阿特金森循環(huán)對整車油耗影響的研究

彭成張德勝崔亞彬?qū)O科李東輝劉亞奇（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

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阿特金森循環(huán)對整車油耗影響的研究

彭成1，2張德勝1，2崔亞彬1，2孫科1，2李東輝1，2劉亞奇1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

阿特金森循環(huán)凸輪型線配合較高的幾何壓縮比是一種行之有效的節(jié)能減排手段。而且隨著混合動力的發(fā)展，采用阿特金森循環(huán)后發(fā)動機低速外特性的不足也可得到彌補?？梢哉f，阿特金森循環(huán)發(fā)動機更適合于未來的整車匹配需求?；贏VL_Boost整機仿真模型設(shè)計了阿特金森循環(huán)型線，并結(jié)合AVL_Cruise整車仿真提供的整車工況點對整車油耗改善情況進行了預(yù)測。初步探討了阿特金森循環(huán)對于整車油耗的影響。

凸輪型線阿特金森循環(huán)油耗

引言

阿特金森循環(huán)本質(zhì)上是通過對進排氣相位的控制，使得一部分進入缸內(nèi)的新鮮充量回流，相當于改變了部分負荷時發(fā)動機的排量，并且通過適當?shù)卦黾訋缀螇嚎s比使得發(fā)動機的有效壓縮比恢復(fù)甚至高于原機水平。最終削弱了發(fā)動機在部分負荷時節(jié)氣門處的節(jié)流損失，從泵氣損失方面降低發(fā)動機的比油耗［1］。因此阿特金森循環(huán)對于發(fā)動機油耗的降低主要體現(xiàn)在中小負荷，這部分區(qū)域也是整車常用工況點的分布區(qū)域，阿特金森循環(huán)可以有效地改善整車油耗。但為了實現(xiàn)阿特金森循環(huán)設(shè)計出來的凸輪型線需相位非?？亢?，在有限的可調(diào)相位下，往往無法兼顧外特性時發(fā)動機的充氣效率。因此在增壓能量不足的低速段，充氣效率對于發(fā)動機性能的影響非常明顯。阿特金森循環(huán)凸輪型線不可避免地帶來發(fā)動機低速性能的降低。

1　工況點選擇

本次基于阿特金森循環(huán)進行的整車油耗優(yōu)化工作是基于一款實際3.0T整車進行，因此我們可以利用現(xiàn)有的實車數(shù)據(jù)建立整車仿真模型，獲得較為準確的整車工況點。再此基礎(chǔ)上進行凸輪型線優(yōu)化，一方面可以獲得整車油耗改善最大的型線，一方面可以為優(yōu)化后的發(fā)動機油耗改善向整車油耗進行轉(zhuǎn)化提供基礎(chǔ)。

1.1整車模型搭建

根據(jù)整車參數(shù)以及整車試驗結(jié)果，進行整車仿真模型的建立與校核。整車仿真模型及參數(shù)如圖1、表1所示。

圖1　整車仿真模型

表1　整車參數(shù)

1.2整車NEDC仿真結(jié)果

進行整車仿真模型校核，保證與實驗結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，獲得發(fā)動機搭載整車NEDC的工況點分布，如圖2所示。

圖2是軟件自動擬合出的重要發(fā)動機運行工況點，作者對這些工況點再次擬合，最終確定三個工況點作為型線選取和優(yōu)化的基礎(chǔ)，分別是1 500 r/min@ 0.2 MPa，1 500 r/min@0.4 MPa和2 000 r/min@0.6 MPa。分別占NEDC循環(huán)時間比重的30%，12%和10%，如

表2所示。這將是估算整車油耗改善的必要條件。

表2　選取的工況點及時間比重

2　凸輪型線優(yōu)化

2.1一維仿真模型搭建

進行凸輪型線優(yōu)化首先需要建立一維仿真模型，這里我們利用boost軟件建立優(yōu)化所需的模型如圖3所示，并進行相關(guān)校核，共校核三個工況點，即是整車仿真中確定的1 500 r/min@0.2 MPa，1 500 r/min@ 0.4 MPa和2 000 r/min@0.6 MPa。保證仿真與實驗的結(jié)果誤差在5%以內(nèi)（包括油耗、扭矩、空氣流量等關(guān)鍵性能參數(shù)）。

