任全水，吳寧，孫程龍，洪方明，袁爽

米勒循環(huán)對(duì)汽油機(jī)性能的影響

任全水1,2，吳寧1，孫程龍1，洪方明1，袁爽1

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利動(dòng)力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

隨著我國(guó)汽車(chē)保有量的增加，能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展提出巨大挑戰(zhàn)，米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)以其特有的工作原理，能夠明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗，滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的油耗法規(guī)。文章對(duì)米勒循環(huán)汽油機(jī)的工作原理進(jìn)行了分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了米勒循環(huán)對(duì)汽油機(jī)油耗率的影響，為米勒循環(huán)在汽油機(jī)上的應(yīng)用提供參考。

米勒循環(huán)；汽油機(jī)；油耗率

引言

隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車(chē)已走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，成為現(xiàn)代生活標(biāo)配之一，我國(guó)乘用車(chē)保有量趨勢(shì)圖如圖1所示[1]。持續(xù)增長(zhǎng)的汽車(chē)保有量也給社會(huì)帶來(lái)了較大的環(huán)境和能源問(wèn)題，為了控制國(guó)內(nèi)最大移動(dòng)污染源的排放和能耗，相關(guān)法規(guī)也越來(lái)越嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)乘用車(chē)CAFC限值（企業(yè)平均油耗）如圖2所示[2]。同時(shí)隨著環(huán)境問(wèn)題對(duì)人們生活影響的不斷加劇，公眾的環(huán)保意識(shí)也不斷加強(qiáng)，消費(fèi)者也更傾向選擇更加環(huán)保節(jié)能的汽車(chē)。因此各汽車(chē)制造企業(yè)都將提高汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性作為重要研究方向之一[3]。

汽油機(jī)目前是國(guó)內(nèi)乘用車(chē)主要搭載動(dòng)力，提高汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的方案有很多種，其中米勒循環(huán)技術(shù)國(guó)外汽車(chē)企業(yè)都進(jìn)行了比較深入的研究，而國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)大多還處于起步階段[4]。

1 米勒循環(huán)

傳統(tǒng)四沖程汽油機(jī)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[5]，進(jìn)排氣門(mén)在上止點(diǎn)（TDC）和下止點(diǎn)(BDC)附近開(kāi)啟和關(guān)閉，如圖3所示。實(shí)際運(yùn)行中的汽油機(jī)，尤其是增壓汽油機(jī)，其膨脹做功沖程結(jié)束時(shí)，缸內(nèi)依然具有較高的壓力，而這部分能量沒(méi)有得到的很好的利用[6]。

圖1 國(guó)內(nèi)乘用車(chē)千人保有量趨勢(shì)

圖2 國(guó)內(nèi)乘用車(chē)千CAFC值指標(biāo)

圖3 四沖程汽油機(jī)配氣相位圖示

由內(nèi)燃機(jī)的工作原理可知，如果膨脹做功行程大于壓縮行程，燃燒產(chǎn)生的能量就可以得到更多的利用，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率就可以得到提高，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，這種膨脹比大于壓縮比的熱力循環(huán)稱(chēng)為過(guò)膨脹循環(huán)[7]。

十九世紀(jì)英國(guó)科學(xué)家詹姆斯·阿特金森通過(guò)一套復(fù)雜的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹做功沖程大于壓縮沖程[8]，如圖4所示，由于該機(jī)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中并未明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率。二十世紀(jì)美國(guó)科學(xué)家Ralph Miller在傳統(tǒng)汽油機(jī)的進(jìn)氣與壓縮沖程之間增加了一個(gè)減壓的行程[9]，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率，該設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)是流失的部分混合氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出產(chǎn)生較大的損失。

