基于AVL-BOOST的米勒循环发动机性能分析研究

渠肖楠，魏胜利，宋志磊

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013)

0 引言

为应对能源危机和日益严格的法规要求，改善汽油机燃油经济性变得越来越重要[1-2]。在发动机开发中，提高热效率变得极为重要，在纯电动汽车电池技术还不成熟的今天，混合动力是一个很好的解决方案，不仅可以提高内燃机的热效率，而且更加环保，在中国得到充分重视和发展[3-5]。

当前，传统汽油机热效率约为36 %，混合动力汽车发动机热效率则高达40 %以上[2，6]，混合动力汽车采用的发动机普遍是米勒循环而非奥托循环发动机。首先是因为与传统汽车相比，混合动力发动机总是工作在最佳工况，可以有效降低燃油消耗率。其次，对于传统奥托循环发动机，在汽车大部分行驶工况时节气门处于非全开状态，这就形成了进气节流。除此之外，当活塞下行时进气歧管和曲轴箱的压差会对活塞运动产生阻力，因此奥托循环发动机存在较大泵气损失[7-9]。

LUISI等[10]针对LIVC(late intake valve closing)米勒循环发动机在大负荷工况采用涡轮增压技术，其理论热效率提高20 %。KAWAMOTO等[11]研究表明在城市典型工况，高压缩比汽油机在使用米勒循环后油耗降低8.5 %，发动机爆震显著降低，并且在加入中冷EGR后油燃油消耗率耗再降低1.7 %，最低燃油消耗率工况区域呈扩大趋势。天津大学的徐玉梁等[12]对一台2.0 L进气门晚关米勒循环发动机进行研究，实验结果表明，高压缩比米勒循环发动机最低燃油消耗率比原机降低了10.4 g/(kW·h)，并且最佳燃油消耗率经济区域向低转速，小负荷扩大。清华大学的王建昕等[13]在一台缸内直喷汽油机上进行了中小负荷下的稀释燃烧实验，研究发现废气稀释和空气稀释相结合可以使发动机油燃油消耗率降低4 %～6 %。长城汽车[14]通过对比研究不同压缩比对汽油发动机性能的影响发现适当提高压缩比有利于改善发动机燃油经济性，但过高的压缩比会引起发动机剧烈爆震，影响发动机动力性能。从以上研究可以看出，在混合动力汽车上应用米勒循环、中冷EGR技术、高压缩比，能对提高热效率等性能起到重要作用。

为此，本研究基于一台1.6T发动机，设计了四组LIVC进气凸轮工作转角和高压缩比活塞，通过模拟计算着重对比分析了不同进气门关闭时刻对进气过程、缸内压力和温度等参数的影响，同时探究了气门正时、压缩比和EGR率对米勒循环发动机性能的影响。

1 模型建立与分析方法

1.1 研究对象及模型验证

以一台奥托循环发动机为研究对象，其基本参数如表1所示。

图1 发动机仿真模型Fig.1 Engine simulation model

表1 发动机基本参数Tab.1 Engine Characters

图1为利用AVL-BOOST软件建立的涡轮增压发动机仿真模型，该仿真计算中发动机缸内燃烧模型采用韦伯(Vibe)燃烧模型，缸内传热模型采用经典的Woschni模型。利用发动机台架试验数据对模拟结果进行标定，原机外特性工况仿真计算的扭矩、燃油消耗率与试验结果的对比如图2、图3 所示，可以看出模拟与试验结果误差均在5 %以内，表明模型精度能满足计算要求。

图2 试验与模拟转矩对比
Fig.2 Comparison between simulation and experimental results of the torque

图3 试验与模拟燃油消耗率对比
Fig.3 Comparison between simulation and experimental results of the fuel consumption

发动机真实的放热特征可以使用韦伯函数(Vibe)来近似描述：

(1)

(2)

(3)

式中：Q为每循环缸内燃料燃烧所释放出的总热量；α为曲轴转角；αo为燃烧开始时刻对应的曲轴转角；Δαo为燃烧持续期；m为形状参数；a为完全燃烧的Vibe参数，a=6.9。