2.21500 r/min@0.2 MPa基礎(chǔ)型線掃點

為初步確定阿特金森循環(huán)型線的優(yōu)化方向。經(jīng)對標，獲得基礎(chǔ)凸輪型線如圖4所示，并將原機壓縮比由9.7提升至12。

圖3　BOOST整機仿真模型

圖4　標桿機型凸輪型線

圖5　掃點云圖—BMEP

選取最重要的1 500 r/min@0.2 MPa工況點，將該套型線帶入校核好的整機仿真模型中，設(shè)定進氣VVT動作為-50°至50°，排氣VVT動作為-50°至50°，進行掃點計算，獲得結(jié)果云圖如圖5～8所示。

在保證發(fā)動機性能，保證0.3以下的殘余廢氣系數(shù)，降低泵氣功獲得最優(yōu)比油耗這一系列的要求下［2］。結(jié)合四張云圖結(jié)果，可以認為該套型線在黑圈處的VVT角度下，實現(xiàn)了阿特金森循環(huán)?？梢栽谠撎仔途€基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，獲得更優(yōu)結(jié)果。

圖6　掃點云圖—泵氣功

2.3凸輪型線優(yōu)化

為獲得更優(yōu)型線結(jié)果，在基礎(chǔ)型線上進行持續(xù)期的改變，分別增加，獲得5個進氣型線，5個排氣型線，如圖9、10所示，共25種型線組合。設(shè)定VVT角度進行掃點計算，并利用modefrontier軟件進行計算結(jié)果的篩選。

進行掃點計算后獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)量比較大，使用mode-frontier軟件進行結(jié)果數(shù)據(jù)的處理，可以極大地節(jié)省尋優(yōu)過程所耗費的時間，如圖11所示。

經(jīng)過對結(jié)果數(shù)據(jù)初步的篩選和判斷，我們設(shè)定了以下尋優(yōu)條件：

1）BMEP等于0.2 MPa；

2）BSFC最低；

圖7　掃點云圖—BSFC排氣生成曲線

圖8　掃點云圖—殘余廢氣系數(shù)排氣生成曲線

圖9　不同持續(xù)期排氣型線

圖10　不同持續(xù)期進氣型線

圖11　進行數(shù)據(jù)處理的mode-frontier模型

3）殘余廢氣系數(shù)小于0.3。

獲得滿足以上條件的型線組合柱狀圖如圖12、13所示。

出現(xiàn)幾率最高的持續(xù)期組合為ex300in290，第二高的持續(xù)期組合為ex280in290。此時需要結(jié)合整車油耗的改善結(jié)果在兩個方案中選取一個最優(yōu)。

圖12　滿足條件的排氣持續(xù)期

圖13　滿足條件的進氣持續(xù)期

3　整車油耗改善

根據(jù)整車NEDC循環(huán)計算結(jié)果，我們將NEDC工況點擬合成了三個重要的工況點，1 500 r/min@0.2 MPa，1 500 r/min@0.4 MPa和2 000 r/min@0.6 MPa。共占整個NEDC循環(huán)時間比重的52%。把優(yōu)化獲得的兩套最優(yōu)持續(xù)期帶入這三個工況點的BOOST模型中進行掃點計算，分別獲得最優(yōu)的比油耗結(jié)果，如表3所示。當然，需要限制殘余廢氣系數(shù)小于0.3［3］。

結(jié)合上表可以得出ex300in290的型線組合對于整車油耗的改善程度優(yōu)于ex280in290的型線組合。最終選定ex300in290為油耗最優(yōu)型線，進行后續(xù)的試驗驗證工作。

為了初步估算該型線對于整車油耗的影響，這里我們假定新型線對于整車怠速油耗沒有影響，即未被擬合在這三個工況點內(nèi)的48%時間比重的減速與怠速工況油耗變化率為0%。則可以計算出該型線結(jié)合12壓縮比對于整車油耗的改善率為3.932%。

