增程式混合動力汽車專用高熱效率發(fā)動機(jī)試驗研究

石 壘 李連豹 韋 虹 李雙清 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司）

引言

目前，各汽車發(fā)動機(jī)制造廠家競相開發(fā)高效率發(fā)動機(jī)來適應(yīng)日益嚴(yán)格的汽車油耗法規(guī)。所應(yīng)用的降低油耗技術(shù)主要有米勒循環(huán)技術(shù)、EGR技術(shù)、可變壓縮比技術(shù)、VVL技術(shù)、降低摩擦技術(shù)等。可變壓縮比和VVL主要受限于開發(fā)成本，目前應(yīng)用相對較少。

增程式混合動力系統(tǒng)簡稱增程器，是指由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)及控制器組成用于延長電動汽車?yán)m(xù)駛里程的車載供電裝置，主要工作在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，通常對動力性要求不高。

本文針對某款3缸增壓直噴汽油發(fā)動機(jī)，將米勒循環(huán)和低壓EGR技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，開發(fā)出適用于增程式混合動力汽車的高效發(fā)動機(jī)。基于試驗研究，探索達(dá)到更高熱效率的可行性方案。

1 增程式混合動力汽車工作原理

增程式混合動力汽車以電機(jī)、蓄電池為主要動力源，增程器（發(fā)動機(jī)／發(fā)電機(jī)組）只在需要時被啟動，以提供額外的驅(qū)動功率，延長續(xù)駛里程。通常，增程器啟動的條件有以下2個：

1）汽車在加速或爬坡時，增程器與電機(jī)共同驅(qū)動汽車行駛；

2）當(dāng)蓄電池電量不足時，增程器提供額外的功率驅(qū)動汽車行駛，或?qū)π铍姵爻潆姟?/p>

在增程式混合動力汽車中，發(fā)動機(jī)只作為輔助能源，可有效恒定地工作在高效率區(qū)。因此，增程式混合動力汽車具有效率高、油耗低的特點(diǎn)[1]。

增程式混合動力汽車結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 增程式混合動力汽車結(jié)構(gòu)示意圖

2 米勒循環(huán)技術(shù)

國內(nèi)外對米勒循環(huán)或阿特金森循環(huán)開展了大量的研究[2-3]，通常把進(jìn)氣門早關(guān)的進(jìn)氣方式稱為米勒循環(huán)，而把進(jìn)氣門晚關(guān)的進(jìn)氣方式稱為阿特金森循環(huán)。米勒循環(huán)主要是基于使用小包角進(jìn)氣凸輪軸實現(xiàn)進(jìn)氣門早關(guān)的控制策略，達(dá)到降低部分負(fù)荷泵氣損失的目的。同時，提高幾何壓縮比，保證有效壓縮比的前提下盡可能提高膨脹比，達(dá)到提高發(fā)動機(jī)熱效率的目的?？捎脦缀螇嚎s比與有效壓縮比的比值來衡量米勒循環(huán)深度，比值越大，表示米勒循環(huán)深度越大。由于增程式混合動力汽車通常對動力性要求不高，而對最低油耗點(diǎn)熱效率要求較高。因此，相比于傳統(tǒng)乘用車發(fā)動機(jī)，深度米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)適用于增程式混合動力汽車。但深度米勒循環(huán)由于進(jìn)氣凸輪軸包角很小，導(dǎo)致充氣效率下降。米勒循環(huán)技術(shù)如圖2所示。

圖2 米勒循環(huán)技術(shù)