对上式Vibe函数进行积分，得到从燃烧开始时刻起至某一时刻所烧掉的燃油质量分数，即已燃燃料质量分数x如方程(4)所式：

(4)

1.2 模拟方法

图4 不同的进气凸轮工作转角下的气门升程 Fig.4 Valve lift in different intake cam angles

实现米勒循环的重点在于对进气门关闭时刻(LIVC)的调整，LIVC控制策略需要推迟进气门的关闭[15-16]。本研究保持进气门最大升程不变，对进气持续期和气门关闭时刻进行调整。图,4为原机和改进后的米勒循环发动机进气门升程曲线，原奥托循环发动机进气凸轮工作转角为250°CA，现设计米勒循环发动机进气凸轮工作转角为260°CA、270°CA、280°CA和290°CA，然后对进气门关闭时刻每推迟10°CA进行一次模拟计算。有关研究表明排气门的升程曲线对米勒循环的影响不大，故后续仿真过程中保持排气门的升程曲线不变[17]。

2 结果讨论与分析

2.1 不同进气门持续期下缸内温度及压力对比

根据设计的四种进气凸轮型线，在仿真软件中分别进行模拟计算。图5和图6分别为发动机2 000 r/min、外特性工况，不同进气凸轮工作转角对缸内压力和温度的影响。

图5 不同进气凸轮工作转角下的缸内压力对比
Fig.5 Comparison of in-cylinder pressure under different intake cam angles

图6 不同进气凸轮工作转角下的缸内温度对比
Fig.6 Comparison of in-cylinder temperature under different intake cam angles

图5中可以看出随着进气凸轮工作转角的增大，缸内最大压力逐渐降低。这主要是由于进气凸轮工作转角增大，进气门关闭时刻推迟，活塞由下止点向上运动的压缩行程中进气门并未关闭，导致发动机有效压缩行程变短，引起缸内部分进气流倒流至进气管，因此实际压缩充量降低，从而缸内燃烧压力降低。对于压力的变化，经历膨胀降压后，计算时保持进气总量不变，根据气体状态守恒方程，温度越低，压力也越低。290°CA凸轮工作转角的缸内最大压力比260°CA凸轮工作转角降低了3.5 MPa，汽油机的机械负荷下降，有利于汽油机运行的可靠性，也为进一步增压提供条件。

图6可以看出不同进气凸轮工作转角下缸内温度的变化趋势基本一致，随着进气凸轮工作转角的增大，缸内最大温度降低。对于温度的变化，缸内的工质随活塞的上行部分进气回流，经历的是膨胀降温降压过程，然后再进行压缩。推迟关闭的角度越大，膨胀过程就越长，温度也越低。压缩时缸内平均温度从260°CA凸轮工作转角到290°CA凸轮工作转角逐渐降低，290°CA凸轮工作转角方案的缸内最大温度比260°CA凸轮工作转角方案降低了约370 K，进气凸轮工作转角每推迟10°CA，不同进气门关闭时刻的缸内最大温度约降低120 K，缸内最大温度的降低有利于抑制NOx的生成，改善发动机的排放性能[18]，这是因为随着进气凸轮工作转角的增大，进气门关闭时刻推迟，米勒循环的有效压缩比也会变低，使得缸内最大温度均低于原机，这正是米勒循环所要达到的效果。

2.2 压缩比对发动机性能的影响分析

由于在米勒循环中推迟进气门关闭时刻，导致部分进气倒流使发动机的实际有效压缩比降低，可以有效地避免发动机爆震等不正常燃烧现象，因此可以增大发动机的几何压缩比。尤其在部分负荷工况下，适当增大汽油机的压缩比，可以有效提高其经济性能[19]。米勒循环发动机由于其膨胀比大于实际有效压缩比的特点，结合高压缩比，相比传统奥托循环发动机具有更高的热效率。增大压缩比能够提高发动机的热效率，降低燃油消耗率，但是在实际过程中不断的增大压缩比，会导致发动机爆震，为了抑制爆震就会推迟点火提前角，这样就会导致燃烧恶化，发动机热效率降低，同时燃油消耗率也会增大。

