米勒循环对汽油机性能的影响

任全水，吴宁，孙程龙，洪方明，袁爽

米勒循环对汽油机性能的影响

任全水1,2，吴宁1，孙程龙1，洪方明1，袁爽1

（1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336；2.浙江吉利动力总成有限公司，浙江 宁波 315800）

随着我国汽车保有量的增加，能源问题和环境问题对传统内燃机的发展提出巨大挑战，米勒循环发动机以其特有的工作原理，能够明显提高发动机的热效率，改善发动机的燃油消耗，满足日益严格的油耗法规。文章对米勒循环汽油机的工作原理进行了分析，并通过试验验证了米勒循环对汽油机油耗率的影响，为米勒循环在汽油机上的应用提供参考。

米勒循环；汽油机；油耗率

引言

随着我国汽车工业的蓬勃发展，汽车已走进千家万户，成为现代生活标配之一，我国乘用车保有量趋势图如图1所示[1]。持续增长的汽车保有量也给社会带来了较大的环境和能源问题，为了控制国内最大移动污染源的排放和能耗，相关法规也越来越严格，国内乘用车CAFC限值（企业平均油耗）如图2所示[2]。同时随着环境问题对人们生活影响的不断加剧，公众的环保意识也不断加强，消费者也更倾向选择更加环保节能的汽车。因此各汽车制造企业都将提高汽车的经济性作为重要研究方向之一[3]。

汽油机目前是国内乘用车主要搭载动力，提高汽油机经济性的方案有很多种，其中米勒循环技术国外汽车企业都进行了比较深入的研究，而国内相关企业大多还处于起步阶段[4]。

1 米勒循环

传统四冲程汽油机的工作形式是奥托循环，其活塞的压缩冲程和膨胀做功行程基本一致[5]，进排气门在上止点（TDC）和下止点(BDC)附近开启和关闭，如图3所示。实际运行中的汽油机，尤其是增压汽油机，其膨胀做功冲程结束时，缸内依然具有较高的压力，而这部分能量没有得到的很好的利用[6]。

图1 国内乘用车千人保有量趋势

图2 国内乘用车千CAFC值指标

图3 四冲程汽油机配气相位图示

由内燃机的工作原理可知，如果膨胀做功行程大于压缩行程，燃烧产生的能量就可以得到更多的利用，发动机的热效率就可以得到提高，从而降低发动机的燃油消耗率，这种膨胀比大于压缩比的热力循环称为过膨胀循环[7]。

十九世纪英国科学家詹姆斯·阿特金森通过一套复杂的连杆机构实现了发动机膨胀做功冲程大于压缩冲程[8]，如图4所示，由于该机构过于复杂，在实际应用中并未明显改善发动机的油耗率。二十世纪美国科学家Ralph Miller在传统汽油机的进气与压缩冲程之间增加了一个减压的行程[9]，从而提高发动机的膨胀比，降低发动机的油耗率，该设计方案的缺点是流失的部分混合气对发动机的功率输出产生较大的损失。

现代成熟的过膨胀循环是通过进气门的延迟关闭或者提前关闭，以减小活塞的有效压缩行程实现过膨胀循环，通常将这种实现方案统称为“米勒循环”，米勒和奥托热力循环p-v图示如图5所示。

图4 阿特金森的过膨胀循环发动机设计示意图

图5 奥托循环和米勒循环的热力循环对比

由图5可以得到，奥托循环（1-2-3-4）的热效率明显低于米勒循环（1-2-3-4-5-6），同时由于米勒循环汽油机有效压缩比的降低，其爆震倾向随之减弱，可以进一步提高几何压缩比来提升其热效率。但是由于米勒循环自身的结构问题，其较低的充气效率决定其能量密度低于奥托循环发动机[10]，也就是说相同排量的奥托循环发动机最大输出功率高于米勒循环发动机。

2 米勒循环对油耗率的影响

了弥补与国外先进车企的差距，提高自主汽车发动机的核心竞争力，国内自主汽车企业和汽车工程师不断的进行发动机降油耗技术的开发研究。本试验所用发动机为某自主车企自主研发的四缸增压汽油发动机，采用减小进气凸轮轴包角和降低进气凸轮轴升程的设计以实现米勒循环，同时提高其几何压缩比，以提高发动机的热效率，降低燃油消耗率。凸轮轴和几何压缩比的主要变化如表1所示，米勒发动机进排气凸轮轴型线方案如图6所示。

表1 米勒循环发动机主要参数区别

乘用车实际常用工况为低速小负荷，常运行转速为2000r/min左右，因此降低汽油机低速小负荷的燃油经济性对降低整车油耗至关重要，在汽油机的的开发中，2000r/ min-2bar的工况点常作为重要的一个特征油耗点进行对比，该工况点的油耗优劣一定程度上反应该发动机的燃油消耗水平。

