Atkinson循环发动机燃油经济性与排放性试验

孙柏刚，汤弘扬，陈宇航，谢诚，范英杰

(1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081; 2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081)



Atkinson循环发动机燃油经济性与排放性试验

孙柏刚1，2，汤弘扬1，陈宇航1，谢诚1，范英杰1

(1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081; 2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081)

在外特性及汽油机常用工况点下，研究了高压缩比Atkinson循环发动机的燃油经济性与排放特性. 研究表明：Atkinson循环发动机在外特性工况下，扭矩降低5%，有效燃油消耗率降低5%～8%左右；在2 000 r/min，0.2 MPa与3 000 r/min，0.3 MPa常用工况点下，扭矩损失较小，泵气损失分别降低34%与24%，有效燃油消耗率分别降低9.0%与7.5%；负荷越低，泵气损失减少越明显；在排放特性上，NOx排放分别降低了65.0%与31.5%，HC排放增加23.7%与26.0%.

混合动力；Atkinson循环；泵气平均有效压力；燃油消耗率；NOx

由于传统汽油机是基于奥托(Otto)理论循环进行研发设计的，具有部分负荷燃油经济性差、泵气损失大等缺点，已经不能满足混合动力汽车对于经济性和排放的需求. 而Atkinson循环发动机因其自身所具有的优势，已成为混合动力汽车动力研发的主要选择[1].

随着VVT技术与混合动力汽车的出现，Atkinson循环发动机凭借着和电动机的高效结合获得了快速的发展. 截至2014年9月底，采用Atkinson循环发动机的丰田Prius混合动力汽车全球销量超过218万辆，最新推出的第三代Prius整车实现了超低的燃油消耗(4.3 L/100 km)和二氧化碳排放量(104 g/km)，仅为配备有尾气控制装置的同等级别汽油机的45%[2]. 国内Atkinson循环发动机的研究也已迅速开展，同济大学的田永祥等[3]对混合动力车用Atkinson发动机的基本工作原理及实现方法进行了系统的介绍.

长安汽车与北京理工大学合作，在JL475Q3发动机基础上通过减小燃烧室容积将压缩比提高到12并对原有配气相位进行全新设计，使发动机膨胀比增加的同时，又避免了压缩比增加及爆燃的发生[4-5]. Zhao等[6]提出了一种基于一维发动机仿真模型的Atkinson循环发动机部分负荷燃油经济性优化方法.

文中探讨了Atkinson循环的理论优势，同时分析了采用高压缩比后，在汽油机常用工况点下Atkinson循环汽油机的燃油经济性及排放特性，为后续研究提供指导作用.

1 试验设备与试验方法

1.1 试验设备

试验在一台自然吸气、VVT、直列四缸汽油机上进行. 发动机主要参数如表1所示.

试验装置布局如图1所示.

表1 原型发动机基本参数

试验过程中使用的主要设备仪器：测功机为AVL公司的动态电力测功机和测控控制系统；燃烧分析系统为AVL公司的622型燃烧分析仪；进气压力传感器为Kistler 4045A；缸压传感器为Kistler 6117B.

1.2 试验方法

为实现Atkinson循环，将原机凸轮轴更换为进气包角为295°CA的长进气凸轮轴；同时为保证动力性，提高压缩比，更换高几何压缩比活塞，将几何压缩比提高为13. 基于上述的改进，通过可变气门定时机构(VVT)对Atkinson循环发动机实时调节，进行万有特性试验. 试验从1 000～6 000 r/min进行扫描(转速间隔500 r/min，负荷间隔0.1 MPa)；在2 000 r/min，0.2 MPa；3 000 r/min，0.3 MPa工况点使用Bosch ECU及开发工具ETK进行电喷参数微调，记录最佳性能参数，当量空燃比控制为1. 通过试验获得能反映动力性、经济性及排放试验数据，分析试验结果，并得出采用Atkinson循环后的各项性能指标.

2 分析和讨论

2.1 Atkinson循环发动机外特性

原机改为Atkinson 循环发动机后，外特性曲线如图2所示. Atkinson循环发动机的外特性扭矩曲线在1 000～4 500 r/min范围内整体低于原机，在5 000～6 000 r/min范围内与原机扭矩相当. 在1 000～2 000 r/min范围内扭矩相对下降最多约为10%;在2 000～4 500 r/min范围内扭矩下降5%;在4 500～6 000 r/min范围内，扭矩相对下降减少，基本上与原机大致相当.

外特性工况下，在不同转速下Atkinson循环发动机有效燃油消耗率都低于原机，如图2所示. 从图2中可以看出，在中低转速下，有效燃油消耗率降低5%左右. 表明采用Atkinson循环后，虽然发动机扭矩部分降低，但有效燃油消耗率得到明显改善.