为探究压缩比对米勒循环发动机性能的影响，保持进气凸轮型线不变，本研究以270°CA凸轮工作转角为例进行分析研究，通过重新设计活塞结构，选取发动机压缩比12、12.5和13进行仿真计算。为防止有效压缩比过大导致发动机爆震，适当调节点火提前角，同时调节配气相位，以防止进气门晚关角度过大，气门重叠角过小，导致进气过程中气门晚开，出现活塞泵吸损失。

米勒循环由于采用进气门晚关控制进入发动机的进气质量流量的变化，从而控制和调节发动机的负荷变化，因此理论上可以取消节气门，降低泵气损失。图7为2 000 r/min、外特性工况，不同进气门关闭时刻下压缩比对发动机泵气损失的影响，从图7中可以看出随着进气门晚关时刻的增大，泵气损失也逐渐减低，并且压缩比越大泵气损失也越小。

图8为发动机2 000 r/min、外特性工况，不同进气门关闭时刻下三种压缩比对燃油消耗率的影响，从图8中可以看出，压缩比增大燃油消耗率越低，并且随着进气门关闭时刻的推迟，泵气损失呈逐渐减少的趋势。而燃油消耗率则先降低后增加，这主要是因为米勒循环采用的是进气门晚关使得进气充量回流，缸内新鲜充量变少，新鲜充量变少意味着缸内氧气变少，氧气的变少必然影响发动机的动力性。为了不让米勒循环发动机因进气门推迟而对动力性产生较大影响，通过控制进气门的关闭时刻可以实现对发动机负荷大小的控制。但是进气门关闭时刻过于推迟会使得发动机缸内充量过于减少，这样会使得缸内油气混合不均匀，影响缸内燃烧的稳定性。随着气门关闭时刻的过于推迟，不稳定燃烧对燃油消耗率的影响在一定程度上削弱了由于泵气损失降低带来的燃油消耗率减少，因此发动机燃油消耗率在降低后进而会出现逐渐增加的趋势。适当推迟进气门关闭时刻，且增大压缩比从经验公式上而言也能增大发动机的指示热效率。但是在实际台架标定时，需严格监视发动机爆震的可能性。

图7 不同进气门关闭时刻下压缩比对泵气损失的影响
Fig.7 Effects of compression ratio on pump loss under different intake valve close timing

图8 不同进气门关闭时刻下压缩比对燃油消耗率的影响
Fig.8 Effects of compression ratio on fuel consumption under different intake valve close timing

2.3 进气过程分析

由于奥托循环采用节气门控制发动机的负荷，存在有很大的节流损失，而米勒循环通过控制进气门的关闭时间将部分缸内进气排出，因此可以取消节气门通过进气门关闭时刻控制发动机的负荷。图9为发动机转速2 000 r/min，平均有效压力为1.2 MPa工况下进气质量流量的对比。从图9中可以看出在进气门开启后奥托循环和米勒循环均存在进气倒流，但米勒循环倒流量较小，这主要是由于取消节气门后，气缸内和进气管压差降低，进气倒流降低，而奥托循环中节气门前和气缸内则存在较大的压差。活塞从进气下止点继续向上运动，由于凸轮工作转角增大，进气门关闭时刻推迟，所以米勒循环中活塞将一部分进气推出气缸之外，而气缸内保留该负荷工况下所需的进气量。

图10为该工况下进气歧管的压力变化曲线。从图10中可以看出奥托循环的进气歧管压力平均约为0.138 MPa，而米勒循环的进气歧管压力平均大约为0.15 MPa，明显高于奥托循环的进气压力。这主要是由于米勒循环取消了节气门控制，进一步降低了进气管的节流损失，提高了进气歧管的进气压力，从而相比奥托循环能够降低发动机的泵气损失。

图9 米勒循环和奥托循环的进气流量对比
Fig.9 Comparison of the intake mass flow between Miller cycle and Otto cycle

图10 米勒循环和奥托循环的进气歧管压力对比
Fig.10 Comparison of the manifold pressure between Miller cycle and Otto cycle

