孫柏剛，湯弘揚(yáng)，陳宇航，謝誠(chéng)，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(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081)

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Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)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(chéng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力汽車對(duì)于經(jīng)濟(jì)性和排放的需求. 而Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)因其自身所具有的優(yōu)勢(shì)，已成為混合動(dòng)力汽車動(dòng)力研發(fā)的主要選擇[1].

隨著VVT技術(shù)與混合動(dòng)力汽車的出現(xiàn)，Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)憑借著和電動(dòng)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(dòng)機(jī)的豐田Prius混合動(dòng)力汽車全球銷量超過(guò)218萬(wàn)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(jí)別汽油機(jī)的45%[2]. 國(guó)內(nèi)Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究也已迅速開展，同濟(jì)大學(xué)的田永祥等[3]對(duì)混合動(dòng)力車用Atkinson發(fā)動(dòng)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(zhǎng)安汽車與北京理工大學(xué)合作，在JL475Q3發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上通過(guò)減小燃燒室容積將壓縮比提高到12并對(duì)原有配氣相位進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹比增加的同時(shí)，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(dòng)機(jī)仿真模型的Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)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(shì)，同時(shí)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(tái)自然吸氣、VVT、直列四缸汽油機(jī)上進(jìn)行. 發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)基本參數(shù)

試驗(yàn)過(guò)程中使用的主要設(shè)備儀器：測(cè)功機(jī)為AVL公司的動(dòng)態(tài)電力測(cè)功機(jī)和測(cè)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(zhǎng)進(jìn)氣凸輪軸；同時(shí)為保證動(dòng)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(guò)可變氣門定時(shí)機(jī)構(gòu)(VVT)對(duì)Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，進(jìn)行萬(wàn)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(guò)試驗(yàn)獲得能反映動(dòng)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(dòng)機(jī)外特性

原機(jī)改為Atkinson 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)后，外特性曲線如圖2所示. Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)有效燃油消耗率隨平均有效壓力的變化曲線與原機(jī)對(duì)比，如圖3所示.

在低負(fù)荷范圍內(nèi)，Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)比. 進(jìn)氣歧管壓力數(shù)據(jù)由進(jìn)氣歧管壓力傳感器測(cè)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(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如圖4所示. 在圖4(a)中，Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)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(shí)相比于原機(jī)ηbe降低了9%，3 000 r/min，0.3 MPa時(shí)降低了7.5%.

由于泵氣損失是造成Otto循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)燃油消耗率高的主要原因之一. 圖4(b)為發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)相比于原機(jī)的泵氣損失明顯減小. 此時(shí)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(cè)得，2 000 r/min，0.2 MPa時(shí)，Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)的缸內(nèi)壓力曲線對(duì)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(shí)，原機(jī)的Pmax仍高于Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī). 相比于原機(jī)，Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī).

圖7為3 000 r/min，0.3 MPa時(shí)，Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)的缸內(nèi)壓力曲線對(duì)比圖. 在轉(zhuǎn)速升高，負(fù)荷增大的情況下，Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(shí)，進(jìn)氣歧管壓力對(duì)比. 此時(shí)Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)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(shí)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(gè)急速的壓力下降過(guò)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(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力高于原機(jī)進(jìn)氣壓力，同時(shí)Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力高于原機(jī)的缸內(nèi)壓力. 此時(shí)進(jìn)氣壓力與缸內(nèi)壓力雖然仍有壓差，但無(wú)2 000 r/min，0.2 MPa時(shí)明顯，故此時(shí)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(dòng)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(shí)，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(zhǎng)，溫度降低，NOx排放減少；Atkinson循環(huán)對(duì)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(dòng)機(jī)與原機(jī)的萬(wàn)有特性對(duì)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(shí)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(dòng). 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(shí)的最低油耗區(qū)域扭矩約為80～112 N·m，相對(duì)原機(jī)型，低油耗區(qū)面積增加.

3 結(jié) 論

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

Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)相比，動(dòng)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(shí)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(shí)扭矩基本不變.

Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)同原機(jī)相比大幅降低了油耗. 在萬(wàn)有特性時(shí)，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(shí)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(shí)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(dòng)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(wú)變化.

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(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(guó)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