3 EGR技術(shù)

EGR技術(shù)是通過降低缸內(nèi)燃燒溫度，有效降低傳熱損失。在低負(fù)荷工況，可有效降低泵氣損失，達(dá)到提高發(fā)動機(jī)熱效率的目的[4]。近年來，EGR技術(shù)已成為各汽車發(fā)動機(jī)制造廠家降低發(fā)動機(jī)油耗的重要技術(shù)。增壓發(fā)動機(jī)可分為高壓EGR和低壓EGR[5]，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行在低速高負(fù)荷工況時，由于進(jìn)氣歧管壓力高于排氣壓力，無法應(yīng)用高壓EGR；低壓EGR將廢氣引入到壓氣機(jī)前端，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的全部工況均存在正壓差。因此，相比于高壓EGR，低壓EGR的優(yōu)勢在于整體運(yùn)行工況基本可以覆蓋全工況，降低油耗的效果優(yōu)于高壓EGR。并且由于渦輪后端取氣（引出廢氣），不會影響增壓器的工作。低壓EGR的劣勢在于EGR氣路管道較長，瞬態(tài)控制存在難度。但增程式混合動力汽車發(fā)動機(jī)主要運(yùn)行于最低油耗工況點(diǎn)，基本不存在瞬態(tài)控制問題。因此，增程式混合動力汽車專用發(fā)動機(jī)非常適合使用低壓EGR技術(shù)。

4 試驗布置與試驗方法

本文基于某款增壓直噴發(fā)動機(jī)采用低壓EGR及米勒循環(huán)配置方案，臺架布置及主要?dú)饴穫鞲衅魑恢萌鐖D3所示。該臺架系統(tǒng)在壓氣機(jī)前安裝了節(jié)流閥，當(dāng)壓差不足時，可通過該節(jié)流閥產(chǎn)生更大壓差，促使更多EGR氣體導(dǎo)入。

試驗所用發(fā)動機(jī)為直列四缸4氣門缸內(nèi)直接噴射汽油發(fā)動機(jī)，所用燃油為RON92，發(fā)動機(jī)出水溫度控制在（100±2）℃，進(jìn)氣溫度控制在（25±2）℃，中冷器出口溫度控制在45℃以內(nèi)，燃油溫度控制在（25±2）℃，燃燒穩(wěn)定性控制在3%以內(nèi)。

發(fā)動機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機(jī)原機(jī)主要參數(shù)

外部EGR率的計算公式為：

通過重新設(shè)計活塞形狀，將壓縮比、進(jìn)氣凸輪軸包角和升程進(jìn)一步優(yōu)化，以實現(xiàn)米勒循環(huán)，達(dá)到發(fā)動機(jī)中低負(fù)荷降低油耗的效果。

圖3 發(fā)動機(jī)臺架及主要傳感器布置圖

5 試驗結(jié)果分析

5.1 油耗及燃燒參數(shù)結(jié)果分析

針對發(fā)動機(jī)最低油耗工況，進(jìn)行原機(jī)方案、110°CA包角凸輪軸+EGR方案以及120°CA包角凸輪軸+EGR方案的試驗驗證。試驗工況點(diǎn)為2 600 r/min、1.05 MPa，試驗方案見表 2。

表2 試驗方案

圖4為3種方案的燃油消耗率對比。

圖4 燃油消耗率對比

從圖4可以看出，米勒循環(huán)配合低壓EGR技術(shù)，大幅降低了燃油消耗率。方案2能夠達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷的最高EGR率只有16%，方案3的最高EGR率可達(dá)到21%。主要原因是方案3的進(jìn)氣包角更大，充氣效率更高，同樣目標(biāo)負(fù)荷下，能引入更多的EGR廢氣，熱效率更高。方案3的熱效率達(dá)到40.17%。

圖5為3種方案的點(diǎn)火提前角對比。

圖5 點(diǎn)火提前角對比

從圖5可以看出，米勒循環(huán)配合低壓EGR技術(shù)，大幅提高了點(diǎn)火提前角。主要原因是方案2和方案3降低了爆震傾向，從而可大幅提高點(diǎn)火提前角，有利于提高發(fā)動機(jī)熱效率。

