摘 要：【目的】將傳統(tǒng)Otto循環(huán)發(fā)動機改型設(shè)計為混合動力Atkinson循環(huán)發(fā)動機，以提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性。【方法】以某Otto循環(huán)發(fā)動機為原型機，建立發(fā)動機GT-power仿真模型，通過提高發(fā)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(huán)發(fā)動機仿真模型。利用Atkinson循環(huán)發(fā)動機仿真模型對發(fā)動機進氣凸輪工作包角、進氣門關(guān)閉時刻和排氣門關(guān)閉時刻進行優(yōu)化分析，確定最佳參數(shù)。【結(jié)果】Atkinson循環(huán)發(fā)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(qū)域轉(zhuǎn)速范圍增大。【結(jié)論】試驗結(jié)果顯示，優(yōu)化后的Atkinson循環(huán)發(fā)動機燃油經(jīng)濟性得到了改善，滿足混合動力汽車對發(fā)動機的工作需求，證明了優(yōu)化設(shè)計方法的可行性。

關(guān)鍵詞：Atkinson循環(huán)；進氣門關(guān)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(tǒng)Otto循環(huán)汽油機采用節(jié)氣門調(diào)節(jié)負荷，泵氣損失大，造成發(fā)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(shù)、續(xù)航里程等方面還存在一些技術(shù)難題［4］。相較而言，混合動力汽車以其獨特的優(yōu)勢能夠克服上述弊端，是當前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向［5］。從節(jié)能和環(huán)保的角度看，傳統(tǒng)Otto循環(huán)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(huán)發(fā)動機。Atkinson循環(huán)發(fā)動機通過晚關(guān)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(jīng)濟性，但同時也會導(dǎo)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(fā)動機工作，發(fā)揮電動機低速大扭矩的優(yōu)勢，彌補Atkinson循環(huán)發(fā)動機動力不足的缺陷，而在中等負荷工況時采用發(fā)動機工作，發(fā)揮Atkinson循環(huán)發(fā)動機高效率、低油耗的優(yōu)勢，從而更好地實現(xiàn)節(jié)能減排［6］。因此，Atkinson循環(huán)發(fā)動機已成為混合動力汽車專用發(fā)動機。

本研究利用GT-Power仿真軟件建立某傳統(tǒng)Otto循環(huán)發(fā)動機仿真模型，然后通過提高發(fā)動機幾何壓縮比，增大進氣凸輪工作包角，將其改型設(shè)計為Atkinson循環(huán)發(fā)動機。在此基礎(chǔ)上，以提高燃油經(jīng)濟性為優(yōu)化目標，分別對進氣門關(guān)閉時刻和排氣門關(guān)閉時刻進行參數(shù)優(yōu)化，最后通過臺架試驗驗證優(yōu)化后的Atkinson循環(huán)汽油機燃油經(jīng)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(tǒng)Otto循環(huán)發(fā)動機為原型機，發(fā)動機基本參數(shù)見表1。根據(jù)原機結(jié)構(gòu)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(shù)，其中燃燒模型選擇準三維預(yù)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(fù)雜管路進行簡化處理。

為了確保GT-power仿真模型仿真結(jié)果準確可靠，根據(jù)原機試驗數(shù)據(jù)，通過與仿真計算結(jié)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(jié)果和試驗數(shù)據(jù)對比如圖1所示。由圖1可知，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)動機扭矩和燃油消耗率的仿真計算結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)最大誤差在5%以內(nèi)，與試驗數(shù)據(jù)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(jīng)濟性優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)改型設(shè)計

根據(jù)混合動力發(fā)動機的使用設(shè)計要求，以發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min、扭矩80 N·m工況點為例進行優(yōu)化研究。由于Otto循環(huán)和Atkinson循環(huán)的有效壓縮起始點不同，因而 Atkinson循環(huán)有效壓縮比較原機的壓縮比小，使得發(fā)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(xiàn)。原機幾何壓縮比為10.5，本研究設(shè)計幾何壓縮比為13。同時增大進氣凸輪工作包角，設(shè)計新的進氣凸輪型線。原機進氣凸輪工作包角為270°，本設(shè)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(guān)閉時刻優(yōu)化

