米勒循环及低压废气再循环技术对汽油机性能的影响研究

杜 辉，江 帆，邓水根，孔凡良

(无锡沃尔福汽车技术有限公司，无锡 214000)

0 概述

目前内燃机仍是汽车的主要动力源，内燃机的石油消耗量占中国总石油消耗量的60%以上，内燃机CO2排放是CO2排放的重要来源。为实现节能减排目标，推进绿色低碳发展，中国大力发展新能源汽车，并持续推动内燃机效率的提升。2019年工信部发布了新版《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》的意见征求稿，旨在实现2025年乘用车新车平均百公里燃油消耗量降低至4 L以下。为了满足法规要求，新开发的汽油发动机将应用多种技术以提高热效率，包括涡轮增压[1]、米勒循环[2]、高压缩比[3]、废气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)[4]、余热回收[5]、可变气门升程(variable valve lift，VVL)等。

米勒循环技术通过进气门早关(短米勒循环)或晚关(长米勒循环)的方法，使压缩比与膨胀比分离[6]。由于有效压缩比减小，爆震倾向减弱，可以通过提前点火时刻来提升经济性，同时部分负荷下泵气损失也相应减少。而为了保证功率转矩，一般需要提高增压压力或适当增大几何压缩比[7-10]。从对称的角度说，短米勒循环和长米勒循环功能类似，但目前针对两种手段性能差异的研究较少。

EGR技术在柴油机上的应用已经成熟，主要用于氮氧化物(NOx)排放的控制[11-12]。EGR技术在汽油机上的应用还处于探索阶段，并且技术应用的侧重点不仅在于控制NOx排放，还在于提升经济性和降低排温[13-15]。

应用GT-Power软件，在某2.0 L涡轮增压商用车缸内直喷汽油机概念设计阶段进行了米勒循环技术和低压EGR技术的性能影响研究，分析了两种技术对性能产生影响的原理，着重对比了长短米勒循环的性能表现差异及原因，考虑了可变气门正时(variable valve timing，VVT)角度的影响，本研究对国六汽油机技术路线的选取具有一定指导意义。

1 仿真边界

研究用发动机是一款2.0 L直列4缸增压直喷汽油机。该汽油机基本参数见表1。

表1 发动机主要参数

发动机基本架构如图1所示，其中EGR从涡轮后取气，即采用低压EGR方案。

图1 发动机架构

采用GT-Power软件建立一维热力学模型，模型主要包括进排气系统模块、气缸模块、控制模块3个部分。

1.1 进排气系统模块

进排气系统模块主要包括进排气管道、空气滤清器、增压器、中冷器、进排气门、进排气道、后处理模块和EGR模块。

进排气管道模块需输入管道直径和长度，并设定自然对流边界。设定空气滤清器模块标定工况下压差为0.03 MPa，其余工况软件将根据气体流量、温度自动计算出相应压差。增压器模块通过输入实测Map表示不同工况的运行状态。设定中冷器模块标定工况压差为0.02 MPa，出口温度为55 ℃，其余工况软件可自动计算出压差和出口温度。进排气门模块需要输入气门升程曲线。进排气道模块需输入气道流量系数，并根据经验设定不同工况下的气道表面温度和传热系数。后处理模块不考虑化学反应，仅考虑流动阻力的影响，本例中其标定工况的背压为0.6 MPa。EGR模块输入目标EGR率，并设定EGR冷却器标定工况出口温度为100 ℃。

1.2 气缸模块

气缸模块包括喷油器模型、燃烧模型、传热模型和爆震模型。喷油器模型主要作用是决定燃油喷射量：根据发动机进气量，按照当量比(过量空气系数的倒数)1∶1的比例进行燃油喷射。燃烧模型采用Wiebe模型，需要定义燃烧起始点、燃烧持续期和燃烧形状参数来拟合发动机实际放热率曲线。考虑到短米勒循环和长米勒循环凸轮型线的不同及EGR率不同对燃烧的影响，还采用了修正模型进行燃烧持续期的修正。传热模型采用Woschni模型，需要根据经验定义缸盖、缸套、活塞的壁面温度。爆震模型根据缸内实时未燃气体质量分数、气缸实时容积、缸内气体温度等参数计算爆震指数。当爆震指数计算结果超过设定限值时，认为发生爆震。

1.3 控制模块

控制模块包括增压器放气阀开度控制和爆震控制两部分。放气阀开度的控制因素是目标转矩，根据设定的转矩自动调节放气阀开度，以达到转矩需求值；而爆震控制模块通过调节燃烧始点，抑制爆震的发生。

