排气早开角对低散热Atkinson循环汽油机能量分配的影响

刘阳，何义团，韩翠杰，袁晨恒

(重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074)

传统汽油机的缸内工作过程接近奥托(Otto)循环，现在的汽油机虽然大都配有先进的技术，但其热效率仍较低，能量分配不理想——有效功、散热损失、排气能量各约占1/3[1]。阿特金森(Atkinson)循环通过可变配气正时技术，使发动机实际压缩比小于膨胀比，即一方面可使发动机做功行程相对变长，另一方面可以增大几何压缩比来提高发动机的热效率，同时还能减小爆燃倾向[2]。Atkinson 循环在混合动力和传统发动机汽车上已得到较为广泛的研究[3-6]。低散热发动机通过在活塞顶面、气缸盖、缸套等处喷涂隔热材料以降低发动机工作时的散热能量，从而提高发动机热效率[7]。因此，一直有学者通过试验或仿真对低散热发动机缸内的油气混合、燃烧、传热等性能进行研究与讨论[8-10]。

低散热汽油机的散热损失较少，若与做功行程相对较长的Atkinson循环结合，具有提高汽油机热效率、优化汽油机能量分配特性的潜力。排气早开角(θEVO)对发动机的膨胀损失和泵气损失影响较大，本研究基于某增压汽油机的结构参数，建立一维仿真模型，增大进气晚关角实现Atkinson循环，设计多组凸轮型线以获得多组排气早开角，改变传热条件以实现缸内的低散热，探究不同θEVO对低散热Atkinson循环增压汽油机能量分配的影响。

1 模型的建立与验证

某4缸增压汽油机的结构参数见表1。

表1 发动机主要技术参数

利用GT-Power建立的整机仿真模型见图1，主要包括进排气系统、喷油器、气缸、进排气门、曲轴箱、增压器等部分。模型中采用SI Wiebe 燃烧模型和WoschniGT传热模型。用外特性试验对模型进行验证(见图2)，仿真计算得到的扭矩和功率与试验值的误差均在4%以内，说明模型具有较高可靠性。

图1 原机仿真模型

图2 全负荷工况下试验值与仿真值的对比

为研究低散热Atkinson循环增压汽油机的能量分配规律，对建立的原机模型进行一些修改： 1)在保证配气机构运动平稳的前提下，重新设计包角更大的进气凸轮，以实现Atkinson循环； 2)保证排气晚关角不变，设计多组排气凸轮，得到不同θEVO的排气门升程曲线；3)改变传热模型中的对流传热系数，实现缸内低散热的条件(原机模型的对流传热系数为1.2，低散热条件下该系数设置为0.4)。

2 气门升程曲线的优化设计

与传统Otto循环汽油机工作方式不同，Atkinson循环汽油机不需要利用节气门控制进气量，而是通过进气晚关角(θIVC)来控制负荷，因此，Atkinson循环汽油机在部分负荷工况时可以减少节流损失。由于小轿车在实际的运行过程中大多时候处于中低转速、中低负荷工况，所以本研究选择在1 500 r/min，40%负荷工况下设计进排气门升程曲线。

利用GT-ISE中的VT-Design设计合适的进气凸轮型线以匹配所选工况，设计多组排气凸轮型线以得到不同θEVO的排气门升程曲线，通过运动学、准动力学分析得出相应的气门升程曲线并检验气门工作的可靠性。

2.1 凸轮型线的设计方法

选择组合高次多项式的方法进行凸轮型线的设计，组合方式是将凸轮工作段分为多个区域，包括缓冲段、加速段、匀速段、减速段等；而选择高次多项式的方法设计凸轮型线的原因是，高阶连续的曲线能更好地限制凸轮型线的加速度和跃度，保证配气机构工作的可靠性。但如果幂指数的次数过大，则会使凸轮的丰满系数、最小曲率半径减小，气门的最大速度、最大加速度增大，这都不利于配气机构的稳定工作[11]。综合考虑凸轮的丰满系数、良好的运动规律以及配气机构的工作可靠性，本研究选择五次多项式。

2.2 进气凸轮型线的设计

为了避免气门与活塞发生运动干涉，在设计进气凸轮型线时要保证气门的最大升程与原机一致。在此基础上，保持进气早开角不变，进一步根据负荷工况确定θIVC。在原机模型上，计算得到1 500 r/min，40%负荷工况的进气量，以此为目标，标定Atkinson循环汽油机模型的θIVC为进气下止点后100°。经计算分析，进气凸轮、气门的升程、速度、加速度曲线都比较平滑，无明显波动，表明进气凸轮和气门运动平稳。凸轮跃度的最大值为285.1 mm/rad3，满足最大跃度不能超过1 000 mm/rad3的设计要求[12]。原机气门余隙为0.1 mm，对应此处的气门丰满系数为0.524，能保证良好的进气特性。此外，经准动力学分析，气门落座速度为0.11 m/s，落座力为447.9 N，且落座速度波动小，表明气门落座时冲击小，不易发生飞脱和反跳现象。综上可知，该设计的凸轮合理可靠。