2.2 Atkinson循环发动机部分负荷特性

where Tc(hkl) is the texture coefficient of the (hkl) plane,I(hkl) is the measured intensity from the (hkl) plane, I0(hkl) is JCPDS standard intensity of the (hkl) plane, and N is the number of diffraction peaks.

车用汽油机常用转速范围为2 000～3 000 r/min. 分别选取2 000,3 000 r/min时有效燃油消耗率随平均有效压力的变化曲线与原机对比，如图3所示.

在低负荷范围内，Atkinson循环发动机的油耗小于原机. 在高负荷范围内，Atkinson循环发动机与原机的油耗率基本相当.

为研究其经济性，在常用部分负荷区0.2～0.3 MPa，2 000～3 000 r/min范围内，选取工况点2 000 r/min，0.2 MPa；3 000 r/min，0.3 MPa与原机对比. 进气歧管压力数据由进气歧管压力传感器测得，其安装于缸压传感器所在缸的进气歧管上.

在2 000 r/min，0.2 MPa与3 000 r/min，0.3 MPa工况点处，原机与Atkinson循环发动机经济性对比如图4所示. 在图4(a)中，Atkinson循环发动机扭矩Tq略微下降，但下降并不明显. 但是有效燃油消耗率ηbe在2 000 r/min，0.2 MPa与3 000 r/min，0.3 MPa处，大幅度下降. 其中2 000 r/min，0.2 MPa时相比于原机ηbe降低了9%，3 000 r/min，0.3 MPa时降低了7.5%.

由于泵气损失是造成Otto循环发动机低负荷工况运转时燃油消耗率高的主要原因之一. 图4(b)为发动机2 000 r/min和3 000 r/min的平均泵气损失压力. 由图4(a)中可以看出，Atkinson循环发动机相比于原机的泵气损失明显减小. 此时泵气损失减小，燃油消耗率降低.

为进一步了解泵气损失的变化，将分析缸内压力与进气歧管压力的变化. 进气压力由位于进气歧管上的压力传感器测得，2 000 r/min，0.2 MPa时，Atkinson循环发动机与原机的缸内压力曲线对比如图5所示.

尽管采用了高压缩比活塞，在2 000 r/min，0.2 MPa时，原机的Pmax仍高于Atkinson循环发动机. 相比于原机，Atkinson循环发动机的Pmax出现角度变大. 在进气迟闭角范围内，原机的缸内压力约为0.04 MPa高于Atkinson循环发动机.

图7为3 000 r/min，0.3 MPa时，Atkinson循环发动机与原机的缸内压力曲线对比图. 在转速升高，负荷增大的情况下，Atkinson循环发动机的Pmax高于原机，且Pmax出现角度提前. 在进气门开启范围内，Atkinson循环发动机缸内压力约为0.065 MPa，高于原机.

图8为3 000 r/min，0.3 MPa时，进气歧管压力对比. 此时Atkinson循环发动机的进气歧管压力仍高于原机的进气歧管压力，但幅度较小约为0.01～0.015 MPa. 同时与原机相比，由于推迟了进气门开启角度，进气门开启后出现一个急速的压力下降过程，压力最小值出现在进气上止点后80°CA附近，压力最大值出现在进气下止点前27°CA附近. 与图7中缸内压力结合分析，在进气迟闭角内，Atkinson循环发动机进气压力高于原机进气压力，同时Atkinson循环发动机的缸内压力高于原机的缸内压力. 此时进气压力与缸内压力虽然仍有压差，但无2 000 r/min，0.2 MPa时明显，故此时泵气损失虽然降低，但降低幅度减少. 故在低转速，低负荷下Atkinson循环发动机的泵气损失减小.

2.3 常用工况点排放特性

Atkinson循环中HC排放恶化，如图9所示. 在2 000 r/min，0.2 MPa与3 000 r/min，0.3 MPa时，HC排放分别增加23.7%与26.0%. 由于采用了高压缩比活塞，使得气缸容积变小，面容比增加，HC排放恶化.

由图9可知，相比于原机，采用Atkinson循环后，NOx排放明显减少. 在2 000 r/min，0.2 MPa及3 000 r/min，0.3 MPa下，NOx排放分别降低65.0%与31.5%. 由于采用Atkinson循环后，缸内燃烧变慢，燃烧持续期变长，温度降低，NOx排放减少；Atkinson循环对CO排放影响较少，CO排放基本维持不变.

2.4 全工况燃油经济性分析

采用Atkinson循环后，在全工况范围内燃油经济性发生变化. 图10 为Atkinson循环发动机与原机的万有特性对比图. 图中实线代表原机Otto循环，其有效燃油效率标注下划线，虚线代表Atkinson循环.

