Miller循環(huán)深度對(duì)缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究*

陳硯才，吳威龍，陳泓，林思聰，李鈺懷

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Miller循環(huán)深度對(duì)缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究*

陳硯才，吳威龍，陳泓，林思聰，李鈺懷

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511000）

對(duì)一款2.0L增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)進(jìn)行了不同Miller循環(huán)深度的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究。通過采用不同的進(jìn)氣包角和進(jìn)氣相位以實(shí)現(xiàn)不同的Miller循環(huán)深度，分別研究了152°CA和170°CA曲軸轉(zhuǎn)角的進(jìn)氣包角在進(jìn)氣門開啟（Intake Valve Open, IVO）或進(jìn)氣門關(guān)閉相位（Intake Valve Close, IVC）相同時(shí)，不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)中、大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，152°CA包角的比油耗相對(duì)于170°CA包角的油耗最高下降10%；而小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，二者的油耗相當(dāng)?？梢缘贸鼋Y(jié)論，適度的Miller循環(huán)有利于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的改善。

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)；Miller循環(huán)；進(jìn)氣包角；比油耗

前言

汽車工業(yè)的發(fā)展面臨著環(huán)境保護(hù)與能源危機(jī)的雙重壓力，為滿足國(guó)家第四階段油耗限值和國(guó)六階段排放法規(guī)，必須提高汽油機(jī)的綜合性能，實(shí)現(xiàn)清潔高效的燃燒。增壓中冷直噴汽油機(jī)技術(shù)達(dá)到了小型強(qiáng)化節(jié)能的目標(biāo)[1-3]，但也帶來了爆震傾向增加的問題[4]。為了進(jìn)一步提升汽油機(jī)的功率密度并降低油耗，可采用有效壓縮比小于膨脹比的Miller燃燒循環(huán)技術(shù)，其所帶來的Miller技術(shù)效應(yīng)可以降低壓縮終了混合氣的溫度，進(jìn)而減少汽油機(jī)發(fā)生爆震的風(fēng)險(xiǎn)，此外Miller效應(yīng)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)采用更高的壓縮比，進(jìn)而提升了發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性。

基于上述背景，文章對(duì)不同進(jìn)氣包角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下的經(jīng)濟(jì)性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以獲取Miller循環(huán)燃燒技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法

為了研究不同Miller深度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在不同負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性能的影響，在保持發(fā)動(dòng)機(jī)其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，分別采用152°CA包角和170°CA包角的進(jìn)氣凸輪軸。Miller循環(huán)的核心是進(jìn)氣門早關(guān)，因此本文參照文獻(xiàn)[1]定義了描述Miller循環(huán)深度的概念—有效壓縮比，如公式（1）：

式中，V為進(jìn)氣門早關(guān)后壓縮延遲容積，單位為mm3；V為發(fā)動(dòng)機(jī)排量，單位為mm3。

試驗(yàn)研究的對(duì)象是一款2.0L直列式四缸渦輪增壓GDI汽油機(jī)，基本參數(shù)如見表1。試驗(yàn)用燃油為92#汽油。

表1 試驗(yàn)研究發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

圖1為臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)，在整個(gè)試驗(yàn)過程中選擇發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在2000r/min的負(fù)荷特性進(jìn)行比油耗的對(duì)比。圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣門型線，進(jìn)氣包角分別為152°CA和170°CA曲軸轉(zhuǎn)角，排氣門升程和型線保持不變。

圖2 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣凸輪型線

試驗(yàn)過程中，為了提升不同進(jìn)氣包角的比油耗對(duì)比精度，將循環(huán)波動(dòng)率COV控制在3%以內(nèi)，中冷后的進(jìn)氣溫度保持45℃±2℃，冷卻水進(jìn)水溫度保持88℃±2℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 2000r/min全負(fù)荷油耗對(duì)比結(jié)果與分析

圖3展示了2000r/min全負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)采用152° CA小包角和170°CA大包角進(jìn)氣凸輪軸時(shí)，分別在IVO和IVC相同時(shí)的油耗對(duì)比。

從圖3中可以看出，IVO相同時(shí)，小進(jìn)氣包角相對(duì)于大進(jìn)氣包角油耗降低約25g/kWh，下降幅度約10%；IVC相同時(shí)，二者之間的油耗差異減小，但170°CA包角的比油耗仍然較高。