2.4 EGR对米勒循环发动机性能的影响

2.4.1 EGR对燃油消耗率的影响

图11 EGR率对米勒循环发动机燃油消耗率的影响 Fig.11 Effect of EGR rate on fuel consumption of the Miller engine

由上文研究结果，以进气凸轮工作转角270°CA，发动机压缩比13为例，探究采用EGR技术对米勒循环发动机性能的影响。本研究采用的是外部中冷EGR，工况选取发动机中等负荷，发动机转速2 000 r/min，平均有效压力为1.2 MPa进行仿真计算。图11为不同EGR率下该工况发动机的燃油消耗率的变化曲线，从图11中可以看出随着EGR率的增大，燃油消耗率也逐渐增大。这是由于随着缸内废气量的增大，发动机燃烧不充分，为维持相应负荷需增加发动机的喷油量，因此燃油消耗率会增加。由仿真计算结果可以看出在发动机中等负荷时EGR率不易过大，此外，在发动机较低负荷，为了保证燃烧稳定性，不宜采用EGR，在高负荷时，为了追求动性，也不宜采用EGR。

2.4.2 EGR对燃烧过程的影响

图12和图13为不同EGR率对最大缸压和对应的曲轴转角的影响，从图12和图13中可以看出随着EGR率的增大，发动机燃烧过程中最大缸压降低，最大缸压对应的曲轴转角在上止点后增大，燃烧重心逐渐向后推迟。这是由于随着EGR率的增加，进气过程中进入缸内的混合气里废气的浓度增大，废气浓度增大对发动机火焰传播过程的阻碍作用加强，火焰传播速度变缓，滞燃期增长，燃烧持续期增长，燃烧重心位置后移，最大缸压降低。燃烧重心的后移还会导致发动机排气温度的增加，因此发动机需采用合理的EGR率。

图12 EGR率对米勒循环发动机最大缸压的影响
Fig.12 Effect of EGR rate on Miller engine in-cylinder peak pressure

图13 EGR率对最大缸压对应曲轴转角的影响
Fig.13 Effect of EGR rate on Miller engine crank angle under peak pressure

3 结论

通过建立发动机一维热力学模型，对比分析了米勒循环和奥托循环对发动机缸内燃烧压力和温度、进气流量和进气歧管压力的影响，并研究了不同进气门关闭时刻、压缩比、EGR率对汽油机泵气损失、燃油消耗率、缸内燃烧特性的影响规律，得到以下结论：

① 对不同进气门关闭时刻下缸内温度压力对比发现，290 °CA进气凸轮工作转角的缸内最大压力比260 °CA进气凸轮工作转角降低了3.5 MPa。缸内平均温度从260 °CA凸轮工作转角到290 °CA凸轮工作转角逐渐降低，290 °CA凸轮工作转角方案在喷油时刻的缸内平均温度比260 °CA凸轮工作转角降低了约370 K，进气门关闭角度每推迟10 °CA，不同进气门关闭时刻的缸内最大温度约降低120 K，这正是米勒循环所要达到的效果。

② 在发动机转速2 000 r/min，外特性工况下，选取270 °CA凸轮工作转角为例，对比分析了12、12.5和13三种压缩比对燃油消耗率的影响，发现随着进气门关闭时刻的推迟，泵气损失逐渐降低，但是燃油消耗率先降低后升高。同一进气门关闭时刻，在压缩比为13时，发动机燃油消耗率最低为253.1 g/(kW·h)。在发动机2 000 r/min、1.2 MPa工况下，进气末期米勒循环进气量倒流明显增大，取消节气门控制发动机负荷，米勒循环的进气歧管平均压力比奥托循环的进气压力增大。

③ 对米勒循环发动机(270 °CA凸轮工作转角、压缩比13)加装EGR后，在发动机转速2 000 r/min，平均有效压力为1.2 MPa工况下，选取EGR率5 %、10 %、15 %和20 %用于研究。随着EGR率的增加，燃烧重心逐渐后移，同时，缸内最大压力降低，对应的曲轴转角也在点火上止点后逐渐后移。