Atkinson循環(huán)發(fā)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(guān)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(shè)計的Atkinson循環(huán)發(fā)動機進氣門關(guān)閉時刻進行優(yōu)化，以確定最佳進氣門關(guān)閉時刻。

在原機配氣相位的基礎(chǔ)上，推遲發(fā)動機進氣門關(guān)閉時刻，原機進氣門關(guān)閉時刻為下止點后的74°～101°，本次優(yōu)化選擇進氣門關(guān)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(fā)動機熱效率、泵氣損失和燃油消耗率隨進氣門關(guān)閉時刻的變化如圖3所示。

由圖3（a）可知，隨著進氣門關(guān)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(dǎo)致燃燒過程中出現(xiàn)惡化現(xiàn)象。當進氣門關(guān)閉時刻不變時，Atkinson循環(huán)發(fā)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(guān)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(guān)閉時刻越晚，氣泵損失越小，這是由于隨著進氣門關(guān)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(dǎo)致缸內(nèi)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(jié)氣門開度，以降低節(jié)流損失。而在相同的進氣門關(guān)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(guān)閉時刻的推遲，呈先降低后增大的變化趨勢，在進氣門關(guān)閉時刻為121°時，燃油消耗率最低，當進氣門關(guān)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(jù)優(yōu)化計算結(jié)果，綜合考慮發(fā)動機燃油經(jīng)濟性、熱效率和泵氣損失等因素，最終選擇Atkinson循環(huán)發(fā)動機進氣凸輪工作包角為290°，進氣門關(guān)閉時刻為下止點后121°。

2.3 排氣門關(guān)閉時刻優(yōu)化

根據(jù)熱力循環(huán)理論的相關(guān)知識［8］，理想Atkinson循環(huán)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(shù)。

由式（1）可知，理想Atkinson循環(huán)的指示熱效率[ηi]與膨脹比[ρ]呈正相關(guān)。可見，理想情況下推遲發(fā)動機排氣門關(guān)閉時刻，膨脹功率增大，則熱效率增加。為了分析實際應(yīng)用中Atkinson循環(huán)發(fā)動機排氣門關(guān)閉時刻對燃油消耗率的影響，在原機排氣門關(guān)閉時刻的基礎(chǔ)上，取排氣關(guān)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(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著排氣關(guān)閉推遲角的增大，發(fā)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(guān)閉時刻時，氣缸內(nèi)瞬時膨脹壓力較小，已經(jīng)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(guān)閉時刻對降低燃油消耗率改善不大，因此排氣門關(guān)閉時刻保持不變。

3 試驗結(jié)果

根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果，在原機基礎(chǔ)上重新設(shè)計并安裝新的進氣凸輪軸和活塞，開發(fā)出Atkinson循環(huán)發(fā)動機樣機。在臺架上對Atkinson循環(huán)汽油機進行標定試驗，在小負荷時調(diào)節(jié)節(jié)氣門和可變氣門正時系統(tǒng)（Variable Valve Timing，VVT）共同控制負荷變化，在中大負荷時保持節(jié)氣門全開，調(diào)節(jié) VVT來控制負荷變化。由于Atkinson循環(huán)發(fā)動機主要在中低轉(zhuǎn)速工作，因此在中低轉(zhuǎn)速標定時主要以改善燃油經(jīng)濟性為主，在高轉(zhuǎn)速時保證發(fā)動機動力輸出。標定過程中應(yīng)時刻監(jiān)測排氣溫度，使其低于850 °C，以保護三元催化轉(zhuǎn)化器，同時監(jiān)聽爆震音響，以防止發(fā)動機發(fā)生爆震。

