Atkinson循环发动机性能改进研究∗

冯仁华，付建勤，杨 靖，，张 微，黄修鹏，陈 永

(1.重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054； 2.湖南大学先进动力总成技术研究中心，长沙 410082)

Atkinson循环发动机性能改进研究∗

冯仁华1，付建勤2，杨 靖1，2，张 微1，黄修鹏1，陈 永1

(1.重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054； 2.湖南大学先进动力总成技术研究中心，长沙 410082)

本文中利用理论计算、结构及参数改进和试验标定相结合的方法，将某自然吸气Otto循环汽油机改为Atkinson循环混合动力发动机。首先通过减少活塞顶部凹坑容积将压缩比从10.5提高到13以克服Atkinson循环中由于进气门晚关所带来的有效压缩比的降低；然后利用AVL Excite Timing Drive软件重新设计了满足Atkinson循环要求的进、排气凸轮型线；最后通过发动机台架试验标定了Atkinson循环发动机万有特性下的过量空气系数、配气相位和点火正时等参数。试验结果表明：在保证动力性满足要求的前提下，改型后Atkinson循环发动机的燃油消耗率在整体上比原Otto循环发动机低得多，尤其在中低转速中大负荷时。另外，改型后Atkinson循环发动机的低油耗区域范围比原Otto循环发动机大得多，且低油耗区向低转速和较小负荷区域移动。改型后的Atkinson循环发动机最低燃油消耗率由原来的250g/(kW·h)降低到234.5g/(kW·h)，达到了目标要求。

Atkinson循环；压缩比；台架标定；燃油消耗率

前言

随着节能减排压力的与日俱增，混合动力电动汽车是目前最具有商业前景的新能源汽车，其发展已是必然的趋势[1]。汽车行业也逐步加大了对混合动力汽车的研究和开发力度[2]。由于在混合动力系统中Atkinson循环发动机动力性不足的缺点可以被电动机弥补，因此，国内外近年来又重新开始了对Atkinson循环发动机的一系列研究[3-5]。与Otto循环发动机相比，Atkinson循环发动机采用高几何压缩比，利用进气门晚关控制负荷，减少了泵气损失和压缩功，可更大程度地将热能转换为机械能，提高发动机热效率，降低燃油消耗[6]。相关研究指出，混合动力汽车节油效果的20%～30%归功于Atkinson循环发动机的开发应用[7]，因此，Atkinson循环发动机也成为丰田、本田和福特混合动力汽车的重要创新点和销售亮点之一。当前普遍认为，Atkinson循环发动机是应用于混合动力系统中较为理想的发动机类型[8]。目前，关于Atkinson循环发动机的很多研究主要集中在燃烧室结构的设计[9]、压缩比的优化[10]、典型工况下发动机部分参数优化[11]和燃烧、排放与油耗等的分析[12]，并取得了一定的研究成果。然而，很少同时对Atkinson循环发动机的压缩比、气门升程曲线、配气正时、空燃比和点火时刻等在发动机所有工况点下的特性进行研究。在本文中，通过改变一台Otto循环发动机的活塞形状、几何压缩比和进排气凸轮型线等的部分结构和参数来实现Atkinson循环，最后通过试验标定，对改型后的Atkinson循环发动机万有特性下的过量空气系数、配气正时和点火正时等进行调整优化，以降低燃油消耗。

1 原机特性与目标要求

本研究中的原Otto循环发动机是一款排量1.485L，4缸4冲程水冷自然吸气式汽油机，具体参数如表1所示。

为降低发动机的燃油消耗并满足混合动力的需求，将原Otto循环改为Atkinson循环。改型后的Atkinson循环发动机要求达到的技术指标和原Otto循环发动机对比如表2所示。

由表2可见，目标Atkinson循环发动机的动力性指标如最大转矩、最大功率和最高转速等都比原Otto循环发动机低，这可由混合动力中的电机来弥补。改型后Atkinson循环发动机的最低燃油消耗率由原Otto循环的250g/(kW·h)降低到235g/ (kW·h)，以有效地降低整车油耗。

表1 原Otto循环发动机主要参数

表2 技术指标对比

2 发动机结构和参数改进

为达到表2中的目标需求，须采取一定的措施对原Otto循环发动机进行改进优化，结合Atkinson循环发动机的特点，本研究中采用理论计算、结构与参数改进和试验标定研究相结合的方法，通过改变活塞形状来增加几何压缩比、优化凸轮型线、过量空气系数、配气正时、点火时刻等措施对原Otto循环发动机进行改进，这些措施既没有添加复杂的机构，又没有增加发动机的尺寸，有利于降低时间和费用等方面的成本。