圖3 2000r/min全負(fù)荷工況下不同進(jìn)氣包角的比油耗對(duì)比

這主要是因?yàn)閷?duì)于增壓中冷汽油機(jī)而言，IVO相同時(shí)小包角進(jìn)氣門在活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)前就已經(jīng)關(guān)閉，為了獲得相同的BMEP，進(jìn)氣壓力將提升，而進(jìn)氣經(jīng)過增壓中冷后，會(huì)導(dǎo)致上止點(diǎn)附件壓縮終了的溫度較低，這種Miller效應(yīng)有利于采用激進(jìn)的點(diǎn)火角將燃燒相位提前（圖4），最后獲得油耗的改善收益。對(duì)于相同的IVC，170°CA大包角通過掃氣實(shí)現(xiàn)了與152°CA小包角相似的燃燒相位，但過多的掃氣將使經(jīng)濟(jì)性惡化，兩種因素的綜合作用導(dǎo)致了此工況點(diǎn)大包角的比油耗仍然偏高。

圖4 2000r/min全負(fù)荷工況不同進(jìn)氣包角的燃燒相位

2.2 2000r/min中大負(fù)荷油耗對(duì)比結(jié)果與分析

發(fā)動(dòng)機(jī)采用不同的進(jìn)氣包角運(yùn)行在2000r/min 14bar和2000r/min 8bar時(shí)的比油耗對(duì)比和燃燒相位分布情況如圖5~8所示。

圖5~8的不同包角的比油耗和燃燒相位變化呈現(xiàn)出與2000r/min全負(fù)荷相同的變化趨勢(shì)，但比油耗和燃燒相位的差異在減小。在2000r/min 14bar時(shí)，比油耗相差14g/kWh，燃燒相位相差8°CA；而在2000r/min 8bar時(shí)，大包角比油耗比小包角大5g/kWh，燃燒相位晚8°CA。這說明隨著負(fù)荷的降低，由Miller效應(yīng)帶來的燃燒相位提前優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致油耗改善的收益在減弱。

分析認(rèn)為，隨著負(fù)荷的降低，增壓壓力降低，170°CA包角比152°CA包角壓縮終了的溫度增加值降低，因此152°CA可以采用的點(diǎn)火提前角度減小，導(dǎo)致最終由燃燒相位為主導(dǎo)的比油耗收益效果較弱。而且通過氣門可變正時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)，在2000r/min 8bar時(shí)，不同進(jìn)氣包角的燃燒相位差異可控制在4°CA以內(nèi)，而比油耗170°CA包角比152°CA包角僅上升3g/kWh。

圖5 2000r/min14bar工況下不同進(jìn)氣包角的比油耗對(duì)比

圖6 2000r/min14bar工況不同進(jìn)氣包角的燃燒相位

圖7 2000r/min 8bar工況下不同進(jìn)氣包角的比油耗對(duì)比

圖8 2000r/min 8bar工況不同進(jìn)氣包角的燃燒相位

2.3 2000r/min小負(fù)荷油耗對(duì)比結(jié)果與分析

圖9~12分別給出了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在2000r/min 2bar和2000r/min 5bar時(shí)采用170°CA包角和152°CA包角比油耗和燃燒相位對(duì)比。

圖9~12的不同包角的比油耗和燃燒相位變化呈現(xiàn)出與2000r/min全負(fù)荷、中大負(fù)荷不相同的變化趨勢(shì)，不同包角在小負(fù)荷表現(xiàn)出的油耗差異并不明顯，并且在進(jìn)行進(jìn)氣優(yōu)化后，二者的比油耗幾乎相當(dāng)。

對(duì)以上的比油耗和燃燒相位變化的綜合分析認(rèn)為，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在2000r/min 2bar和2000r/min 5bar工況時(shí)，由于進(jìn)氣量少、有效壓縮比低，壓縮終了的溫度較低，爆震不在是點(diǎn)火提前角的限制因素，燃燒相位易于控制在上止點(diǎn)后6~8°CA曲軸轉(zhuǎn)角的最優(yōu)相位，且燃燒相位在6~8°CA區(qū)間對(duì)比油耗幾乎沒有影響。從圖12可以確定，170°CA包角和152°CA包角的燃燒相位相差約1.5°CA，但二者的比油耗基本沒有差異。

