阿特金森循环对整车油耗影响的研究

彭成张德胜崔亚彬孙科李东辉刘亚奇（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）



阿特金森循环对整车油耗影响的研究

彭成1，2张德胜1，2崔亚彬1，2孙科1，2李东辉1，2刘亚奇1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

阿特金森循环凸轮型线配合较高的几何压缩比是一种行之有效的节能减排手段。而且随着混合动力的发展，采用阿特金森循环后发动机低速外特性的不足也可得到弥补。可以说，阿特金森循环发动机更适合于未来的整车匹配需求。基于AVL_Boost整机仿真模型设计了阿特金森循环型线，并结合AVL_Cruise整车仿真提供的整车工况点对整车油耗改善情况进行了预测。初步探讨了阿特金森循环对于整车油耗的影响。

凸轮型线阿特金森循环油耗

引言

阿特金森循环本质上是通过对进排气相位的控制，使得一部分进入缸内的新鲜充量回流，相当于改变了部分负荷时发动机的排量，并且通过适当地增加几何压缩比使得发动机的有效压缩比恢复甚至高于原机水平。最终削弱了发动机在部分负荷时节气门处的节流损失，从泵气损失方面降低发动机的比油耗［1］。因此阿特金森循环对于发动机油耗的降低主要体现在中小负荷，这部分区域也是整车常用工况点的分布区域，阿特金森循环可以有效地改善整车油耗。但为了实现阿特金森循环设计出来的凸轮型线需相位非常靠后，在有限的可调相位下，往往无法兼顾外特性时发动机的充气效率。因此在增压能量不足的低速段，充气效率对于发动机性能的影响非常明显。阿特金森循环凸轮型线不可避免地带来发动机低速性能的降低。

1　工况点选择

本次基于阿特金森循环进行的整车油耗优化工作是基于一款实际3.0T整车进行，因此我们可以利用现有的实车数据建立整车仿真模型，获得较为准确的整车工况点。再此基础上进行凸轮型线优化，一方面可以获得整车油耗改善最大的型线，一方面可以为优化后的发动机油耗改善向整车油耗进行转化提供基础。

1.1整车模型搭建

根据整车参数以及整车试验结果，进行整车仿真模型的建立与校核。整车仿真模型及参数如图1、表1所示。

图1　整车仿真模型

表1　整车参数

1.2整车NEDC仿真结果

进行整车仿真模型校核，保证与实验结果误差在5%以内，获得发动机搭载整车NEDC的工况点分布，如图2所示。

图2是软件自动拟合出的重要发动机运行工况点，作者对这些工况点再次拟合，最终确定三个工况点作为型线选取和优化的基础，分别是1 500 r/min@ 0.2 MPa，1 500 r/min@0.4 MPa和2 000 r/min@0.6 MPa。分别占NEDC循环时间比重的30%，12%和10%，如

表2所示。这将是估算整车油耗改善的必要条件。

表2　选取的工况点及时间比重

2　凸轮型线优化

2.1一维仿真模型搭建

进行凸轮型线优化首先需要建立一维仿真模型，这里我们利用boost软件建立优化所需的模型如图3所示，并进行相关校核，共校核三个工况点，即是整车仿真中确定的1 500 r/min@0.2 MPa，1 500 r/min@ 0.4 MPa和2 000 r/min@0.6 MPa。保证仿真与实验的结果误差在5%以内（包括油耗、扭矩、空气流量等关键性能参数）。

2.21500 r/min@0.2 MPa基础型线扫点

为初步确定阿特金森循环型线的优化方向。经对标，获得基础凸轮型线如图4所示，并将原机压缩比由9.7提升至12。

图3　BOOST整机仿真模型

图4　标杆机型凸轮型线

图5　扫点云图—BMEP

选取最重要的1 500 r/min@0.2 MPa工况点，将该套型线带入校核好的整机仿真模型中，设定进气VVT动作为-50°至50°，排气VVT动作为-50°至50°，进行扫点计算，获得结果云图如图5～8所示。

在保证发动机性能，保证0.3以下的残余废气系数，降低泵气功获得最优比油耗这一系列的要求下［2］。结合四张云图结果，可以认为该套型线在黑圈处的VVT角度下，实现了阿特金森循环。可以在该套型线基础上进行优化，获得更优结果。

图6　扫点云图—泵气功

2.3凸轮型线优化

为获得更优型线结果，在基础型线上进行持续期的改变，分别增加，获得5个进气型线，5个排气型线，如图9、10所示，共25种型线组合。设定VVT角度进行扫点计算，并利用modefrontier软件进行计算结果的筛选。

