高负荷下应用米勒循环提升高压比汽油机热效率机理研究

郑斌， 李铁， 尹涛

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)



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高负荷下应用米勒循环提升高压比汽油机热效率机理研究

郑斌， 李铁， 尹涛

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)

对高负荷工况下应用进气阀早关(EIVC)或者迟关(LIVC)技术实现的米勒循环进行仿真计算，基于热力学第一定律比较分析两者改善高压缩比增压直喷汽油机热效率的机理。结果表明：几何压缩比的增加提高了发动机的理论热效率，但由于高负荷时的爆震限制使油耗恶化了1.9%；米勒循环的应用可以有效降低爆震倾向，与原发动机相比，采用EIVC与LIVC策略燃油经济性的分别提升2.4%和3.0%；对比分析EIVC与LIVC对汽油机热效率的影响发现，LIVC策略能使燃烧相位更加优化、缸内燃烧更为充分，使得其燃油改善效果好于EIVC策略。

进气阀早关； 进气阀晚关； 米勒循环； 高负荷； 爆震； 热效率

日益严苛的油耗要求使得内燃机热效率的提高变得越来越迫切。发动机小型化后，为了满足功率要求，部分负荷时节气门开度较常规发动机大，在一定程度上实现了去节流作用，从而得到了广泛的认可。但与此同时引起的高负荷动力性降低问题使得汽油机增压压力必须进一步提高，这又很大程度上加重了高负荷时的爆震问题[1-2]。

米勒循环通过改变进气阀关闭时刻来减小有效压缩比、降低压缩温度，从而降低高负荷时末端混合气自燃的可能性。由于压缩冲程被缩短，米勒循环在相同几何压缩比时相比于奥托循环在理论热效率上反而更低一些。然而，在发动机实际运行过程中，尤其是部分负荷时泵气损失和传热损失减少，使得米勒循环相比于常规发动机仍具有一定优势[3-4]。

关于米勒循环的研究，国内外已有一些相关报道[3-6]，但对于进气阀早关或迟关策略实现的米勒循环改善高压缩比高增压直喷汽油机，尤其是高负荷时热效率的综合对比与机理分析的相关研究还是空白，而这对于降低汽油机燃油消耗的优化设计是很有必要的。鉴于此，本研究在之前部分负荷分析的基础上[4]，对应用进气阀早关与迟关策略的汽油机在高负荷工况下进行仿真建模，并对提高热效率的机理进行比较分析。

1 研究设备及方法

1.1 试验设置

本研究采用某2.0 L直列4缸双VVT (Variable Valve Timing)增压直喷汽油机作为试验对象，其峰值功率与扭矩分别为152 kW@5 300 r/min，344 N·m@2 200 r/min，原机压缩比(CR)为9.3，改制活塞厚度后压缩比为12.0。考虑到低速高负荷时汽油机爆震倾向最为严重，因此本研究选择1 000 r/min，210 N·m作为试验工况。发动机测试设备见表1。

表1 发动机测试设备

本研究中，通过进气阀早关(EIVC)或迟关(LIVC)策略来实现米勒循环，通过设计EIVC与LIVC凸轮轴，得到气阀升程曲线(见图1)。LIVC是通过拓宽原发动机凸轮轴型线最大升程时的持续期来实现；考虑到发动机实际运行过程中凸轮轴能够承受的强度，EIVC则是通过降低原机凸轮轴对应气阀的升程实现。对于原机、EIVC和LIVC对应的凸轮轴，三者都采用改制活塞厚度后的高压缩比12.0来研究，同时与原活塞对应的9.3压缩比进行比较。试验过程中保持排气阀的升程曲线一致，并对该高负荷工况的点火角和进排气正时进行扫描与优化，在最优气门正时下通过扫描点火角得到该工况下的临界爆震点，并将其作为用于计算模型标定的参考工况。

1.2 计算模型

1.2.1 爆震模型

本研究应用发动机一维仿真软件GT-Power进行高负荷时米勒循环与原机的仿真建模与分析。考虑到高负荷爆震问题，采用MAPO(Maximum Amplitude of Pressure Oscillation)方法对通过带通滤波后的所有试验循环的缸压信号进行筛选，从而得到爆震循环，其中MAPO阈值定为0.1 MPa。对于发生爆震的循环，将其缸压曲线上第一个瞬间突变的锯齿起始拐点定义为爆震起始时刻。仿真过程中为了预测爆震循环的爆震起始角，采用Livengood-Wu积分[7]进行计算，进气阀关闭到末端混合气自着火的时间τ采用考虑多参数影响的增压发动机现象学爆震模型进行预测[8]。