圖10 2000r/min 5bar工況不同進(jìn)氣包角的燃燒相位

圖11 2000r/min 2bar工況下不同進(jìn)氣包角的比油耗對(duì)比

圖12 2000r/min 2bar工況不同進(jìn)氣包角的燃燒相位

而從圖9~12經(jīng)過進(jìn)氣相位優(yōu)化的比油耗數(shù)據(jù)可以看出，152°CA包角所實(shí)現(xiàn)的較深的Miller循環(huán)和170°CA所實(shí)現(xiàn)的較淺的Miller循環(huán)油耗基本一致，這說明當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)其它參數(shù)相同，僅改變進(jìn)氣包角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷的比油耗基本沒有影響。

綜合上述的試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)分析可以得出結(jié)論，Miller效應(yīng)、燃燒相位、點(diǎn)火提前角、爆震限制、有效壓縮比以及大負(fù)荷掃氣是影響不同Miller循環(huán)深度發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的因素。而且發(fā)動(dòng)機(jī)中大負(fù)荷和全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，Miller效應(yīng)所影響的壓縮終了溫度直接控制著點(diǎn)火提前角，進(jìn)而控制燃燒相位，最終對(duì)比油耗產(chǎn)生影響。小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，雖然較深度的Miller循環(huán)會(huì)提升進(jìn)氣壓力，但進(jìn)氣包角的減小縮短了進(jìn)氣對(duì)活塞的做功時(shí)間，因此泵氣損失并沒有得到很大程度的改善，所以170°CA包角所控制的較淺Miller循環(huán)通過進(jìn)氣正時(shí)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了與152°CA包角相同的比油耗。此外，大負(fù)荷的掃氣會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性變差。

3 結(jié)論

1）進(jìn)氣包角所控制的Miller效應(yīng)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的降低而減弱；發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷掃氣過程會(huì)使經(jīng)濟(jì)性變差；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)中大負(fù)荷工況及全負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗主要受燃燒相位和掃氣的影響，大包角由于爆震推遲燃燒和大重疊角導(dǎo)致油耗較高，推薦小包角方案；

3）發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣包角對(duì)泵氣損失的影響不明顯，通過進(jìn)氣相位的優(yōu)化控制，可以實(shí)現(xiàn)不同深度的Miller循環(huán)具有相近的比油耗水平。

[1] 武彬,楊益民,蔣文虎等.缸內(nèi)直噴增壓汽油機(jī)熱負(fù)荷分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù),2012,446 (11): 5-8.

[2] 代春雨,洪偉,黃恩利等.增壓直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷燃燒及排放特性試驗(yàn)研究[J].汽車技術(shù),2012,449 (8):18-22,26.

[3] 倪計(jì)民,李釗,張小矛等.渦輪增壓汽油機(jī)匹配計(jì)算及性能預(yù)測(cè)[J].汽車技術(shù),2012,445 (10):1-3.

[4] Ｍ.Sens,S.Zwahr,M.Günthe.可變壓縮比在全米勒循環(huán)汽油機(jī)上的潛力[J].國(guó)外內(nèi)燃機(jī).2017, (1):49-52.

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Study on the Effects of Different Miller Cycles on the Performance for a GDI Engine*

Chen Yancai, Wu Weilong, Chen Hong, Lin Sicong, Li Yuhuai

( GAC Automobile Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 511000 )

Study on the effects of different Miller cycles on engine performance has been done for a 2.0 liter gasoline direct injection engine. Different intake valve event angles were adopted to realize different Miller cycles. And bake specific fuel consumption changing trends are compared when the intake valve open or close phase is the same for 152°CA and 170°CA respectively. Test results indicate that when the engine is operating at middle and large load, comparing to 170°CA intake valve event angle, BSFC decrease by 10% when the intake valve event angle is 152°CA intake valve event angle, while the BSFC is very similar at small load. It can be concluded that reasonable Miller cycle is helpful to the improving of the engine’s economic performance.

Gasoline Direct Injection Engine; Miller Cycle; Intake Event Angle; Brake Specific Fuel Consumption

A

1671-7988(2018)24-43-04

U464

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1671-7988(2018)24-43-04

U464

陳硯才，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院。課題來源于基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB0103300）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.014