原机的最低油耗区分布在2 000～3 500 r/min，最低油耗区的最低燃油消耗率等值线为250 g/(kW·h)，在2 800 r/min时最低油耗区的扭矩约为93～132 N·m，随转速上升最低油耗区向高扭矩区域移动. 由图10中可以看出Atkinson循环如果以240等值线为界限，最低油耗区分布在2 600～3 200 r/min，如果仍以250等值线划分，则最低油耗区范围大大增加，分布在1 600～3 600 r/min范围内. 在3 000 r/min时的最低油耗区域扭矩约为80～112 N·m，相对原机型，低油耗区面积增加.

3 结 论

Atkinson循环发动机具有高效循环、降低泵气损失的优势.

Atkinson循环发动机与原机相比，动力性能在中、低转速下外特性扭矩降低5%～10%，在高转速时外特性扭矩与原机基本相同. 在2 000 r/min，0.2 MPa与3 000 r/min，0.3 MPa时扭矩基本不变.

Atkinson循环发动机同原机相比大幅降低了油耗. 在万有特性时，最低燃油消耗率235.5 g/(kW·h)，原机为242.25 g/(kW·h)；在2 000 r/min，0.2 MPa；3 000 r/min，0.3 MPa时有效燃油消耗率为350.7 g/(kW·h)，原机的有效燃油消耗率为376.0 g/(kW·h)时有效燃油消耗率为302.5 g/(kW·h)，原机的为327.5 g/(kW·h),与原机相比，Atkinson循环发动机最低油耗区范围增加.

NOx排放降低65.0%与31.5%，HC排放增加23.7%与26.0%，CO基本无变化.

[1] Koichiro Mum， Makoto Yamazaki, Junji Tokieda. Development of new-generation hybrid system THS II—Drastic improvement of power performance and fuel economy，SAE Paper，2004-01-0064[R]. Detroit, USA: SAE， 2004.

[2] Zhao Yingru， Chen Jincan. Performance analysis and parametric optimum Criteria of anirreversible Atkinson heat-engine[J]. Applied Energy, 2006(83):789-800.

[3] 田永祥，杜爱民，陈礼璠.混合动力汽车用Atkinson循环发动机的探讨[J].汽车科技，2007(7):31-34.

Tian Yongxiang， Du Aimin， Chen Lifan. Discussion of Atkinson cycle engine in hybrid vehicle[J]. Auto Mobile Science & Technology， 2007(7):31-34. (in Chinese)

[4] 王长园，刘福水，孙柏刚.长安475Q混合动力发动机的仿真开发[J].汽车工程，2011，33(4)：294-297.

Wang Changyuan， Liu Fushui， Sun Baigang. Development of CA475Q hybrid electric vehicle engine by simulation[J]. Automotive Engineering， 2011，33(4)：294-297. (in Chinese)

[5] Liu Fushui， Sun Baigang， Zhu Huarong. Development of performance and combustion system of Atkinson cycle internal combustion engine[J]. Science China (Technological Sciences), 2014(3):471-479.

[6] Zhao Jinxing， Xu Min， Li Mian， et al. Design and optimization of an Atkinson cycle engine with the artificial neural network method[J]. Applied Energy， 2012，92：492-502.

(责任编辑：孙竹凤)

Experimental Study on Economy and Emission of Atkinson Internal Combustion Engine

SUN Bai-gang1，2，TANG Hong-yang1，CHEN Yu-hang1，XIE Cheng1，FAN Ying-jie1

(1.School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China;2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing，Beijing 100081， China)

To explore the economy and emission characteristics of Atkinson cycle internal combustion engine, a test was carried out for an Atkinson cycle internal combustion engine with a high compression ratio at the wide open throttle condition and the engine operating point commonly used. The test results show that, while torque outputs reduce by 5%, the brake specific fuel consumption (BSFC) was decreased by 5%～8%. When the engine was fixed at 2 000 r/min，0.2 MPa and 3 000 r/min，0.3 MPa, the PMEP was decreased by 34% and 24%, the BSFC was decreased by 9% and 7.5%. The lower the load, the more obviously the PMEP decreases. For the emission characteristics, NOxwas decreased by 65% and 31.5%，HC was increased by 23% and 27%.

hybrid power; Atkinson cycle; pumping mean effective pressure (PMEP); brake specific fuel consumption(BSFC); NOx

2015-06-19

国家自然科学基金资助项目(51276019；2013DFR70170)

孙柏刚(1969—)，男，教授， E-mail: sunbg@bit.edu.cn.

TK 147

A

1001-0645(2016)09-0905-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.09.005