容积比对工质移缸类内燃机燃油经济性能的影响规律

范攀攀，卢 勇，裴普成

（1.清华大学汽车工程系，北京 100084；2.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084）

化石资源的枯竭已经对全球经济的发展产生了重要的影响，而车用燃油占石油消耗的1／3，因此提高汽车发动机的燃油经济性对减轻全球能源危机有着重要的意义。传统内燃机已经到了精雕细琢的程度，很难大幅度提升内燃机效率，近年来，国内外一些学者从发动机结构上另辟蹊径，取得了很好的效果。

美国Scuderi集团发明了“一分为二式”内燃机［1－2］，该发动机将传统四冲程发动机的工作过程分为两部分，一个循环由两个气缸共同完成，前缸负责进气和压缩，后缸负责做功和排气，前后缸通过一个转接管实现工质的转移。Scuderi发动机的特点是压缩冲程和做功冲程分离，可以实现高压缩比，通过缩小前缸的缸径可以使膨胀比大于压缩比，实现米勒循环。

德国META公司的K内燃机［3］一个工作单元由冷缸和热缸两个气缸组成。新鲜空气和燃油的混合气进入冷缸压缩后经转接管进入热缸，热缸内的残余废气温度高达900℃，可以迅速引燃混合气。K内燃机不仅可以提高压缩比，还可以实现均质压燃，从而提高内燃机的燃油经济性。

法国伊尔莫（Ilmor）公司发明了一种新型的五冲程内燃机［4］，该内燃机一个工作单元由3个气缸组成，其中两个为传统的四冲程气缸，两个气缸在排气冲程交替将工质排至第三个气缸内继续膨胀做功，而第三个气缸缸径往往比前两个气缸要大，这样就实现了膨胀比大于压缩比的米勒循环，从而提高了内燃机热效率。

纵观这些新型发动机，一个共同的特点就是采用了工质移缸技术。工质移缸是指内燃机循环做功的工质先后在多个气缸之间转移。这种新型的内燃机循环方式可以带来以下优点：压缩气缸与膨胀气缸分离，可以实现高压缩比；通过增大膨胀气缸的容积，膨胀比大于压缩比，从而实现米勒循环；排气经转接管移缸后可实现二次膨胀做功。这些措施都可以提高内燃机的热效率，Scuderi内燃机在进气增压比为3.2的情况下，平均有效压力比传统内燃机增加139.7%，燃油消耗率减少13.4%；伊尔莫公司的增压五冲程内燃机比传统机型提高效率5%～20%，1台排量仅为0.7L的3缸五冲程增压内燃机可以输出97kW的最大功率和165N·m的最大扭矩。

通过工质移缸做功提升内燃机热效率，需要解决一些关键技术，比如：移缸转接管的设计，不同气缸之间配气正时的匹配，后缸与前缸容积比的优化等。目前，国内外对于这些技术的研究还处于比较初级的阶段［5－7］，本研究主要针对前缸为传统的四冲程发动机，后缸为非燃烧缸的工质移缸类内燃机，通过试验与仿真的手段，研究前缸和后缸行程不变缸径改变时，容积比β对内燃机性能的影响规律。

1 试验

为了研究内燃机工质移缸过程，将1台传统4缸四冲程内燃机改造成工质移缸做功的新型循环内燃机［8］。改造的内燃机为4RB2车用汽油机，原机各项技术参数见表1。

表1 4RB2内燃机技术参数

内燃机改造方案见图1。4个气缸从左至右依次编号为1～4缸，1缸和4缸为传统四冲程燃烧做功缸，2缸和3缸为四冲程非燃烧缸，1缸和4缸点火时刻相差360°曲轴转角。将2缸和3缸的原进气门改为排气门，原排气门改为进气门，1缸排气时2缸进气，4缸排气时3缸进气，内燃机4个气缸的进排气正时见图2。新鲜空气先进入燃烧缸，然后再通过转接管进入非燃烧缸，最后从非燃烧缸的排气门排出内燃机，后文将1缸和4缸称作前缸，将2缸和3缸称作后缸。后缸和前缸的容积比β定义为

式中：VL，VF，RL，RF分别为后缸与前缸的容积和缸径；S为行程。

内燃机缸盖改造的三维模型见图3。进气歧管和排气歧管在内燃机的同一侧，两个连接管分别连接前后缸。根据表2所示的工作顺序改造内燃机凸轮轴。改造后的内燃机见图4。

表2 试验机前后缸进排气门相位设计

2 仿真模型及验证

采用内燃机一维仿真软件GT－Power进行仿真分析，仿真模型见图5。其中1缸和4缸是前缸，工作过程和普通的四冲程内燃机相同，2缸和3缸是后缸，1缸和4缸的排气经转接管分别进入2缸和3缸，2次做功后排入外界。仿真模型的主要参数见表3。

表3 GT－Power模型主要参数

图6示出改造后的内燃机在1 600，2 000，2 400r／min时，仿真数据与试验数据的对比。从图中可以看到，仿真结果和试验结果比较吻合，仿真模型可用于下一步的分析。

3 仿真结果与分析

分别在1 600，2 000，2 400，2 700，3 000，3 400，3 700，4 000，4 400，5 000，6 000r／min下进行仿真，后缸缸径由70mm逐渐增大到140mm，相应地容积比由0.54增大到2.17，重点关注燃油消耗率和扭矩随转速和容积比变化的规律。

