梁源飛 周正群 楊如枝

摘 要：米勒循環(huán)是當前降低汽油機油耗的關鍵技術，應用該技術需要對汽油機的型線、壓縮比等重新設計，文章通過構建發(fā)動機一維熱力學模型對米勒循環(huán)進行了研究。研究表明：早關米勒循環(huán)（EIVC）應用到增壓汽油機上降低油耗的效果比晚關米勒循環(huán)（LIVC）好，EIVC降低油耗5.6%，LIVC降低油耗3.2%;EIVC進氣門型線設計受到低速氣門重疊角度限制和中高速增壓器壓比的限制，所以進氣門型線設計應具有窄跨度和高升程的特性;壓縮比為11.5和增壓器減小12%的方案較合適。

關鍵詞：增壓汽油機;米勒循環(huán);熱力學仿真;型線設計

中圖分類號：U464.171? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）13-31-04

Application study on Miller Cycle Turbocharged Gasoline Engine

Liang Yuanfei， Zhou Zhengqun， Yang Ruzhi

（ SAIC-GM-Wuling Automobile Company Limited， Guangxi Liuzhou 545007 ）

Abstract： The miller cycle is the key technology to reduce the fuel consumption of gasoline engine at present. To apply the technology to the supercharged gasoline engine， it is necessary to redesign the profile and compression ratio of the gasoline engine. This paper studies the miller cycle by building a one-dimensional thermodynamic model of the engine. The results showed that the early closing miller cycle （EIVC） was better than the late closing miller cycle （LIVC） in reducing fuel consumption. EIVC reduced fuel consumption by 5.6%， and LIVC reduced fuel consumption by 3.2%.The intake valve profile of the EIVC is limited by the overlapping Angle on the low engine speed and the pressure ratio of supercharger on medium-high engine speed， so the intake valve profile should have the characteristics of narrow span and high lift. The compression ratio is 11.5 and the supercharger is reduced by 12%.

Keywords： Turbocharged Gasoline Engine; Miller Cycle; Thermodynamic Simulation; Valve Profile Design

CLC NO.： U464.171? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）13-31-04

引言

油耗和排放法規(guī)的日趨嚴格，純電動車是重要的解決方案;而現(xiàn)階段，純電驅(qū)動行駛里程受到動力電池能量密度的限制，依然面臨技術和成本的問題[1];由于汽油機車輛占比高，降低油耗帶來的整體效果巨大，是現(xiàn)階段節(jié)能的主要措施之一;米勒循環(huán)是當前汽油機降低油耗的主流技術路線之一。

米勒循環(huán)發(fā)動機的膨脹比大于壓縮比，做功行程更長，熱效率更高;在日益嚴格的油耗法規(guī)限值下，米勒循環(huán)已成為當前研究的熱點[2];國內(nèi)外也對此進行了許多的研究。祖炳鋒等人研究了在小型化增壓發(fā)動機上應用進氣門早關（EIVC）和進氣門晚關（LIVC）兩種米勒循環(huán)形式對發(fā)動機油耗、爆震及燃燒特性的影響，表明兩種米勒循環(huán)形式均能有效降低全工況范圍的燃油消耗率，平均降幅約為8%[3]。吳中浪等人通過實驗研究了米勒循環(huán)在中小負荷對高壓縮比汽油機熱效率提升的效果，研究表明：米勒循環(huán)在小負荷工況能促進SI-HCCI混合燃燒，固定循環(huán)噴油量下的小負荷工況通過氣門相位優(yōu)化，熱效率提升幅度可達12%，在中等負荷工況指示熱效率可進一步提升至40%[4]。可見，米勒循環(huán)技術具有顯著降低油耗的潛力。

1 概念設計

在某款增壓進氣道噴油汽油機基礎上開發(fā)米勒循環(huán)發(fā)動機，其外特性要求最大扭矩224Nm，額定功率98kw，外特性曲線如圖1所示。

米勒循環(huán)降低油耗的原理：（1）外特性工況，提高增壓器壓比，保持一定的進氣量，保證外特性扭矩;部分負荷工況，增大節(jié)氣門開度，減小泵氣損失;（2）進氣門早關或晚關，降低有效壓縮比，降低爆震;（3）增加壓縮比或提前點火角，降低油耗。根據(jù)米勒循環(huán)降低油耗的原理，制定發(fā)動機的主要更改包括：（1）進氣門型線;（2）壓縮比;（3）增壓器。