2.1 几何压缩比的理论计算

根据表2中的技术指标，改型后Atkinson循环发动机的最优几何压缩比可按照如下公式计算。

原Otto循环发动机的升功率为

式中：PL为发动机的升功率；Pe为发动机的最大功率；i为气缸数；VS为气缸的工作容积。

原Otto循环发动机的几何压缩比为

式中：εO为原Otto循环发动机的几何压缩比；VOC为原Otto循环发动机的余隙容积。

在升功率相等的条件下改型后Atkinson循环发动机有效工作容积为

式中：Pe′为Atkinson循环发动机的最大功率；VS′为Atkinson循环发动机的有效气缸工作容积。

为避免因改型后Atkinson循环发动机的压缩比过大引起爆震，设计上保持改型后Atkinson循环发动机的理论有效压缩比εAe和原Otto循环发动机一样，假设改型后Atkinson循环发动机的余隙容积为则

改型后Atkinson循环发动机的几何排量保持1.485L不变，则改型后Atkinson循环发动机的几何压缩比εAG为

因此，可将改型后Atkinson循环发动机的几何压缩比取为13，根据式(9)可算得Atkinson循环发动机的气缸余隙容积为0.030 9L。

原Otto循环发动机的理论循环热效率ηOt为

改型后Atkinson循环发动机的理论循环热效率ηAt为

改型前后理论循环热效率提高百分比x为

而发动机有效燃油消耗率be为

式中：ηt为循环指示热效率；ηm为机械效率；Hu为燃料的低热值，kJ/kg；K2为常数。可见对于一种特定的燃料，beηtηm为定值。

改型后Atkinson循环发动机的理论循环热效率比原Otto循环提高了5.25%，但由于总功率从原来的75降为60kW。假定机械摩擦损失功率基本不变，则机械效率将下降，若原机的机械效率约为90%，可算得改型后Atkinson循环发动机的机械效率为87.8%，比原Otto循环下降了2.2个百分点，而循环热效率的提高和机械效率的降低的综合结果，使对应的Atkinson循环发动机外特性上最低有效燃油消耗率降低至

但改型后Atkinson循环发动机的最低燃油消耗率目标值为235g/(kW·h)，因此必须将最低油耗点的ηtηm再提高3.61%(243.48/235＝1.036)，以达到目标要求。

其中，提高指示热效率ηt的途径主要有燃烧系统优化(燃烧室形状、混合气浓度、点火提前角、喷油特性等)，也可通过调节气门正时降低泵气损失和增大充量系数等来进行优化。

2.2 燃烧室结构改进

根据理论计算结果，须将原Otto循环的几何压缩比从10.5提高到13，这可通过减小活塞顶部凹坑的体积来实现，这样对发动机结构的改动最小。同时为了避免气门和活塞的干涉，活塞顶部的避阀坑也重新设计，原Otto循环和改进后Atkinson循环发动机的活塞结构对比如图1所示。

考虑到活塞形状对气体流动特性有一定的影响，利用计算流体动力学(CFD)软件Converge对图1中两种活塞在进气和压缩过程中发动机转速为5 200r/min时外特性下的滚流比和平均湍动能进行计算，结果分别如图2和图3所示。

汽油机滚流比可增加压缩终了时缸内的湍流强度，从而提高火焰传播速度。在图2和图3中，原Otto循环和改型后Atkinson循环在进气和压缩冲程中的滚流比和空气的平均湍动能都是先增后降，这是因为滚流是绕着气缸的垂直轴做旋转运动，当活塞到达压缩上止点时，滚流的旋转直径减小而使滚流比增加[7]。由图2可见，进气压缩过程缸内的滚流比出现了2个峰值，第1次出现在进气过程进气门最大升程附近，此时气门环形区域流速最大，缸内气流运动较强。原Otto循环和改型后Atkinson循环发动机滚流比第1次峰值分别为1.41和1.54。随着压缩过程活塞的向上运动，旋转的滚流充量被压缩使其惯性矩减小，为保持整个流动角动量守恒，滚流充量的角速度会逐渐增大，同时由于活塞的作用使滚流的自旋向上运动加强，因此在压缩过程前期滚流比都保持较高值，直到达到第2次峰值。原Otto循环和改型后Atkinson循环发动机滚流比第2次峰值分别为0.66和1.07，这与改型机活塞上顶面结构有关。由图3可见，原Otto循环的平均湍动能比改型后Atkinson循环的低，这是因为改型后的Atkinson循环发动机的活塞凹坑面积减小，有利于空气的湍流作用而提高平均湍动能，而较大的湍动能有助于油气的充分混合，提高火焰传播速度和燃烧效率。随着活塞上行到压缩上止点附近，缸内大的涡流破碎、重组成小的涡旋运动，改型后Atkinson循环发动机的平均湍动能与原Otto循环大致相等，且湍动能分布区域在火花塞附近，这样发动机就不会因湍动能过大将火花塞点火后的火焰吹灭。原Otto循环和改型后Atkinson循环发动机的最大平均湍动能分别为159.3和305.9m2·s-2。

