米勒循環(huán)及低壓廢氣再循環(huán)技術(shù)對汽油機(jī)性能的影響研究

杜 輝，江 帆，鄧水根，孔凡良

(無錫沃爾福汽車技術(shù)有限公司，無錫 214000)

0 概述

目前內(nèi)燃機(jī)仍是汽車的主要動力源，內(nèi)燃機(jī)的石油消耗量占中國總石油消耗量的60%以上，內(nèi)燃機(jī)CO2排放是CO2排放的重要來源。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，推進(jìn)綠色低碳發(fā)展，中國大力發(fā)展新能源汽車，并持續(xù)推動內(nèi)燃機(jī)效率的提升。2019年工信部發(fā)布了新版《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評價(jià)方法及指標(biāo)》的意見征求稿，旨在實(shí)現(xiàn)2025年乘用車新車平均百公里燃油消耗量降低至4 L以下。為了滿足法規(guī)要求，新開發(fā)的汽油發(fā)動機(jī)將應(yīng)用多種技術(shù)以提高熱效率，包括渦輪增壓[1]、米勒循環(huán)[2]、高壓縮比[3]、廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)[4]、余熱回收[5]、可變氣門升程(variable valve lift，VVL)等。

米勒循環(huán)技術(shù)通過進(jìn)氣門早關(guān)(短米勒循環(huán))或晚關(guān)(長米勒循環(huán))的方法，使壓縮比與膨脹比分離[6]。由于有效壓縮比減小，爆震傾向減弱，可以通過提前點(diǎn)火時(shí)刻來提升經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)部分負(fù)荷下泵氣損失也相應(yīng)減少。而為了保證功率轉(zhuǎn)矩，一般需要提高增壓壓力或適當(dāng)增大幾何壓縮比[7-10]。從對稱的角度說，短米勒循環(huán)和長米勒循環(huán)功能類似，但目前針對兩種手段性能差異的研究較少。

EGR技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)成熟，主要用于氮氧化物(NOx)排放的控制[11-12]。EGR技術(shù)在汽油機(jī)上的應(yīng)用還處于探索階段，并且技術(shù)應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)不僅在于控制NOx排放，還在于提升經(jīng)濟(jì)性和降低排溫[13-15]。

應(yīng)用GT-Power軟件，在某2.0 L渦輪增壓商用車缸內(nèi)直噴汽油機(jī)概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了米勒循環(huán)技術(shù)和低壓EGR技術(shù)的性能影響研究，分析了兩種技術(shù)對性能產(chǎn)生影響的原理，著重對比了長短米勒循環(huán)的性能表現(xiàn)差異及原因，考慮了可變氣門正時(shí)(variable valve timing，VVT)角度的影響，本研究對國六汽油機(jī)技術(shù)路線的選取具有一定指導(dǎo)意義。

1 仿真邊界

研究用發(fā)動機(jī)是一款2.0 L直列4缸增壓直噴汽油機(jī)。該汽油機(jī)基本參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

發(fā)動機(jī)基本架構(gòu)如圖1所示，其中EGR從渦輪后取氣，即采用低壓EGR方案。

圖1 發(fā)動機(jī)架構(gòu)

采用GT-Power軟件建立一維熱力學(xué)模型，模型主要包括進(jìn)排氣系統(tǒng)模塊、氣缸模塊、控制模塊3個部分。

1.1 進(jìn)排氣系統(tǒng)模塊

進(jìn)排氣系統(tǒng)模塊主要包括進(jìn)排氣管道、空氣濾清器、增壓器、中冷器、進(jìn)排氣門、進(jìn)排氣道、后處理模塊和EGR模塊。

進(jìn)排氣管道模塊需輸入管道直徑和長度，并設(shè)定自然對流邊界。設(shè)定空氣濾清器模塊標(biāo)定工況下壓差為0.03 MPa，其余工況軟件將根據(jù)氣體流量、溫度自動計(jì)算出相應(yīng)壓差。增壓器模塊通過輸入實(shí)測Map表示不同工況的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)定中冷器模塊標(biāo)定工況壓差為0.02 MPa，出口溫度為55 ℃，其余工況軟件可自動計(jì)算出壓差和出口溫度。進(jìn)排氣門模塊需要輸入氣門升程曲線。進(jìn)排氣道模塊需輸入氣道流量系數(shù)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定不同工況下的氣道表面溫度和傳熱系數(shù)。后處理模塊不考慮化學(xué)反應(yīng)，僅考慮流動阻力的影響，本例中其標(biāo)定工況的背壓為0.6 MPa。EGR模塊輸入目標(biāo)EGR率，并設(shè)定EGR冷卻器標(biāo)定工況出口溫度為100 ℃。