2 仿真结果及分析

2.1 短米勒循环与长米勒循环外特性性能对比

设计了两组进气门升程曲线分别实现短米勒循环与长米勒循环，如图2所示。为保证短米勒循环和长米勒循环有效压缩比一致，设计时使短米勒循环气门关闭的提前角度(1 mm升程对应角度)与长米勒循环气门关闭的推迟角度一致，即图2中红色和黑色实线所示的气门升程。由于发动机采用了VVT技术，在对比短米勒循环和长米勒循环时还将考虑VVT角度的影响。VVT角度是指短米勒循环的气门升程相对基础升程提前的相位角度，或长米勒循环的气门升程相对基础升程推迟的相位角度，其值越大表示有效压缩比越小，米勒效应越大。仿真时，设定最大可变的VVT角度为55°，如图2中红色和黑色虚线所示的气门升程对应的角度。

图2 气门升程曲线

图3展示了不同转速下，短米勒循环与长米勒循环VVT角度变化对比油耗的影响。总体来说，随着VVT角度增加，有效压缩比降低，爆震倾向减弱，点火角度提前，经济性变好。但当VVT角度过大时，由于需求的增压压力增加，也会导致增压器耗功增加，经济性恶化，甚至可能导致进气量不足,功率达不到目标需求。因此，不同转速下，无论是长米勒循环或短米勒循环，都存在最佳的VVT角度使比油耗最低。不过由于VVT可变角度范围有限，4 000 r/min、2 800 r/min短米勒循环及2 000 r/min长米勒循环未能达到最佳油耗的VVT角度。

图3 VVT角度对经济性的影响

在2 000 r/min～4 000 r/min转速范围内，短米勒循环最佳VVT角度的经济性比长米勒循环更有优势。原因主要有两方面：(1)随着转速增加，进气量增加，气流惯性也增加，长米勒循环的缸内空气无法顺利回流，米勒效应降低；而短米勒循环仍能起到降低有效压缩比的作用。由于有效压缩比降低，短米勒循环能够使用更早的点火时刻，经济性也更佳。(2)对于长米勒循环，气体先流入气缸而后又被排出，两次泵气过程会导致泵气损失增加，高转速气体流量更大，泵气损失对经济性的影响也更大。

在1 000 r/min下长米勒循环更有利。这是因为：短米勒气门升程低，在相同的功率、进气量下，短米勒循环需要更高的增压压力，这会使增压器做功增加，即泵气损失增加。

取每个转速下最佳的VVT角度，对比短米勒循环和长米勒循环的外特性性能水平，如图4所示。由于长米勒循环在中高转速米勒效应减弱，其点火角度相应靠后，因此50%放热量对应的角度(即燃烧重心，记为CA50)也靠后，这是其经济性恶化的最主要原因。相比短米勒循环，长米勒循环在2 000 r/min下经济性恶化5%，而在2 800 r/min～4 000 r/min下恶化20%，仅在转速1 000 r/min时长米勒循环略有优势。

图4 短米勒循环与长米勒循环最佳外特性性能对比

长短米勒循环的最佳VVT角度随转速变化趋势也不同。随着转速增加，短米勒循环VVT角度始终增加。这是由于转速提高，增压器能力也提高，采用大VVT角度时也能提供足够的增压压力，维持功率水平；同时大VVT角度使得有效压缩比减小，米勒效应增强，爆震倾向降低，可以使CA50提前，经济性更好。而长米勒循环在2 000 r/min时VVT角度最大。这是因为更高转速时，气流惯性增加，增加VVT角度反而使米勒效应减弱，不利于经济性。

由于CA50靠后，长米勒循环中高转速的涡前排温明显高于短米勒循环，且高于一般发动机涡前排温限值(1 200 K)。由此可见，对于本款汽油机，短米勒循环更具有优势。

2.2 低压EGR对外特性性能的影响

采用低压EGR技术的主要目的是提高经济性和降低NOx排放。由于未经标定的排放模型精度不佳，且汽油机在当量燃烧时排放控制的压力不大，本次计算不考虑低压EGR对排放的影响。

运用低压EGR时，为了保证动力性维持在目标水平，必须提高增压压力以维持新鲜空气进气量水平基本不变。选用短米勒循环，计算外特性各转速下应用不同EGR率时发动机性能的变化情况，结果如图5所示。随着EGR率增加，缸内平均温度明显降低，原因主要有两个：一方面EGR废气比热容较大，有利于降低缸内最高温度；另一方面，由于需要维持功率不变，将提升增压压力以维持新鲜空气流量基本不变，因此EGR与新鲜空气总量增加，这也有利于降低缸内最高温度。