表3　不同型線組合對各工況點油耗改善

圖14　重要工況點油耗降低率

4　整機試驗驗證

依據(jù)最終確定的方案進行了凸輪軸和12壓縮比活塞的樣件制作，并針對上文選取的工況點進行整機性能試驗驗證。結(jié)果如圖14所示。

1 500 r/min下發(fā)動機不同負荷率最優(yōu)的VVT角度如圖15所示。

三個工況點進行VVT角度掃點后最優(yōu)相位如表4所示。

試驗結(jié)果表明設(shè)計型線配合高壓縮比的確可以有效地降低發(fā)動機部分負荷油耗，從而降低整車油耗。

其中在1 500 r/min@0.2 MPa固定進氣VVT不變，推遲排氣VVT，發(fā)動機油耗先降低后增加，說明在阿特金森循環(huán)下，通過增加疊開角增加一定的內(nèi)部EGR可以進一步降低泵損降低油耗，但是如果內(nèi)部EGR過多，燃燒持續(xù)期會變長，燃燒熱效率下降，反而會導(dǎo)致發(fā)動機油耗的增加［4-6］。這是在相關(guān)試驗中需要注意的。

圖151　 500 r/min下發(fā)動機不同負荷率最優(yōu)的VVT角度

表4　三個工況點進行VVT角度掃點后最優(yōu)相位

5　結(jié)論

1）阿特金森循環(huán)利用刻意推遲的進氣門關(guān)閉角，改變了發(fā)動機的實際排量，弱化了節(jié)氣門處的節(jié)流損失，可以大幅降低小負荷區(qū)域的發(fā)動機油耗。從而降低整車油耗。

2）阿特金森循環(huán)型線會導(dǎo)致有效壓縮比降低，使得燃燒熱效率變差，需要增加發(fā)動機幾何壓縮比和優(yōu)化氣道燃燒室以獲得最優(yōu)部分負荷油耗。

3）本文結(jié)合整車仿真結(jié)果以及優(yōu)化軟件對凸輪型線進行優(yōu)化，可以快速設(shè)計出貼合整車需求的凸輪型線組合。

4）幾何壓縮比的提升必然導(dǎo)致外特性性能的降低，可嘗試采用兩段式可變氣門升程或外部冷卻EGR提升發(fā)動機的外特性性能。

1周龍保.內(nèi)燃機學（第2版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005

2劉永長.內(nèi)燃機原理［M］.武漢：華中科技大學出版社，2001

3余志生.汽車理論（第5版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009

4蔣德明.高等車用內(nèi)燃機原理［M］.西安：西安交通大學出版社，2006

5吳兆漢.內(nèi)燃機設(shè)計［M］.北京：北京理工大學出版社，1990

6楊連生.內(nèi)燃機設(shè)計［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1981

A Study on the Influence of Atkinson Cycle on Vehicle Fuel Consumption

Peng Cheng1，2，Zhang Desheng1，2，Cui Yabin1，2，Sun Ke1，2，Li Donghui1，2，Liu Yaqi1，2
1-Technical Center of Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Automobile Engineering&Technology Research Center of Hebei Province

Atkinson cycle cam profile matching with geometric compression ratio is an effective way for energy saving and emission reduction.Along with the development of hybrid power，enging's performance could be improved after adopting Atkinson cycle.Atkinson cycle engine is more suitable for the future vehicle matching requirements.Based on AVL Boost engine simulation model，Atkinson cycle profile is designed.Combined with the vehicle working conditions provided by AVL Cruise vehicle simulation，the improvement of fuel consumption is predicted.The influence of Atkinson cycle on vehicle fuel consumption is preliminarily explored.

Cam profile，Atkinson cycle，F(xiàn)uel consumption

U467.4+98

A

2095-8234（2015）06-0043-06

彭成（1990-），男，助理工程師，主要研究方向為發(fā)動機性能開發(fā)。

（2015-06-19）