1.2 氣缸模塊

氣缸模塊包括噴油器模型、燃燒模型、傳熱模型和爆震模型。噴油器模型主要作用是決定燃油噴射量：根據(jù)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，按照當(dāng)量比(過量空氣系數(shù)的倒數(shù))1∶1的比例進(jìn)行燃油噴射。燃燒模型采用Wiebe模型，需要定義燃燒起始點(diǎn)、燃燒持續(xù)期和燃燒形狀參數(shù)來擬合發(fā)動機(jī)實(shí)際放熱率曲線。考慮到短米勒循環(huán)和長米勒循環(huán)凸輪型線的不同及EGR率不同對燃燒的影響，還采用了修正模型進(jìn)行燃燒持續(xù)期的修正。傳熱模型采用Woschni模型，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定義缸蓋、缸套、活塞的壁面溫度。爆震模型根據(jù)缸內(nèi)實(shí)時(shí)未燃?xì)怏w質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氣缸實(shí)時(shí)容積、缸內(nèi)氣體溫度等參數(shù)計(jì)算爆震指數(shù)。當(dāng)爆震指數(shù)計(jì)算結(jié)果超過設(shè)定限值時(shí)，認(rèn)為發(fā)生爆震。

1.3 控制模塊

控制模塊包括增壓器放氣閥開度控制和爆震控制兩部分。放氣閥開度的控制因素是目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)矩自動調(diào)節(jié)放氣閥開度，以達(dá)到轉(zhuǎn)矩需求值；而爆震控制模塊通過調(diào)節(jié)燃燒始點(diǎn)，抑制爆震的發(fā)生。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 短米勒循環(huán)與長米勒循環(huán)外特性性能對比

設(shè)計(jì)了兩組進(jìn)氣門升程曲線分別實(shí)現(xiàn)短米勒循環(huán)與長米勒循環(huán)，如圖2所示。為保證短米勒循環(huán)和長米勒循環(huán)有效壓縮比一致，設(shè)計(jì)時(shí)使短米勒循環(huán)氣門關(guān)閉的提前角度(1 mm升程對應(yīng)角度)與長米勒循環(huán)氣門關(guān)閉的推遲角度一致，即圖2中紅色和黑色實(shí)線所示的氣門升程。由于發(fā)動機(jī)采用了VVT技術(shù)，在對比短米勒循環(huán)和長米勒循環(huán)時(shí)還將考慮VVT角度的影響。VVT角度是指短米勒循環(huán)的氣門升程相對基礎(chǔ)升程提前的相位角度，或長米勒循環(huán)的氣門升程相對基礎(chǔ)升程推遲的相位角度，其值越大表示有效壓縮比越小，米勒效應(yīng)越大。仿真時(shí)，設(shè)定最大可變的VVT角度為55°，如圖2中紅色和黑色虛線所示的氣門升程對應(yīng)的角度。

圖2 氣門升程曲線

圖3展示了不同轉(zhuǎn)速下，短米勒循環(huán)與長米勒循環(huán)VVT角度變化對比油耗的影響?？傮w來說，隨著VVT角度增加，有效壓縮比降低，爆震傾向減弱，點(diǎn)火角度提前，經(jīng)濟(jì)性變好。但當(dāng)VVT角度過大時(shí)，由于需求的增壓壓力增加，也會導(dǎo)致增壓器耗功增加，經(jīng)濟(jì)性惡化，甚至可能導(dǎo)致進(jìn)氣量不足,功率達(dá)不到目標(biāo)需求。因此，不同轉(zhuǎn)速下，無論是長米勒循環(huán)或短米勒循環(huán)，都存在最佳的VVT角度使比油耗最低。不過由于VVT可變角度范圍有限，4 000 r/min、2 800 r/min短米勒循環(huán)及2 000 r/min長米勒循環(huán)未能達(dá)到最佳油耗的VVT角度。

圖3 VVT角度對經(jīng)濟(jì)性的影響

在2 000 r/min～4 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，短米勒循環(huán)最佳VVT角度的經(jīng)濟(jì)性比長米勒循環(huán)更有優(yōu)勢。原因主要有兩方面：(1)隨著轉(zhuǎn)速增加，進(jìn)氣量增加，氣流慣性也增加，長米勒循環(huán)的缸內(nèi)空氣無法順利回流，米勒效應(yīng)降低；而短米勒循環(huán)仍能起到降低有效壓縮比的作用。由于有效壓縮比降低，短米勒循環(huán)能夠使用更早的點(diǎn)火時(shí)刻，經(jīng)濟(jì)性也更佳。(2)對于長米勒循環(huán)，氣體先流入氣缸而后又被排出，兩次泵氣過程會導(dǎo)致泵氣損失增加，高轉(zhuǎn)速氣體流量更大，泵氣損失對經(jīng)濟(jì)性的影響也更大。