(1)

(2)

式中：tIVC和tknock分别指进气阀关闭时刻和爆震起始时刻。由于一维仿真模型无法模拟末端混合气自燃造成的缸内压力振荡，引入一个与自着火延迟期积分达到1时的质量燃烧率(mass burned fraction, MBF)相关的爆震判定标准，以判定仿真过程中是否发生爆震。试验过程中，将通过扫描点火角得到的临界爆震点时的MBF值作为用于参考的爆震指标阈值。在仿真中，当自着火延迟期积分Yknock达到1，同时计算得到的MBF达到上述阈值，则判定该仿真工况发生了爆震。

图2示出3 000 r/min，WOT (Wide Open Throttle)工况下爆震起始角的试验结果与仿真预测对比，可以从该工况下仿真与试验爆震起始角间0.76°的标准误差RMSE (root mean square error)看出，该模型预测结果与试验结果匹配得很好。另外，其他工况条件下也获得了相似的对比结果。

1.2.2 模型标定与预测

图3和图4分别示出1 000 r/min全负荷工况下，不同凸轮轴对应的缸压和油耗扭矩试验数据和仿真标定结果的对比。如图所示，在该工况条件下，不同压缩比或凸轮型线对应的计算模型与试验得到的缸压曲线能够很好地匹配，另外，在同等条件设置下，模拟仿真得到的与台架试验得出的扭矩、油耗的差异都满足3%以内的工程误差。另外可以发现，原凸轮轴CR9.3和LIVC缸压曲线与另两种情况相比更为“瘦高”，这是由于高负荷爆震因素的存在，原凸轮轴增加压缩比和EIVC凸轮轴增加压缩比两种情况抗爆震能力较差，需要通过点火角推迟来缓解爆震，因此在相同扭矩输出情况下缸压曲线更为“矮胖”。图5示出EIVC和LIVC情况下试验结果的p-V图。由图5可以看出， LIVC策略下由于点火角提前，燃烧可以在更接近上止点处进行，燃烧更快，反映在p-V图上为压力上升更快。但与EIVC相比，二者p-V围成的面积接近(图中斜线阴影与点阴影面积)，因此两者对外扭矩相差不大。同时，在其他不同进排气正时的工况下，利用该模型的预测结果依旧能够很好地匹配相应试验结果，所以该仿真模型可用于本研究的分析预测。

为了能够更直观地比较分析应用EIVC与LIVC策略在高负荷工况下对该汽油机热效率的改善机理，本研究把应用原机凸轮轴时的IVC时刻(Intake-Valve Closure)设置为下止点附近，使得原机凸轮轴发动机有效压缩比等于几何压缩比。另外进气阀早关与迟关的IVC时刻分别设置在活塞下止点前后80°曲轴转角左右。此时3种凸轮轴的进气阀开启时刻相同。实际仿真预测过程中，在满足动力输出保持不变的条件下，分别对不同压缩比或凸轮型线的4种情况的点火角进行扫描，并通过爆震模型选取临界爆震点。

1.3 热效率影响因子分析原理

对于发动机的热力循环，由能量平衡有

Qf=Qu+Qc+Qout+Wm+We。

(3)

式中：Qf，Qu，Qc，Qout分别为燃料燃烧产生的总化学能、未完全燃烧部分的能量、缸内传热损失以及废气能；Wm为机械摩擦与泵气损失功之和；We表示此循环中由曲轴对外输出的有效功。

有效效率ηe可表示为以下各因子的乘积[9]：

ηe=ηth·ηb·ηglh·(1-Φw)·ηm。

(4)

ηth是理论热效率，对于米勒循环可表示为

(5)

式中：εc表示该汽油机的有效压缩比，定义为进气阀关闭时刻与上止点时气缸内所有工质的体积之比；γ为工质比热容比，本研究中取循环平均；εe为该汽油机的膨胀比，试验和仿真中排气门开启时刻一致并位于活塞下止点附近，因此本研究中约等于几何压缩比，而原凸轮轴对应进气门关闭时刻位于活塞下止点处(见图1)，因此其有效压缩比可以等效为几何压缩比；δ是等容燃烧结束与起始时刻缸内的压力之比。

ηb为燃烧效率，可由式(6)[10]表示：

(6)