本文應用GT-Power仿真軟件，完成了某款增壓汽油發(fā)動機應用米勒循環(huán)開發(fā)中的進氣門型線設計、壓縮比選擇和增壓器匹配分析研究。

2 一維熱力學模型

某款增壓汽油發(fā)動機，其基本參數(shù)見表1，一維熱力學模型如圖2所示，應用該熱力學模型，研究了進氣門型線、壓縮比和增壓器對發(fā)動機性能的影響。

米勒循環(huán)一維熱力學模擬方法：（1）標定原機模型，獲得原機模型的爆震指數(shù);（2）使用SITurbo預測燃燒模型評估氣門型線、壓縮比、當量比對燃燒的影響;（3）使用DOE研究進/排氣VVT，選擇出滿足外特性扭矩且爆震指數(shù)最小的進/排氣VVT角度。（4）使用PID控制點火角，限制爆震指數(shù)小于原機水平，尋優(yōu)目標為最低油耗。（5）對發(fā)動機外特性及部分負荷關鍵工況點進行模擬研究。

3 進氣門型線設計

3.1 進氣門型線

通過對標分析，選擇12的幾何壓縮比研究進氣門型線的影響;早關米勒循環(huán)提前關閉進氣門，達到降低有效壓縮比的目的，提前關閉進氣門可以通過調(diào)整VVT和縮小進氣門型線跨度來實現(xiàn)。

調(diào)整VVT實現(xiàn)進氣門提前關閉，在低轉(zhuǎn)速時存在明顯的掃氣現(xiàn)象，由于發(fā)動機為進氣道噴油，掃氣將大量的混合氣體直接排到排氣系統(tǒng)中，導致油耗迅速上升，如圖3所示。跨度系數(shù)大于0.7后，隨氣門重疊角度加大，掃氣將導致油耗顯著上升。因此，由于低速工況的氣門重疊角限制，早關米勒循環(huán)需要小跨度的進氣門型線，同時這也是深度米勒循環(huán)的要求。

由于目標外特性要求的限制，進氣門跨度系數(shù)越小，進氣門越早關閉，為了保證足夠的進氣量，需要的增壓器壓比越大，如圖4所示，4000轉(zhuǎn)的外特性工況壓氣機壓比最大，而該發(fā)動機設計的壓氣機最大壓比限制在2.5以下，則要求跨度系數(shù)大于0.7。由于該發(fā)動機的氣門機構為直驅(qū)，隨著跨度縮小，為了滿足氣門機構動力學的要求，型線最大升程必須下降，這也導致高速工況壓比較高。

綜合以上分析可見，低速工況需要小的進氣門跨度來減小氣門重疊角，中高速工況則需要相對較大的氣門跨度來降低壓氣機的壓比，因此早關米勒循環(huán)要求進氣門型線具有小的跨度和盡可能高的升程。

據(jù)此選擇兩組早關米勒循環(huán)進氣門型線進行模擬研究，分別為Miller4.5和Miller5.5進氣門型線方案，其跨度系數(shù)分別為0.68和0.73，最大升程分別為4.5mm和5.5mm，如圖5所示。

晚關米勒循環(huán)通過推遲進氣門關閉角度，將部分進氣推出氣缸，實現(xiàn)降低有效壓縮比的目的;設計上可將進氣門型線在最大升程時保持一定的角度來實現(xiàn)晚關米勒循環(huán)。選擇3組晚關米勒循環(huán)進氣門型線方案進行研究，分別為：Dwell35、Dwell43、Dwell50方案，如圖5所示。將原機進氣門型線在最大升程位置分別保持35°CAD、43°CAD、50°CAD得到上述三組型線。