3 试验结果

本试验在公司内部试验台架进行，台架设备维护和保养情况满足要求，所用传感器精度和数据处理均满足GB/T 18297-2001要求，台架所用电力测功机、油耗仪、控制系统等均为AVL公司生产。

由于进排气凸轮轴型线发生变化，所以在米勒发动机的开发中，对其进排气VVT选择重新进行扫点，其选点原则为小负荷(非爆震影响区域)选择充气效率和点火效率最高的进排气VVT组合，外特性兼顾早燃和爆震选择扭矩最大的进排气VVT组合，本文仅介绍米勒发动机的2000r/min-2bar油耗结果。表2为米勒发动机2000r/min-2bar进排气VVT油耗扫描结果（以传统奥托循环2000r/min-2bar最佳进排气VVT的燃油消耗率为基准，进行比值），其中红色区域为IMEP COV超限值区域，主要是由于进排气重叠角过大，EGR率过高，引起缸内燃烧不稳定产生。

表2 米勒循环发动机2000r/min-2bar油耗结果(%)

由表2可以得到，与传统奥托循环汽油机相比，米勒循环汽油机2000r/min-2bar特征油耗点最低燃油消耗率改善了3%，说明使用米勒循环同时加大几何压缩比的方案，可以明显改善传统奥托循环汽油机低速小负荷的燃油消耗率，降低整车油耗。

4 结论

通过试验可以得到：使用米勒循环同时加大几何压缩比的汽油发动机，2000r/min-2bar特征油耗点的燃油消耗率明显优于传统汽油发动机。

由于采用米勒循环之后，相同排量的汽油发动机扭矩和功率有所降低，必然会影响到整车驾驶舒适性，因此在传统汽车上制约了米勒循环发动机的使用。随着国家排放和油耗法规的越来的严格，混合动力汽车得到了广泛的发展和社会认可，在混合动力汽车上，米勒循环发动机能够更好的发挥其优势，避免其劣势。因此可以猜测，随着混合动力汽车的发展，米勒循环发动机必将得到进一步的发展。

[1] 中华人民共和国环境保护部. 2015 年中国机动车污染防治年报.http://wfs.mep.gov.cn/dq/jdc/zh/201601/P020160115523794855203.pdf, 2016.

[2] 乘用车燃料消耗量第四阶段标准解读,工信部,http://www.miit. gov.cn, 2015-01-26.

[3] 王建昕,王志.高效清洁车用汽油及燃烧的研究进展[J].汽车安全与节能学报. 2010.

[4] 周仁杰.米勒循环在传统汽油机上的应用研究[D].天津大学,硕士学位论文, 2016.

[5] Heywood J.B,“Internal Combustion Engine Fundamentals”, Mc -Graw-Hill Book Co, ISBN 0-07-100499-8, 1988.

[6] 秦静,李云龙,张少哲等.进气门晚关与高压缩比技术在汽油机上的应用[J].天津大学学报,2014,47(11):1008-1016.

[7] Martins J.J.G, Uzuneanu K., Ribeiro B.S and Jasasky O.“Thermod -ynamic Analysis of an Over-Expanded Engine”, SAE Technical Paper 2004-01-0617.

[8] Atkinson J., “Gas-Engine”, U.S. Patent 367496, Aug.1887.

[9] Miller R., “Supercharged engine”, U.S. Patent US2817322 A,Dec. 1957.

[10] 姜峰,李明海,王娟.两种米勒循环对机车柴油机性能的计算分析与研究[J].内燃机工程.

Effects of Miller Cycle on Performance of Gasoline Engine

Ren Quanshui1,2, Wu Ning1, Sun Chenglong1, Hong Fangming1, Yuan Shuang1

( 1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336;2.Zhejiang Geely Powertrain Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315800 )

As the increase of vehicles in China, energy problems and environmental problems pose great challenges to the development of traditional internal combustion engines. The Miller cycle engines, with their unique working principles, can significantly improve the thermal efficiency of the engine, reduce the fuel consumption of the engine, and meet increasingly stringent fuel economy regulations requirement. This paper analyzes the working principal of Miller cycle engine, and verifies the effects of Miller cycle on engine performance by experiment, which provides reference for application of Miller cycle on the gasoline engine.

Miller cycle; Gasoline engine; Fuel consumption

TK41

A

1671-7988(2019)24-87-03

TK41

A

1671-7988(2019)24-87-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.029

任全水（1987-），男，工程师，硕士研究生，就职于宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，研究方向：内燃机性能开发。