE, 2004.

        [2] Zhao Yingru, Chen Jincan. Performance analysis and parametric optimum Criteria of anirreversible Atkinson heat-engine[J]. Applied Energy, 2006(83):789-800.

        [3] 田永祥,杜愛民,陳禮璠.混合動力汽車用Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)的探討[J].汽車科技,2007(7):31-34.

        Tian Yongxiang, Du Aimin, Chen Lifan. Discussion of Atkinson cycle engine in hybrid vehicle[J]. Auto Mobile Science & Technology, 2007(7):31-34. (in Chinese)

        [4] 王長園,劉福水,孫柏剛.長安475Q混合動力發(fā)動機(jī)的仿真開發(fā)[J].汽車工程,2011,33(4):294-297.

        Wang Changyuan, Liu Fushui, Sun Baigang. Development of CA475Q hybrid electric vehicle engine by simulation[J]. Automotive Engineering, 2011,33(4):294-297. (in Chinese)

        [5] Liu Fushui, Sun Baigang, Zhu Huarong. Development of performance and combustion system of Atkinson cycle internal combustion engine[J]. Science China (Technological Sciences), 2014(3):471-479.

        [6] Zhao Jinxing, Xu Min, Li Mian, et al. Design and optimization of an Atkinson cycle engine with the artificial neural network method[J]. Applied Energy, 2012,92:492-502.

        (責(zé)任編輯:孫竹鳳)

        Experimental Study on Economy and Emission of Atkinson Internal Combustion Engine

        SUN Bai-gang1,2,TANG Hong-yang1,CHEN Yu-hang1,XIE Cheng1,F(xiàn)AN Ying-jie1

        (1.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing,Beijing 100081, China)

        To explore the economy and emission characteristics of Atkinson cycle internal combustion engine, a test was carried out for an Atkinson cycle internal combustion engine with a high compression ratio at the wide open throttle condition and the engine operating point commonly used. The test results show that, while torque outputs reduce by 5%, the brake specific fuel consumption (BSFC) was decreased by 5%~8%. When the engine was fixed at 2 000 r/min,0.2 MPa and 3 000 r/min,0.3 MPa, the PMEP was decreased by 34% and 24%, the BSFC was decreased by 9% and 7.5%. The lower the load, the more obviously the PMEP decreases. For the emission characteristics, NOxwas decreased by 65% and 31.5%,HC was increased by 23% and 27%.

        hybrid power; Atkinson cycle; pumping mean effective pressure (PMEP); brake specific fuel consumption(BSFC); NOx

        2015-06-19

        國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276019;2013DFR70170)

        孫柏剛(1969—),男,教授, E-mail: sunbg@bit.edu.cn.

        TK 147

        A

        1001-0645(2016)09-0905-05

        10.15918/j.tbit1001-0645.2016.09.005

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