現(xiàn)代成熟的過(guò)膨脹循環(huán)是通過(guò)進(jìn)氣門(mén)的延遲關(guān)閉或者提前關(guān)閉，以減小活塞的有效壓縮行程實(shí)現(xiàn)過(guò)膨脹循環(huán)，通常將這種實(shí)現(xiàn)方案統(tǒng)稱(chēng)為“米勒循環(huán)”，米勒和奧托熱力循環(huán)p-v圖示如圖5所示。

圖4 阿特金森的過(guò)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)示意圖

圖5 奧托循環(huán)和米勒循環(huán)的熱力循環(huán)對(duì)比

由圖5可以得到，奧托循環(huán)（1-2-3-4）的熱效率明顯低于米勒循環(huán)（1-2-3-4-5-6），同時(shí)由于米勒循環(huán)汽油機(jī)有效壓縮比的降低，其爆震傾向隨之減弱，可以進(jìn)一步提高幾何壓縮比來(lái)提升其熱效率。但是由于米勒循環(huán)自身的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，其較低的充氣效率決定其能量密度低于奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)[10]，也就是說(shuō)相同排量的奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率高于米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 米勒循環(huán)對(duì)油耗率的影響

了彌補(bǔ)與國(guó)外先進(jìn)車(chē)企的差距，提高自主汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)內(nèi)自主汽車(chē)企業(yè)和汽車(chē)工程師不斷的進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)降油耗技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究。本試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為某自主車(chē)企自主研發(fā)的四缸增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，采用減小進(jìn)氣凸輪軸包角和降低進(jìn)氣凸輪軸升程的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)，同時(shí)提高其幾何壓縮比，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低燃油消耗率。凸輪軸和幾何壓縮比的主要變化如表1所示，米勒發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣凸輪軸型線方案如圖6所示。

表1 米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)區(qū)別

乘用車(chē)實(shí)際常用工況為低速小負(fù)荷，常運(yùn)行轉(zhuǎn)速為2000r/min左右，因此降低汽油機(jī)低速小負(fù)荷的燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)降低整車(chē)油耗至關(guān)重要，在汽油機(jī)的的開(kāi)發(fā)中，2000r/ min-2bar的工況點(diǎn)常作為重要的一個(gè)特征油耗點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，該工況點(diǎn)的油耗優(yōu)劣一定程度上反應(yīng)該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗水平。

3 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)在公司內(nèi)部試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行，臺(tái)架設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)情況滿(mǎn)足要求，所用傳感器精度和數(shù)據(jù)處理均滿(mǎn)足GB/T 18297-2001要求，臺(tái)架所用電力測(cè)功機(jī)、油耗儀、控制系統(tǒng)等均為AVL公司生產(chǎn)。

由于進(jìn)排氣凸輪軸型線發(fā)生變化，所以在米勒發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)中，對(duì)其進(jìn)排氣VVT選擇重新進(jìn)行掃點(diǎn)，其選點(diǎn)原則為小負(fù)荷(非爆震影響區(qū)域)選擇充氣效率和點(diǎn)火效率最高的進(jìn)排氣VVT組合，外特性兼顧早燃和爆震選擇扭矩最大的進(jìn)排氣VVT組合，本文僅介紹米勒發(fā)動(dòng)機(jī)的2000r/min-2bar油耗結(jié)果。表2為米勒發(fā)動(dòng)機(jī)2000r/min-2bar進(jìn)排氣VVT油耗掃描結(jié)果（以傳統(tǒng)奧托循環(huán)2000r/min-2bar最佳進(jìn)排氣VVT的燃油消耗率為基準(zhǔn)，進(jìn)行比值），其中紅色區(qū)域?yàn)镮MEP COV超限值區(qū)域，主要是由于進(jìn)排氣重疊角過(guò)大，EGR率過(guò)高，引起缸內(nèi)燃燒不穩(wěn)定產(chǎn)生。

表2 米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)2000r/min-2bar油耗結(jié)果(%)