圖6為3種方案的燃燒持續(xù)期對比。

圖6 燃燒持續(xù)期對比

從圖6可以看出，米勒循環(huán)配合低壓EGR技術(shù)，燃燒持續(xù)期增加。主要原因是方案2和方案3降低了發(fā)動機(jī)燃燒速率，略微影響了熱效率。后續(xù)優(yōu)化的方向是提高缸內(nèi)滾流強(qiáng)度，從而提高熱效率。

圖7為3種方案的渦輪前端排氣溫度對比。

圖7 渦輪前端排氣溫度對比

從圖7可以看出，米勒循環(huán)配合低壓EGR技術(shù)，渦輪前端排氣溫度降低。主要原因是方案2和方案3降低了燃燒溫度，減少了傳熱損失，有利于提高發(fā)動機(jī)熱效率。

5.2 EGR率敏感性分析

針對方案3進(jìn)行EGR率的敏感性分析，考察各主要燃燒參數(shù)隨EGR率的變化規(guī)律。

圖8為EGR率對燃油消耗率的影響。

圖8 EGR率對燃油消耗率的影響

從圖8可以看出，隨著EGR率的增加，燃油消耗率呈線性下降趨勢。由于壓差限制，無法引入更多的EGR。因此，針對低壓EGR方案，在EGR閥以及EGR冷卻器的選配上，要考慮壓降盡可能小，有利于發(fā)動機(jī)達(dá)到更高的熱效率。

圖9為EGR率對點(diǎn)火提前角的影響。

從圖9可以看出，隨著EGR率的增加，點(diǎn)火提前角增大。主要原因是EGR率增加，爆震程度降低明顯，可近乎線性提高點(diǎn)火提前角。

圖10為EGR率對燃燒持續(xù)期的影響。

從圖10可以看出，隨著EGR率的增加，燃燒持續(xù)期有所增加，燃燒速率降低。

圖9 EGR率對點(diǎn)火提前角的影響

圖10 EGR率對燃燒持續(xù)期的影響

5.3 排放結(jié)果分析

通過排放分析儀測試催化器前端原始排放，對3種方案的CO、NOx和HC原始排放進(jìn)行對比。

圖11為3種方案的催化器前端CO原始排放對比。

圖11 3種方案的催化器前端CO原始排放對比

從圖11可以看出，相比原機(jī)方案（方案1），方案2和方案3的CO原始排放均明顯降低。

圖12為3種方案的催化器前端NOx原始排放對比。

從圖12可以看出，相比原機(jī)方案（方案1），方案2和方案3的NOx原始排放均明顯降低。主要原因是EGR導(dǎo)致燃燒溫度降低，而NOx生成的機(jī)理為高溫富氧，因此EGR有效降低了NOx原始排放。

圖13為3種方案的催化器前端HC原始排放對比。

從圖13可以看出，相比原機(jī)方案（方案1），方案2的HC原始排放有明顯降低，而方案3的HC原始排放有所增加。針對HC排放有可能增加的風(fēng)險，后續(xù)標(biāo)定過程中，需優(yōu)化噴油時刻，控制EGR率。

圖12 3種方案的催化器前端NO x原始排放對比

圖13 3種方案的催化器前端HC原始排放對比

6 結(jié)論

通過對增程式混合動力汽車專用高熱效率發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱力學(xué)試驗研究，得到以下結(jié)論：

1）米勒循環(huán)配合低壓EGR技術(shù)，能有效提高增壓發(fā)動機(jī)的熱效率，是一套適用于增程式混合動力汽車專用發(fā)動機(jī)行之有效的技術(shù)方案。

2）對外特性要求不是特別高的傳統(tǒng)乘用車，可適當(dāng)降低米勒循環(huán)深度，配合低壓EGR技術(shù)，能進(jìn)一步降低整車油耗。

3）米勒循環(huán)配合低壓EGR技術(shù)，在試驗的經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)，CO和NOx排放均明顯降低，HC變化出現(xiàn)一定波動，需優(yōu)化噴油時刻或控制EGR率來解決。