3.2 模擬結果

按上述模擬方法，對5個關鍵外特性工況點和三個關鍵部分負荷工況點進行模擬研究，在達到目標負荷的情況下，外特性油耗表現(xiàn)，如圖6所示;部分負荷油耗表現(xiàn)，如圖7所示。早關米勒循環(huán)中高速外特性油耗下降幅度高于晚關米勒循環(huán);早關米勒循環(huán)和晚關米勒循環(huán)低速外特性工況油耗下降不明顯;部分負荷早關米勒循環(huán)油耗下降幅度高于晚關米勒循環(huán)。

米勒循環(huán)各進氣門型線方案油耗平均下降幅度對比見表2，早關米勒循環(huán)的外特性和部分負荷油耗降幅都大于晚關米勒循環(huán)，早關米勒循環(huán)Miller4.5方案的油耗降幅為5.6%，晚關米勒循環(huán)Dwell50方案的油耗降幅為3.2%，可見增壓汽油發(fā)動機使用早關米勒循環(huán)效果更好。

4 壓縮比選擇

4.1 壓縮比

選擇Miller4.5進氣門型線研究壓縮比的影響;米勒循環(huán)降低油耗的關鍵在于提高壓縮比，但壓縮比過大將導致外特性工況為了控制爆震，不得不將點火角推遲，有可能油耗反而上升，得不償失，因此需要選擇與外特性匹配的壓縮比，通過對標分析選擇11、11.5和12的壓縮比方案進行研究，分別命名為：CR11、CR11.5和CR12。

4.2 壓縮比的影響

壓縮比為11、11.5和12的方案油耗降低幅度，如圖8所示，隨壓縮比增大，外特性油耗降低幅度減小，部分負荷特性油耗降低幅度增加。外特性工況隨壓縮比增加必須進一步推遲點火角，導致了油耗上升;而部分負荷工況爆震相對沒有外特性工況強烈，提高壓縮比油耗降低更顯著。綜合考慮外特性和部分負荷工況，選擇11.5的壓縮比更合適。

5 增壓器匹配

5.1 增壓器

增壓器匹配受到兩方面的影響，一是外特性功率扭矩降低了，即最大扭矩由原機的275Nm降低到224Nm，額定功率由原機的112kw降低到98kw，因此可減小增壓器;另一方面是由于使用早關米勒循環(huán)，增壓器壓比提高了，為了保證低速扭矩目標，需要一個稍小的增壓器。

5.2 增壓器匹配

通過模擬分析，將原機增壓器減小12%后，大部分工況點運行在增壓器的高效區(qū)，增壓器低速喘振裕度和高速余量都比較合適，增壓器的運行曲線，如圖9所示，可將此提供給增壓器供應商匹配增壓器。

6 結論

（1）早關米勒循環(huán)應用到增壓汽油機上降低油耗的效果比晚關米勒循環(huán)好。

（2）早關米勒循環(huán)降低油耗5.6%，晚關米勒循環(huán)降低油耗3.2%;

（3）早關米勒循環(huán)進氣門型線設計受到低速氣門重疊角度限制和中高速增壓器壓比的限制，所以進氣門型線設計應具有窄跨度和高升程的特性。

（4）壓縮比為11.5時，早關米勒循環(huán)外特性油耗降低5.0%，部分負荷特性油耗降低6.1%;原機增壓器減小12%時，大部分工況點運行在增壓器的高效區(qū)。

參考文獻

[1] 申永鵬，王耀南，孟步敏，等.基于多目標優(yōu)化模型的電動汽車增程器油耗及排放優(yōu)化[J].控制理論與應用，2015，32（5）：631-640.

[2] 梁源飛，周正群，楊如枝.米勒循環(huán)增壓發(fā)動機進氣道開發(fā)[J].小型內(nèi)燃機與車輛技術，2020（01）：14-19.

[3] 祖炳鋒，周仁杰，徐玉梁，等.米勒循環(huán)在小型增壓汽油機典型工況的應用研究[J].內(nèi)燃機工程，2017（06）：125-130.

[4] 吳中浪，陳韜，謝輝，等.高壓縮比米勒循環(huán)汽油機氣門策略優(yōu)化[J].燃燒科學與技術，2019（4）：331-339.