式中：[CO]，[CO2]，[HC]，[H2]分别代表对应组分的浓度；Hu和M为所用汽油燃料的低热值(Lower Heating Value)和燃料中单位碳原子对应的摩尔质量(Molecular Weight)。

ηglh为燃烧放热等容度，即燃烧过程接近等容放热的程度。原机凸轮轴的等容度可通过式(7)[11]计算，而对于米勒循环，则需要把中间理论效率部分用式(5)代入。

(7)

式中：Q可通过Qb-Qc来计算，Qb表示燃烧放热量，Qc表示缸内由于传热所造成的损失；VS表示气缸的工作容积；VC是活塞运动到上止点时的余隙容积；Vθ表示曲轴转角在θ时刻所对应的缸内容积。

Φw为气缸内由于传热造成的损失占燃料燃烧放出的总体热量的比例，可表示为Φw=Qc/Qb。

机械效率ηm由式(8)计算得出：

(8)

式中：pbme，pfme和ppme分别代表制动、摩擦和泵气平均有效压力。

2 研究结果与分析

上述仿真模型在按照对应条件设定之后，对不同凸轮轴和压缩比对应的4种情况的点火角分别进行扫描，在满足爆震模型的前提下得到1 000 r/min WOT工况下临爆点的燃油消耗率,结果见图6。压缩比由9.3增加到12.0时，爆震倾向更为严重，迫使点火角进一步后推，造成燃油经济性恶化。米勒循环通过缩短压缩冲程来抑制爆震，使得高负荷点火角能够往前提，从而在一定程度上改善了油耗。而采用LIVC策略实现的米勒循环效果好于采用EIVC策略，与CR9.3原机比，两者分别提高燃油经济性3.0%和2.4%。

图7示出高负荷工况下，各影响因子对本工况热效率的贡献情况。发动机的有效热效率受到理论热效率ηth、燃烧放热等容度ηglh、燃烧效率ηb、缸内传热损失比例Φw和机械效率ηm的影响，有效效率的变化直接影响着燃油经济性。原机凸轮轴CR12.0情况时发动机有效热效率为22.8%，这主要是由于点火角的推后，而EIVC和LIVC发动机的有效热效率均略高于原发动机。

图7中，采用EIVC和LIVC策略后理论热效率分别为53.1%和52.8%，低于原机凸轮轴CR12.0时的53.4%，但两者都高于原机凸轮轴CR9.3的情况。从理论分析可知，有效压缩比εc直接影响着理论热效率，因此压缩比提高后理论热效率会有较大程度提升。而对于米勒循环，进气阀关闭时刻相对下止点的偏离缩短了其压缩冲程，从而使其有效压缩比更低。同时进气阀关闭时刻的变化导致缸内温度存在差别，使得4者的比热容比也不尽相同。

从图7每种情况第二根柱与第一根柱的比值计算发现，燃烧效率都偏低，介于81%～84%。这是由于高负荷时为了降低排气温度来保护涡轮机叶片，通常需要采用燃油加浓技术。由燃油加浓带来的不完全燃烧损失可以从图8中各因素占发动机燃料总能量的比重看出。压缩比升高时需要更浓的燃油比例来降低排气温度，因而增加了缸内不完全燃烧损失占燃料总能量的比重。对于压缩比12.0的3种情况，采用LIVC策略后燃烧效率要高于另外两者，源自其更长的进气时间所带来的更为充分的油气混合。

图8中缸内传热损失占燃料总能量的比重是有效压缩比、空燃比、点火角等因素综合影响的结果。压缩比提高后，缸内燃烧变得更加剧烈，使得燃烧温度较原机更高，增加了缸内传热损失，但更为严重的爆震倾向又迫使点火角推后和燃油加浓，抑制了缸内温度过高，又使得传热损失降低。米勒循环的应用有效缓解了高负荷的爆震，从而可以在原凸轮轴CR12.0的基础上增加点火提前角，促进燃烧，一定程度上增加了燃烧温度。进气阀早关的传热损失小于进气阀晚关，这主要由于进气冲程时EIVC在进气阀关闭到活塞运动到下止点这段时间内，由于没有新鲜气体进入缸内，同时活塞下行，导致更多的热量从缸壁传给缸内气体，这一部分吸收的热量在一定程度上抵消了循环总体的传热损失，使其传热损失偏少；采用LIVC策略后，由于进气阀门迟关，活塞上行时会有部分气体携带热量被推回进气道，增加了损失。缸内温度和排气温度直接影响着缸内传热损失和排气损失，而从图中可知，当综合考虑传热和排气损失的总体影响时，不同情况的差别并不明显。