2.3 排气凸轮型线的设计

排气凸轮型线的设计与进气凸轮一样，其最大升程为8.5 mm，排气晚关角为上止点后40°。要研究θEVO对能量分配的影响，故在设计多组凸轮型线时只需改变θEVO。设计、检验排气凸轮的步骤同设计进气凸轮时相同，最终得到9组凸轮型线，经计算得出各排气凸轮及气门的重要性能参数(见表2)，由此可证明所设计的排气凸轮合理。

表2 排气凸轮及气门的性能参数

由凸轮型线计算可得各对应的排气门升程曲线(见图3)。

图3 排气门升程曲线

3 仿真结果分析

3.1 θEVO对指示热效率(ITE)的影响

从图4可看出，在1 500 r/min，40%负荷工况下，在θEVO为20°～80°的范围内，低散热Atkinson循环增压汽油机的ITE比常规Atkinson循环增压汽油机的ITE高2%以上，原因是散热损失的能量下降，用于做功的能量增多。对于常规Atkinson循环增压汽油机而言，当θEVO在60°～70°范围内时，ITE均保持在36.35%以上，其中θEVO为60°时ITE达到最大值；而当θEVO小于60°或大于70°时，ITE都有所下降。对于低散热Atkinson循环增压汽油机而言，θEVO在50°～60°范围内时ITE均保持较高的值，当θEVO为55°时ITE达到最大值，为39.1%。

由于低散热后有更多的能量可用于做功，适当减小θEVO能够更加充分地利用低散热所增加的能量，所以其热效率最佳时所对应的θEVO要小于常规的Atkinson循环汽油机。此外，对于低散热或者常规的Atkinson循环增压汽油机，过早或过晚开启排气门都不利于提高热效率，因为θEVO过大时压缩负功较大，膨胀损失大；θEVO过小时，排气阻力较大，泵气损失较大，进而影响进气充量。

图4 不同θEVO下的指示热效率

3.2 θEVO对有效燃油消耗率(be)的影响

由图5可知，be随θEVO的变化趋势与ITE随θEVO的变化趋势相反，Atkinson循环增压汽油机低散热前后的be都随θEVO的增大呈现先减小后增大的趋势。在ITE的最佳取值范围内，由于膨胀损失和泵气损失的总和较少，即排气损失较少，所以油耗也得到改善。另一方面，低散热后，燃油经济性在θEVO为20°～80°的范围内都到了极大的改善，当θEVO为50°时，与常规Atkinson循环汽油机相比，be降低了10.2%，低至228.4 g/(kW·h)。

图5 不同θEVO下的有效燃油消耗率

3.3 θEVO对能量分配的影响

对比表3和表4，进一步分析θEVO对能量分配的影响规律。对常规的Atkinson循环增压汽油机而言，在θEVO为20°～70°的范围内，随θEVO的减小，散热损失的能量略有减少，但排气带走的能量却有所增大。因为θEVO较小时，自由排气阶段排出的废气减少，排气行程活塞上行时的排气阻力增大，推动废气所耗的能量有所增多。而在Atkinson循环增压汽油机上实现低散热之后，排气能量比例随θEVO的增大先减小后增大，相反，散热损失的能量和指示热效率随θEVO的增大呈现先增大后减小的趋势。对比表3和表4可以看出，与常规Atkinson增压汽油机相比，在低散热条件下，各θEVO对应的散热损失能量均大幅下降，下降比例为16%左右，而多出的这一部分能量虽然大多被排气带走，但仍有10%以上转化成了指示功(见图6)。在θEVO为50°和60°时，减少的散热损失能量分别有17.7%和16.7%转化为指示功，所以指示热效率在θEVO为50°～60°的范围内较高。

表3 常规Atkinson增压汽油机的能量分配

表4 低散热Atkinson增压汽油机的能量分配

图6 不同θEVO下的能量转化比例

3.4 θEVO为55°时的能量分配对比

在1 500 r/min，40%负荷，θEVO为55°的工况下，原机、Atkinson循环增压汽油机、低散热Atkinson循环增压汽油机的能量分配对比见图7。与原机相比，在采用Atkinson循环后，指示热效率提高了3.79%，这是因为原机在部分负荷时节气门会造成部分节流损失，而在Atkinson循环下工作时是利用θIVC控制负荷，降低了节流损失；而在Atkinson循环的基础上实现低散热后，虽然排气带走的能量超过了50%，但由于散热损失的能量大幅下降，使得指示热效率比原机高6.58%。由此可见，低散热技术结合Atkinson循环后，更能充分发挥Atkinson循环做功行程相对较长的优点，增强了Atkinson循环节能的效果。

图7 能量分配对比

4 结论

a) 低散热条件下，Atkinson循环增压汽油机的燃油经济性得到改善，且最佳指示热效率和有效燃油消耗率对应的θEVO有所减小；

b) 低散热条件下，Atkinson循环增压汽油机指示热效率为最大值为39.1%，最低有效燃油效率为228.4 g/(kW·h)；

c)θEVO越小，Atkinson循环增压汽油机的散热能量越小，排气能量越多；低散热条件下，Atkinson循环增压汽油机的散热损失的能量大幅下降，由此多出的能量转化为指示功的比例随θEVO的增大呈现先增大后减小的趋势；

d)θEVO为55°时，与原机相比，Atkinson循环增压汽油机的指示热效率提高了3.79%，低散热后指示热效率提高了6.58%。

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