进行扫点计算后获得的结果数据量比较大，使用mode-frontier软件进行结果数据的处理，可以极大地节省寻优过程所耗费的时间，如图11所示。

经过对结果数据初步的筛选和判断，我们设定了以下寻优条件：

1）BMEP等于0.2 MPa；

2）BSFC最低；

图7　扫点云图—BSFC排气生成曲线

图8　扫点云图—残余废气系数排气生成曲线

图9　不同持续期排气型线

图10　不同持续期进气型线

图11　进行数据处理的mode-frontier模型

3）残余废气系数小于0.3。

获得满足以上条件的型线组合柱状图如图12、13所示。

出现几率最高的持续期组合为ex300in290，第二高的持续期组合为ex280in290。此时需要结合整车油耗的改善结果在两个方案中选取一个最优。

图12　满足条件的排气持续期

图13　满足条件的进气持续期

3　整车油耗改善

根据整车NEDC循环计算结果，我们将NEDC工况点拟合成了三个重要的工况点，1 500 r/min@0.2 MPa，1 500 r/min@0.4 MPa和2 000 r/min@0.6 MPa。共占整个NEDC循环时间比重的52%。把优化获得的两套最优持续期带入这三个工况点的BOOST模型中进行扫点计算，分别获得最优的比油耗结果，如表3所示。当然，需要限制残余废气系数小于0.3［3］。

结合上表可以得出ex300in290的型线组合对于整车油耗的改善程度优于ex280in290的型线组合。最终选定ex300in290为油耗最优型线，进行后续的试验验证工作。

为了初步估算该型线对于整车油耗的影响，这里我们假定新型线对于整车怠速油耗没有影响，即未被拟合在这三个工况点内的48%时间比重的减速与怠速工况油耗变化率为0%。则可以计算出该型线结合12压缩比对于整车油耗的改善率为3.932%。

表3　不同型线组合对各工况点油耗改善

图14　重要工况点油耗降低率

4　整机试验验证

依据最终确定的方案进行了凸轮轴和12压缩比活塞的样件制作，并针对上文选取的工况点进行整机性能试验验证。结果如图14所示。

1 500 r/min下发动机不同负荷率最优的VVT角度如图15所示。

三个工况点进行VVT角度扫点后最优相位如表4所示。

试验结果表明设计型线配合高压缩比的确可以有效地降低发动机部分负荷油耗，从而降低整车油耗。

其中在1 500 r/min@0.2 MPa固定进气VVT不变，推迟排气VVT，发动机油耗先降低后增加，说明在阿特金森循环下，通过增加叠开角增加一定的内部EGR可以进一步降低泵损降低油耗，但是如果内部EGR过多，燃烧持续期会变长，燃烧热效率下降，反而会导致发动机油耗的增加［4-6］。这是在相关试验中需要注意的。

图151　 500 r/min下发动机不同负荷率最优的VVT角度

表4　三个工况点进行VVT角度扫点后最优相位

5　结论

1）阿特金森循环利用刻意推迟的进气门关闭角，改变了发动机的实际排量，弱化了节气门处的节流损失，可以大幅降低小负荷区域的发动机油耗。从而降低整车油耗。

2）阿特金森循环型线会导致有效压缩比降低，使得燃烧热效率变差，需要增加发动机几何压缩比和优化气道燃烧室以获得最优部分负荷油耗。

3）本文结合整车仿真结果以及优化软件对凸轮型线进行优化，可以快速设计出贴合整车需求的凸轮型线组合。

4）几何压缩比的提升必然导致外特性性能的降低，可尝试采用两段式可变气门升程或外部冷却EGR提升发动机的外特性性能。

1周龙保.内燃机学（第2版）［M］.北京：机械工业出版社，2005

2刘永长.内燃机原理［M］.武汉：华中科技大学出版社，2001

3余志生.汽车理论（第5版）［M］.北京：机械工业出版社，2009

4蒋德明.高等车用内燃机原理［M］.西安：西安交通大学出版社，2006

5吴兆汉.内燃机设计［M］.北京：北京理工大学出版社，1990

6杨连生.内燃机设计［M］.北京：中国农业机械出版社，1981

A Study on the Influence of Atkinson Cycle on Vehicle Fuel Consumption

Peng Cheng1，2，Zhang Desheng1，2，Cui Yabin1，2，Sun Ke1，2，Li Donghui1，2，Liu Yaqi1，2
1-Technical Center of Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Automobile Engineering&Technology Research Center of Hebei Province

Atkinson cycle cam profile matching with geometric compression ratio is an effective way for energy saving and emission reduction.Along with the development of hybrid power，enging's performance could be improved after adopting Atkinson cycle.Atkinson cycle engine is more suitable for the future vehicle matching requirements.Based on AVL Boost engine simulation model，Atkinson cycle profile is designed.Combined with the vehicle working conditions provided by AVL Cruise vehicle simulation，the improvement of fuel consumption is predicted.The influence of Atkinson cycle on vehicle fuel consumption is preliminarily explored.

Cam profile，Atkinson cycle，Fuel consumption

U467.4+98

A

2095-8234（2015）06-0043-06

彭成（1990-），男，助理工程师，主要研究方向为发动机性能开发。

（2015-06-19）