通过计算能够得到4种情况的等容度。低压缩比9.3和LIVC CR12.0的放热等容度要高于另外两种情况。经过扫描后得到CR9.3原凸轮轴，CR12.0原凸轮轴，EIVC CR12.0和LIVC CR12.0凸轮轴4种情况在临界爆震点时的点火角分别为-4.25°ATDC，3°ATDC，-2.5°ATDC，-6°ATDC。从图9放热率曲线可以看出，对于应用原机凸轮轴的两种情况，采用原机压缩比9.3时由于点火角更为提前，使得其放热率曲线型心位置也更接近上止点。而由于对爆震的抑制作用，与压缩比同为12.0而应用原机凸轮轴的情况相比，米勒循环的两种情况可以将点火角提前，其燃烧相位也更为优化。LIVC燃烧相位与EIVC相比更接近上止点，这主要由于EIVC进气过程的快速吸热与LIVC压缩过程仍有部分热量排出缸内，使得LIVC在压缩上止点时缸内温度低于EIVC(见图10)，从而导致其具有更强的抗爆震特性，因此可以拥有更提前的点火角和更为优化的燃烧相位。

从图7中计算得到的机械效率来看，EIVC策略下最高， LIVC低一些，采用原机凸轮轴机械效率最低。机械效率与发动机的摩擦损失和泵气损失有关。对于相同转速负荷工况，摩擦及辅机类损失差别不大。而对于增压发动机，高负荷时由于进排气存在正压差，泵气通常做正功。提高泵气正功可以有效降低循环的机械损失，从而拥有更高的机械效率。为了保持动力输出一致，采用进气门早关技术需要的增压压力最大，然后是采用进气门晚关技术，原机凸轮轴的两种情况增压压力最小，计算结果见图11。增压强度的提升可以有效增加泵气所做的正功，计算得到的进气阀早关与迟关对应的ppme分别为51 kPa和31 kPa，均高于原凸轮轴的两种情况，因此具有更高的机械效率，这也是米勒循环的优势之一。

3 结论

a) 高负荷工况下，较高的几何压缩比12.0虽然带来了理论热效率的提升，但也导致了更为严重的爆震倾向，点火角被进一步推后，使得其与低压缩比9.3相比，燃油消耗反而恶化；

b) 对于相同压缩比12.0，应用EIVC和LIVC策略实现的米勒循环对发动机的油耗皆有不同程度的改善；相比于原发动机，进气阀早关与迟关技术对油耗的改善程度分别为2.4%和3.0%；

c) 在高负荷工况下，LIVC对发动机热效率的提升作用更为明显。

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[4] 郑斌，李铁，尹涛.米勒循环改善增压直喷汽油机热效率的机理分析——部分负荷工况分析[EB/OL]．[2015-05-18]．http://www.cnki.net/kcms/detail/31.1255.TK.20150212.1230.004.html.

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[编辑： 袁晓燕]

Analysis of Thermal Efficiency Improvement Implemented with Miller Cycle for High Compression Ratio Gasoline Engine at High Load

ZHENG Bin, LI Tie, YIN Tao

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

For a highly boosted, high compression ratio and direct injection gasoline engine, the Miller cycle realized by the early intake-valve closing (EIVC) or the late intake-valve closing (LIVC) strategy at high load was simulated and the improvement mechanisms of thermal efficiency for both strategies were compared based on the first law of thermodynamics. The results show that a higher geometric compression ratio can increase the theoretical thermal efficiency, but lead to the fuel consumption increase by 1.9% due to knock limit at high load. The application of Miller cycle can suppress knock tendency effectively and the fuel economy for EIVC and LIVC strategy improves by 2.4% and 3.0% respectively compared with the original engine. Compared with EIVC, LIVC can bring about a better combustion phase and more thorough in-cylinder combustion.

early intake valve closing(EIVC); late intake valve closing(LIVC); Miller cycle; high load; knock; thermal efficiency

2015-05-18；

2015-07-29

教育部博士点基金(20120073120059)；上海市浦江人才计划(13PJ1404300)

郑斌(1990—)，男，硕士，主要研究方向为内燃机工作过程数值模拟；zhengbin569569@163.com。

李铁(1974—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为先进内燃机燃烧、代用燃料技术等；litie@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.004

TK411.1

B

1001-2222(2015)05-0020-06