转速为1 600r／min，2 400r／min，3 000r／min，扭矩为20N·m，40N·m，60N·m以及外特性工况时，燃油消耗率随容积比的变化规律见图7。以转速1 600r／min为例进行说明。扭矩为20N·m时，容积比为0.62时获得最低燃油消耗率，相比原机燃油消耗率降低5.9%；扭矩为40N·m时，容积比为0.8时获得最低燃油消耗率，相比原机燃油消耗率降低2%；扭矩为60N·m时，容积比为0.96时获得最低燃油消耗率，相比原机燃油消耗率降低1%；当工况为外特性时，容积比在1.34时取得最低燃油消耗率，相比原机燃油消耗率降低1.7%，外特性扭矩相比原机扭矩增大9.8%。可以看到，当转速不变时，最低燃油消耗率容积比随着扭矩的增大而增大，当扭矩较小时，最低燃油消耗率容积比小于1，表明后缸的缸径要小于前缸，这是因为对于汽油机来说，低负荷时节气门开度较小，燃烧后的废气量也少，可用于二次膨胀的潜力小；而高负荷时，进气量增加，燃烧后的废气量较大，可用于二次膨胀的潜力大，此时就需要增大后缸容积，以便于实现米勒循环，从而提高整机的燃油利用率。转速为2 400r／min，3 000r／min时的规律与1 600r／min时相似。

各转速下，不同扭矩对应的最低燃油消耗率容积比见图8。可以看到，当扭矩为20N·m，30N·m，40N·m时，不同转速下最低燃油消耗率容积比是相同的；当扭矩为50N·m和60N·m时，最低燃油消耗率容积比随着转速的提高有一点增加，但大部分转速下是相同的。从图中还可以看出，转速的变化对最低燃油消耗率容积比的影响很小，而随着扭矩增大，最低燃油消耗率容积比在逐渐增大。这是因为改造后的内燃机主要目的是利用排气能量做功，相比转速，扭矩对排气温度的影响更显著。

以上是部分负荷时，转速、扭矩、燃油消耗率和容积比之间关系，下面研究外特性工况下，以上参数之间关系。方法为在某一转速下改变容积比，找出该转速下燃油消耗率最低时的容积比（即最低燃油消耗率容积比）和扭矩最大时的容积比（即最大扭矩容积比）；然后改变转速再次计算。仿真结果见图9，其中最低燃油消耗率降幅和最大扭矩增幅均是与容积比为1时相比得到。

由图9可以看出，不同转速下，容积比的变化对外特性燃油消耗率和扭矩的影响作用不同，当转速为2 400r／min时，可以得到全工况下的最低燃油消耗率和最大扭矩，燃油消耗率降幅和扭矩增幅分别达到2.1%和11.2%。随着转速的提高，容积比的影响越来越小，到转速为4 000r／min时，容积比的变化已经对改善外特性燃油消耗率没有影响，当转速大于4 000r／min时，随着容积比的增加，外特性燃油消耗率持续恶化；当转速大于4 400r／min时，容积比的增大对扭矩提升已没有明显效果。这是因为低速时，后缸工质有更充足的时间进行膨胀做功，并且前后缸之间转接管中残留气体更少，从而减小了前缸的背压，提高了燃油经济性。

随着转速的提高，外特性工况下最低燃油消耗率容积比和最大扭矩容积比越来越小。转速大于4 000r／min时，原机能取得较好的燃油经济性和动力性。当转速在1 600～3 000r／min，容积比为1.65时，在外特性工况下发动机能够获得较大的扭矩，容积比为1.22时能获得较好的燃油经济性。

外特性下燃油消耗率和扭矩对容积比变化的敏感度不同，扭矩受到的影响更大，提升作用更明显。

4 结论

a）部分负荷下，扭矩不变时，最低燃油消耗率容积比随着转速的增大几乎不变；转速不变时，最低燃油消耗率容积比随着扭矩的增大逐渐增大；

b）在中低转速时（小于4 000r／min），选择适当的容积比可以提高外特性工况下发动机的扭矩和燃油经济性，并且存在最优转速（2 400r／min），在最优转速下选择合适的容积比，可以得到发动机全工况下的最低燃油消耗率或最大扭矩；

c）外特性工况下，相比燃油消耗率，扭矩受容积比的影响更大。

［1］ Phillips F，Gilbert I，Pirault J，et al.Scuderi Split Cycle Research Engine：Overview，Architecture and Operation［C］.SAE Paper 2011－01－0403.

［2］ Branyon D，Simpson D.Miller Cycle Application to the Scuderi Split Cycle Engine（by Downsizing the Compressor Cylinder）［C］.SAE Paper 2012－01－0419.

［3］ META Motoren－Und Energie－Technik：K－Engine［EB／OL］.［2013－12－11］.http：／／www.metagmbh.de／technologies／charging／？L＝1＃technologies／new－engines／.

［4］ Ilmor Engineering.5－Stroke Concept Engine［EB／OL］.［2013－12－11］.http：／／www.ilmor.co.uk／concept＿5－stroke＿1.php.

［5］ 卢 勇，裴普成.非常规热力循环内燃机的节能技术［J］.汽车安全与节能学报，2013，4（1）：1－15.

［6］ 卢 勇，裴普成.配气正时对工质移缸类非常规循环内燃机性能的影响规律［J］.西安交通大学学报，2013，47（9）：41－49.

［7］ 卢 勇，裴普成.四缸五冲程内燃机的性能预测［J／OL］.［2013－12－11］.http：／／www.cnki.net／kcms／detail／31.1255.TK.20130813.1358.009.html.

［8］ 卢 勇.八冲程双循环发动机原理性样机设计［D］.北京：清华大学，2009：25－32.