图5 应用不同EGR率时发动机的性能变化

缸内最高温度随EGR率的增加而降低，爆震倾向也随之降低，因此CA50可以适当提前，有利于提高经济性，但燃烧持续期将有所增加，对经济性不利。另外，EGR和新鲜空气总量的增加也会使缸内做功气体质量增加和燃烧压力增加，也有利于经济性。综合这些因素，应用EGR将使经济性得到改善，且在一定范围内，EGR率越高，经济性越好，涡前排温也越低。在不同转速下，应用EGR对经济性和涡前排温改善幅度不同。以16%的EGR率为例，相比无EGR的情况，在1 000 r/min下油耗降低了6.7%，涡前排温下降120 K；2 000 r/min下油耗降低了2.7%，涡前排温下降90 K；2 800 r/min下油耗降低了4.7%，涡前排温下降110 K；而4 000 r/min下油耗反而升高，但涡前排温仍下降114 K。4 000 r/min 下油耗升高的原因是增压器无法提供足够的增压压力，因此功率无法维持在目标值。

由此可见，低压EGR对提升经济性有明显的好处，但也带来了一定负面影响：(1)外特性引入EGR会增加冷却系统的散热压力，如图5所示，16%的EGR率下，4 000 r/min的EGR冷却器散热功率将达到9.6 kW，经过评估可知冷却系统存在风险；(2)EGR率过高会导致中冷后冷凝水过多。综合考虑，推荐选用8%的EGR率。

3 性能验证

概念设计阶段完成后，将进入燃烧开发阶段。燃烧开发阶段首要任务是选定最终的发动机硬件，主要包括以下内容：VVT最大移动范围确定，重要工况VVT角度选定，3组短米勒凸轮型线选型，VVL切换工况选定，3组喷油器选型，3组活塞型线选型(包括压缩比选定)，3组增压器选型，2组点火线圈选型。在VVT角度选定阶段，采用仿真时的短米勒气门升程曲线对应的凸轮型线，配合8%的EGR率进行试验验证，结果如图6所示，发动机转矩达到设计目标，且比油耗优于仿真结果。从趋势上看，仿真的比油耗、CA50趋势与实测结果非常吻合，这说明了燃烧模型与爆震模型有较好的预测性。仿真与实测的误差来源之一是一维模型没有考虑充气过程缸内流动对燃烧及爆震的影响，而实际设计时，为了提高燃烧速度并抑制爆震，设计了高滚流比气道和燃烧室，因此预测的CA50偏大，油耗偏高。另外，VVT角度的趋势也与实测非常相似，说明采用仿真的方法能够指导VVT角度的选定。

图6 实测与仿真外特性性能对比

图6(b)还展示了实测的外特性裸机排放数据，外特性NOx排放在1 400×10-6～3 050×10-6范围。考虑到三元催化器300 ℃以上当量燃烧的排放物转化效率大于95%，对应NOx排放物裸机限值为3 100×10-6，因此NOx排放符合要求。碳氢化合物排放远小于目标限值(1 040×10-6)，CO排放体积分数也远小于目标限值(4.5%)。综上可知，发动机外特性排放水平具备达到国六排放标准的潜力。

4 结论

(1)随着VVT角度增加，试验用汽油机的有效压缩比降低，爆震倾向减弱，点火角度提前，经济性变好。但当VVT角度过大时，由于需求的增压压力增加，会导致增压器功耗增加，经济性恶化。存在最佳的VVT角度，使米勒循环的比油耗最低。

(2)在中高转速区域，长米勒循环米勒效应减弱，且有两次泵气损失，因此短米勒循环更有优势；而低转速区域，短米勒循环需要更高的增压压力，所以长米勒循环更有优势。综合来说，短米勒循环更具有优势：在2 800 r/min～4 000 r/min转速范围内经济性提升约20%，涡前排温降低的幅度达到100 K～200 K。

(3)低压EGR技术能够降低缸内最高温度，减轻爆震的倾向，因此CA50可以适当提前，有利于提升经济性。16%的EGR率将使外特性比油耗降低2.7%～6.7%，涡前排温降低100 K以上，但EGR冷却器散热功率将达到9.6 kW，且存在中冷后冷凝水过多的风险，推荐本机外特性采用8%的EGR率。