發(fā)動機外特性下測得的原機和優(yōu)化后的Atkinson循環(huán)發(fā)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(huán)發(fā)動機最大扭矩從146 N·m降低至127 N·m，在中低轉(zhuǎn)速時燃油消耗率最高降幅為7.2%，在高轉(zhuǎn)速時燃油消耗率最高降幅為2.1%。

原機與優(yōu)化后的Atkinson循環(huán)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(yōu)化后的Atkinson循環(huán)汽油機最低燃油消耗率為235 g/kW·h。在轉(zhuǎn)速1 600～3 600 r/min、扭矩70～110 N·m的區(qū)域內(nèi)為Atkinson循環(huán)發(fā)動機的低油耗區(qū)，是混合動力發(fā)動機主要運行工況，并且244 g/kW·h低油耗區(qū)轉(zhuǎn)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(jīng)濟性。因此，優(yōu)化后的Atkinson循環(huán)發(fā)動機達到了提高燃油經(jīng)濟性的目標。

4 結(jié)論

本研究通過建立某Otto循環(huán)發(fā)動機GT-power仿真模型，根據(jù)改型設(shè)計方案，更改仿真模型中發(fā)動機壓縮比、進氣凸輪型線結(jié)構(gòu)參數(shù)，將其改型為Atkinson循環(huán)發(fā)動機仿真模型。以提高燃油經(jīng)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(guān)閉時刻、排氣門關(guān)閉時刻進行仿真優(yōu)化計算。根據(jù)仿真優(yōu)化計算的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)，設(shè)計開發(fā)Atkinson循環(huán)發(fā)動機樣機，并進行臺架標定試驗。通過對發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)進行分析，得出以下結(jié)論。

①由于Atkinson循環(huán)發(fā)動機存在進氣回流過程，在外特性工況下，Atkinson循環(huán)發(fā)動機最大扭矩從原機的146 N·m降至127 N·m。在中低轉(zhuǎn)速時燃油消耗率最高降幅為7.2%，在高轉(zhuǎn)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(huán)發(fā)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(qū)域轉(zhuǎn)速范圍比原機的更寬，更加適應(yīng)混合動力汽車的工作需求。

③試驗結(jié)果證明改型設(shè)計方案和仿真優(yōu)化方法正確可行，研究成果為Atkinson循環(huán)發(fā)動機開發(fā)設(shè)計提供參考。

參考文獻：

［1］付中偉，滕勤，劉青林.阿特金森/米勒循環(huán)發(fā)動機的技術(shù)與應(yīng)用［J］.小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)，2017，46（5）：75-82.

［2］馮仁華，付建勤，楊靖，等. Atkinson循環(huán)發(fā)動機性能改進研究［J］.汽車工程，2017，39（5）：509-516.

［3］LIU J P，F(xiàn)U J ，F(xiàn)ENG R H，et al. Effects of working parameters on gasoline engine exergy balance［J］.Journal of Central South University，2013，20（7）：1938?1946.

［4］翟佳恬.新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析［J］.汽車實用技術(shù)，2023，48（20）：193-196.

［5］吳梅林，吳天元，劉志宏，等.混合動力汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.汽車實用技術(shù)，2022，47（3）：191-195.

［6］帥石金，歐陽紫洲，王志，等.混合動力乘用車發(fā)動機節(jié)能技術(shù)路線展望［J］.汽車安全與節(jié)能學報，2016，7（1）：1-13.

［7］朱國輝，夏孝朗，劉敬平，等.傳統(tǒng)汽油機改進成混合動力Atkinson循環(huán)專用發(fā)動機的節(jié)油效果［J］.中南大學學報（自然科學版），2014，45（4）：1302-1311.

［8］劉書婧.基于遺傳算法的Atkinson發(fā)動機性能優(yōu)化及其在混合動力上的應(yīng)用［D］.長沙：湖南大學，2021.