在1 000 r/min下長米勒循環(huán)更有利。這是因?yàn)椋憾堂桌諝忾T升程低，在相同的功率、進(jìn)氣量下，短米勒循環(huán)需要更高的增壓壓力，這會使增壓器做功增加，即泵氣損失增加。

取每個轉(zhuǎn)速下最佳的VVT角度，對比短米勒循環(huán)和長米勒循環(huán)的外特性性能水平，如圖4所示。由于長米勒循環(huán)在中高轉(zhuǎn)速米勒效應(yīng)減弱，其點(diǎn)火角度相應(yīng)靠后，因此50%放熱量對應(yīng)的角度(即燃燒重心，記為CA50)也靠后，這是其經(jīng)濟(jì)性惡化的最主要原因。相比短米勒循環(huán)，長米勒循環(huán)在2 000 r/min下經(jīng)濟(jì)性惡化5%，而在2 800 r/min～4 000 r/min下惡化20%，僅在轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)長米勒循環(huán)略有優(yōu)勢。

圖4 短米勒循環(huán)與長米勒循環(huán)最佳外特性性能對比

長短米勒循環(huán)的最佳VVT角度隨轉(zhuǎn)速變化趨勢也不同。隨著轉(zhuǎn)速增加，短米勒循環(huán)VVT角度始終增加。這是由于轉(zhuǎn)速提高，增壓器能力也提高，采用大VVT角度時(shí)也能提供足夠的增壓壓力，維持功率水平；同時(shí)大VVT角度使得有效壓縮比減小，米勒效應(yīng)增強(qiáng)，爆震傾向降低，可以使CA50提前，經(jīng)濟(jì)性更好。而長米勒循環(huán)在2 000 r/min時(shí)VVT角度最大。這是因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速時(shí)，氣流慣性增加，增加VVT角度反而使米勒效應(yīng)減弱，不利于經(jīng)濟(jì)性。

由于CA50靠后，長米勒循環(huán)中高轉(zhuǎn)速的渦前排溫明顯高于短米勒循環(huán)，且高于一般發(fā)動機(jī)渦前排溫限值(1 200 K)。由此可見，對于本款汽油機(jī)，短米勒循環(huán)更具有優(yōu)勢。

2.2 低壓EGR對外特性性能的影響

采用低壓EGR技術(shù)的主要目的是提高經(jīng)濟(jì)性和降低NOx排放。由于未經(jīng)標(biāo)定的排放模型精度不佳，且汽油機(jī)在當(dāng)量燃燒時(shí)排放控制的壓力不大，本次計(jì)算不考慮低壓EGR對排放的影響。

運(yùn)用低壓EGR時(shí)，為了保證動力性維持在目標(biāo)水平，必須提高增壓壓力以維持新鮮空氣進(jìn)氣量水平基本不變。選用短米勒循環(huán)，計(jì)算外特性各轉(zhuǎn)速下應(yīng)用不同EGR率時(shí)發(fā)動機(jī)性能的變化情況，結(jié)果如圖5所示。隨著EGR率增加，缸內(nèi)平均溫度明顯降低，原因主要有兩個：一方面EGR廢氣比熱容較大，有利于降低缸內(nèi)最高溫度；另一方面，由于需要維持功率不變，將提升增壓壓力以維持新鮮空氣流量基本不變，因此EGR與新鮮空氣總量增加，這也有利于降低缸內(nèi)最高溫度。

圖5 應(yīng)用不同EGR率時(shí)發(fā)動機(jī)的性能變化

缸內(nèi)最高溫度隨EGR率的增加而降低，爆震傾向也隨之降低，因此CA50可以適當(dāng)提前，有利于提高經(jīng)濟(jì)性，但燃燒持續(xù)期將有所增加，對經(jīng)濟(jì)性不利。另外，EGR和新鮮空氣總量的增加也會使缸內(nèi)做功氣體質(zhì)量增加和燃燒壓力增加，也有利于經(jīng)濟(jì)性。綜合這些因素，應(yīng)用EGR將使經(jīng)濟(jì)性得到改善，且在一定范圍內(nèi)，EGR率越高，經(jīng)濟(jì)性越好，渦前排溫也越低。在不同轉(zhuǎn)速下，應(yīng)用EGR對經(jīng)濟(jì)性和渦前排溫改善幅度不同。以16%的EGR率為例，相比無EGR的情況，在1 000 r/min下油耗降低了6.7%，渦前排溫下降120 K；2 000 r/min下油耗降低了2.7%，渦前排溫下降90 K；2 800 r/min下油耗降低了4.7%，渦前排溫下降110 K；而4 000 r/min下油耗反而升高，但渦前排溫仍下降114 K。4 000 r/min 下油耗升高的原因是增壓器無法提供足夠的增壓壓力，因此功率無法維持在目標(biāo)值。

