小排量发动机应用阿特金森循环降油耗研究

王泰晟　汪文广　隆贵

摘 要：通过在小排量发动机上应用阿特金森循环，可以有效抑制爆震和降低泵气损失，提高发动机的热效率。经试验测试，应用阿特金森循环后发动机匹配混动车型常用工作区域燃油消耗率降幅达到3%～6%。在阿特金森循环基础上应用冷却EGR技术后，发动机热效率进一步提升至39.1%，满足开发目标。

关键词：阿特金森循环 冷却EGR技术 降油耗

1 背景

随着燃油经济性和排放法规的日趋严格，传统自然吸气发动机已经越来越无法满足整车匹配的要求。匹配混合动力和较高的热效率、低油耗率成为新的目标[1]。

对于汽油发动机，爆震和部分负荷泵气损失是限制其热效率提升的主要原因。因此，抑制爆震和降低部分負荷泵气损失对提高整车燃油经济性具有重要意义。阿特金森循环的目的就是在保持发动机膨胀比的情况下，减小有效压缩比以抑制发动机爆震，同时还可以降低部分负荷的泵气损失。因此，应用阿特金森循环是提高发动机热效率，降低整车油耗的理想选择。

2 阿特金森循环工作原理

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，进排气门在上止点和下止点附近开启和关闭，膨胀比基本等于压缩比。而阿特金森循环中，通过进气门的延迟关闭，将气缸中的部分混合气体推回到进气歧管中，使实际压缩比小于几何压缩比，而膨胀比还是等于发动机几何压缩比。汽油机阿特金森循环P-V图如图1所示。

根据上图，原奥托循环等容放热曲线为ba，而阿特金森循环发动机则是先将绝热膨胀线由zb延长至zb，再按ba进行等压放热回到压缩如点a。因此阿特金森循环通过膨胀比（1+Vs/Vc）大于压缩比（1+Vs/Vc），增加了图示中bbab面积大小的有效功，从而提高了发动机的热效率。同时阿特金森循环发动机由于气缸的实际进气量减少，压缩终了的温度降低，降低发动机爆震倾向可以拥有更高的几何压缩比，所以其热效率得到进一步提升。

3 技术路线

本文研究的对象为1.5L自然吸气直喷发动机，发动机原机基本参数如表1所示。现计划应用阿特金森循环，提高发动机的热效率至39%，未来可以匹配混合动力整车，整体达到行业先进水平。

通过CAE仿真分析，计划采用增大进气凸轮轴升程及包角实现阿特金森循环，同时提高几何压缩比。由于实际进气量的减少抑制了缸内滚流的形成，降低了缸内混合气滚流比和湍动能。因此还需要对缸盖进气道形状进行优化，提高进气滚流比。发动机主要参数变化如表2所示。

4 试验测试及分析

根据上述方案制造样件，然后装机在本公司内部AVL试验台架进行测试，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 8297-2001要求。试验过程分别对2000，2bar特征油耗点，部分负荷工况点及外特性工况进行了测试。

4.1 阿特金森循环对抑制发动机爆震的影响

发动机应用阿特金森循环后，进气门延迟关闭可以降低有效压缩比，导致压缩终了缸内温度降低，有效抑制爆震，从而可以采用较大的点火提前角，最终达到降低油耗的目的。

因为乘用车实际常用工况为低速小负荷，常运行转速为2000r/min附近。因此选取整车常用的典型工况点2000r/min，2bar工况进行分析。如图2所示，随着进气关闭角的延后，进气门逐渐延迟关闭。由于爆震倾向减小，发动机的点火提前角可以逐渐变大，燃油消耗率也随之降低。

4.2 阿特金森循环对发动机泵气损失的影响

在小负荷区域，泵气损失对发动机的热效率影响较大。因为在小负荷区域，节气门开度较小，活塞向下运动吸气过程中，缸内的压力小于大气压力，需要消耗一部分功来维持活塞向下运动，导致泵气损失较大。发动机应用阿特金森循环后，由于有部分混合气体被推回至进气道，为了保证足够的进气量，需增大进气压力，减小缸内气体与大气的压力差，从而减小泵气损失。

如图3所示，2000r/min工况时，随着节气门开度增大，进气歧管压力也逐渐增大，泵气损失减少，燃油消耗率也随之下降。

4.3 阿特金森循环对发动机燃油消耗率的影响

经过测试，应用阿特金森循环后，发动机匹配混动车型常用工作区域燃油消耗率降幅达到3%～6%。其中最低燃油消耗率降低至224.3g/kW·h，发动机燃油消耗率对比如表3所示。

4.4 阿特金森循环对发动机动力性的影响

由于阿特金森循环采用较大的进气包角，导致气缸的实际进气量减小，发动机外特性扭矩从160Nm降低到145Nm，动力性有所降低，如图4所示。经整车性能仿真，可以满足匹配中小型混动车辆的动力需求。

4.5 阿特金森循环叠加冷却EGR技术

在阿特金森循环的基础上应用冷却EGR技术，发动机缸内燃烧温度降低，爆震得到进一步抑制，最低燃油消耗率可降低至216.5g/Kw·h，热效率达到39.1%，满足了开发目标，最低燃油消耗率对比如图5所示。

5 结论

（1）应用阿特金森循环后，1.5L自然吸气直喷发动机由于抑制爆震及泵气损失的降低，发动机匹配混动车型常用工作区域燃油消耗率降幅达到3%～6%。但是由于阿特金森循环引起实际进气量的减少，发动机扭矩有所降低。

（2）在阿特金森循环的基础上应用冷却EGR技术，发动机燃油消耗率进一步降低，热效率达到39.1%，满足开发目标。

参考文献：

[1]郭平，李红洲，朱小春，葛峰，吴建财.基于阿特金森循环1.8L直列四缸汽油机性能开发[J].汽车实用技术，2019.