由表2可以得到，與傳統(tǒng)奧托循環(huán)汽油機(jī)相比，米勒循環(huán)汽油機(jī)2000r/min-2bar特征油耗點(diǎn)最低燃油消耗率改善了3%，說(shuō)明使用米勒循環(huán)同時(shí)加大幾何壓縮比的方案，可以明顯改善傳統(tǒng)奧托循環(huán)汽油機(jī)低速小負(fù)荷的燃油消耗率，降低整車(chē)油耗。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)可以得到：使用米勒循環(huán)同時(shí)加大幾何壓縮比的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，2000r/min-2bar特征油耗點(diǎn)的燃油消耗率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。

由于采用米勒循環(huán)之后，相同排量的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和功率有所降低，必然會(huì)影響到整車(chē)駕駛舒適性，因此在傳統(tǒng)汽車(chē)上制約了米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用。隨著國(guó)家排放和油耗法規(guī)的越來(lái)的嚴(yán)格，混合動(dòng)力汽車(chē)得到了廣泛的發(fā)展和社會(huì)認(rèn)可，在混合動(dòng)力汽車(chē)上，米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠更好的發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，避免其劣勢(shì)。因此可以猜測(cè)，隨著混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展，米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)必將得到進(jìn)一步的發(fā)展。

[1] 中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部. 2015 年中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治年報(bào).http://wfs.mep.gov.cn/dq/jdc/zh/201601/P020160115523794855203.pdf, 2016.

[2] 乘用車(chē)燃料消耗量第四階段標(biāo)準(zhǔn)解讀,工信部,http://www.miit. gov.cn, 2015-01-26.

[3] 王建昕,王志.高效清潔車(chē)用汽油及燃燒的研究進(jìn)展[J].汽車(chē)安全與節(jié)能學(xué)報(bào). 2010.

[4] 周仁杰.米勒循環(huán)在傳統(tǒng)汽油機(jī)上的應(yīng)用研究[D].天津大學(xué),碩士學(xué)位論文, 2016.

[5] Heywood J.B,“Internal Combustion Engine Fundamentals”, Mc -Graw-Hill Book Co, ISBN 0-07-100499-8, 1988.

[6] 秦靜,李云龍,張少哲等.進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)與高壓縮比技術(shù)在汽油機(jī)上的應(yīng)用[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2014,47(11):1008-1016.

[7] Martins J.J.G, Uzuneanu K., Ribeiro B.S and Jasasky O.“Thermod -ynamic Analysis of an Over-Expanded Engine”, SAE Technical Paper 2004-01-0617.

[8] Atkinson J., “Gas-Engine”, U.S. Patent 367496, Aug.1887.

[9] Miller R., “Supercharged engine”, U.S. Patent US2817322 A,Dec. 1957.

[10] 姜峰,李明海,王娟.兩種米勒循環(huán)對(duì)機(jī)車(chē)柴油機(jī)性能的計(jì)算分析與研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程.

Effects of Miller Cycle on Performance of Gasoline Engine

Ren Quanshui1,2, Wu Ning1, Sun Chenglong1, Hong Fangming1, Yuan Shuang1

( 1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336;2.Zhejiang Geely Powertrain Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315800 )

As the increase of vehicles in China, energy problems and environmental problems pose great challenges to the development of traditional internal combustion engines. The Miller cycle engines, with their unique working principles, can significantly improve the thermal efficiency of the engine, reduce the fuel consumption of the engine, and meet increasingly stringent fuel economy regulations requirement. This paper analyzes the working principal of Miller cycle engine, and verifies the effects of Miller cycle on engine performance by experiment, which provides reference for application of Miller cycle on the gasoline engine.

Miller cycle; Gasoline engine; Fuel consumption

TK41

A

1671-7988(2019)24-87-03

TK41

A

1671-7988(2019)24-87-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.029

任全水（1987-），男，工程師，碩士研究生，就職于寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，研究方向：內(nèi)燃機(jī)性能開(kāi)發(fā)。