由此可見，低壓EGR對提升經(jīng)濟(jì)性有明顯的好處，但也帶來了一定負(fù)面影響：(1)外特性引入EGR會增加冷卻系統(tǒng)的散熱壓力，如圖5所示，16%的EGR率下，4 000 r/min的EGR冷卻器散熱功率將達(dá)到9.6 kW，經(jīng)過評估可知冷卻系統(tǒng)存在風(fēng)險(xiǎn)；(2)EGR率過高會導(dǎo)致中冷后冷凝水過多。綜合考慮，推薦選用8%的EGR率。

3 性能驗(yàn)證

概念設(shè)計(jì)階段完成后，將進(jìn)入燃燒開發(fā)階段。燃燒開發(fā)階段首要任務(wù)是選定最終的發(fā)動機(jī)硬件，主要包括以下內(nèi)容：VVT最大移動范圍確定，重要工況VVT角度選定，3組短米勒凸輪型線選型，VVL切換工況選定，3組噴油器選型，3組活塞型線選型(包括壓縮比選定)，3組增壓器選型，2組點(diǎn)火線圈選型。在VVT角度選定階段，采用仿真時(shí)的短米勒氣門升程曲線對應(yīng)的凸輪型線，配合8%的EGR率進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如圖6所示，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，且比油耗優(yōu)于仿真結(jié)果。從趨勢上看，仿真的比油耗、CA50趨勢與實(shí)測結(jié)果非常吻合，這說明了燃燒模型與爆震模型有較好的預(yù)測性。仿真與實(shí)測的誤差來源之一是一維模型沒有考慮充氣過程缸內(nèi)流動對燃燒及爆震的影響，而實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高燃燒速度并抑制爆震，設(shè)計(jì)了高滾流比氣道和燃燒室，因此預(yù)測的CA50偏大，油耗偏高。另外，VVT角度的趨勢也與實(shí)測非常相似，說明采用仿真的方法能夠指導(dǎo)VVT角度的選定。

圖6 實(shí)測與仿真外特性性能對比

圖6(b)還展示了實(shí)測的外特性裸機(jī)排放數(shù)據(jù)，外特性NOx排放在1 400×10-6～3 050×10-6范圍?？紤]到三元催化器300 ℃以上當(dāng)量燃燒的排放物轉(zhuǎn)化效率大于95%，對應(yīng)NOx排放物裸機(jī)限值為3 100×10-6，因此NOx排放符合要求。碳?xì)浠衔锱欧胚h(yuǎn)小于目標(biāo)限值(1 040×10-6)，CO排放體積分?jǐn)?shù)也遠(yuǎn)小于目標(biāo)限值(4.5%)。綜上可知，發(fā)動機(jī)外特性排放水平具備達(dá)到國六排放標(biāo)準(zhǔn)的潛力。

4 結(jié)論

(1)隨著VVT角度增加，試驗(yàn)用汽油機(jī)的有效壓縮比降低，爆震傾向減弱，點(diǎn)火角度提前，經(jīng)濟(jì)性變好。但當(dāng)VVT角度過大時(shí)，由于需求的增壓壓力增加，會導(dǎo)致增壓器功耗增加，經(jīng)濟(jì)性惡化。存在最佳的VVT角度，使米勒循環(huán)的比油耗最低。

(2)在中高轉(zhuǎn)速區(qū)域，長米勒循環(huán)米勒效應(yīng)減弱，且有兩次泵氣損失，因此短米勒循環(huán)更有優(yōu)勢；而低轉(zhuǎn)速區(qū)域，短米勒循環(huán)需要更高的增壓壓力，所以長米勒循環(huán)更有優(yōu)勢。綜合來說，短米勒循環(huán)更具有優(yōu)勢：在2 800 r/min～4 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)性提升約20%，渦前排溫降低的幅度達(dá)到100 K～200 K。

(3)低壓EGR技術(shù)能夠降低缸內(nèi)最高溫度，減輕爆震的傾向，因此CA50可以適當(dāng)提前，有利于提升經(jīng)濟(jì)性。16%的EGR率將使外特性比油耗降低2.7%～6.7%，渦前排溫降低100 K以上，但EGR冷卻器散熱功率將達(dá)到9.6 kW，且存在中冷后冷凝水過多的風(fēng)險(xiǎn)，推薦本機(jī)外特性采用8%的EGR率。