图1 活塞结构对比

图2 滚流比对比

图3 平均湍动能对比

2.3 进、排气凸轮型线改进

Atkinson循环发动机主要利用进气门晚关来减少泵气损失，因此需要对原Otto循环发动机的进、排气凸轮型线进行改进。首先，进气提前角应该减小，进气迟闭角应该大幅度地增加以降低有效压缩比，这就意味着需要增加进气凸轮的工作包角。其次，排气提前角和迟闭角也应该减小以推迟排气门开启的时刻达到增加实际膨胀比的目的。利用AVL Excite Timing Drive软件对进、排气凸轮型线进行重新设计，以满足Atkinson循环发动机对凸轮型线和配气相位的要求，原Otto循环和改型后Atkinson循环发动机的配气机构，包括凸轮型线的主要技术参数分别如表3和图4所示。

表3 配气机构主要参数对比_

图4 凸轮型线对比

3 发动机台架试验与标定

对所改型的Atkinson循环发动机进行万有特性台架试验，并通过试验标定的方法对过量空气系数、配气相位、点火提前角等进行调整，使改型后Atkinson循环发动机的动力性、经济性等达到目标要求。台架试验框图如图5所示，主要测试仪器如表4所示。

图5 发动机台架试验框图

在试验标定过程中，首先通过调整点火提前角以保证发动机在任何工况下都不产生爆震，然后同时调节过量空气系数和配气正时等参数使改型后Atkinson循环发动机达到目标要求。在标定过程中，以油耗为目标，采用转速-转矩控制模式进行。

4 试验结果与分析

4.1 过量空气系数对比分析

过量空气系数是发动机中一个非常重要的控制参数，它直接影响发动机的动力性、经济性和排放性等。原Otto循环和改型后Atkinson循环发动机万有特性下的过量空气系数对比如图6所示。

由图可见：Atkinson循环发动机的过量空气系数比原Otto循环的要大一些，尤其是在发动机中低转速区域，这可以有效地提高发动机的燃油经济性；但是在高转速大负荷的时候，原Otto循环和改型后Atkinson循环发动机的过量空气系数都较小，混合气较浓，这是为了减少发动机的着火延长期，增加火焰传播速度，提高发动机的动力性，且有效地降低排气温度。由于改型后Atkinson循环发动机的过量空气系数在某些工况大于1，这会在一定程度上引起排放的改变，一般而言，HC和CO排放会有所降低，而由于混合气中氧含量增加有可能引起NOx排放升高。最终排放的具体变化情况视后期的深入研究情况和结果而定。

图6 过量空气系数对比

4.2 配气正时分析

配气正时也是发动机中一个非常重要的参数。Atkinson循环发动机在不同的工况下要达到最佳的性能和油耗目标需要利用进、排气VVT并结合进气门晚关来实现。由于原Otto循环发动机配气正时的数据无法获得，故只有改型后Atkinson循环发动机配气正时的Map图，如图7所示。

由图7可见，在低负荷的时候，改型后Atkinson循环发动机的进气门迟闭角相对来说较小，且气门重叠角相对较大，随着发动机转速升高，进气门迟闭角减小且气门重叠角增大，这可更好地利用气体的动力学特性，以提高充气效率。

在高转速大负荷工况，发动机的动力性尤为重要，需要采用较大的进气迟闭角。因为在该工况下，进气温度与压力和缸内的燃烧温度都很高，大的进气迟闭角可将一部分新鲜空气倒流回进气管内以降低缸内气体和排气的温度。同时，通过减小进气提前角和气门重叠角降低有效压缩比，也可减小发动机的爆震倾向。

由于中低转速中高负荷工况是发动机最常用的工作区域，其燃油经济性是最重要的指标。在该工作区域中的混合气较稀(见图6)，将导致较低的燃烧速度、较高的燃烧温度和较多的NOx排放，因此在该工况区域中采用较早的进气门开启和较迟的排气门关闭来获得较大的气门重叠角，然后有效地利用内部EGR来降低排气温度和NOx的排放。

图7 Atkinson循环发动机配气正时

4.3 点火时刻对比分析

点火时刻对点燃式发动机的影响很大[13]。它通过影响发动机的燃烧特性来影响发动机的性能、优化和排放。一般而言，较大的点火提前角将使活塞在压缩行程结束前的缸内压力较高，会增加压缩行程的有效功损失而降低发动机有用功输出。相反，如果点火推迟过多，将引起缸内压力的峰值出现较晚，而减少气体膨胀过程中对活塞所做的有效功[14]。因此，在每个工况下存在一个最佳点火提前角。原Otto循环和改型后Atkinson循环发动机的点火提前角特性对比如图8所示。

由图可见，整体上原Otto循环和改型后Atkinson循环发动机的点火提前角随发动机负荷的增加而减小。一般情况，在同一负荷下，随着转速的升高，发动机点火提前角增加[15-16]，但在图8(b)中，中低负荷时，改型后Atkinson循环发动机的点火提前角随着转速的增加而减小，这是因为点火提前角不只受转速的影响，同时也受到有效压缩比、空燃比和进气温度等参数的影响。

图8 点火提前角对比

通过原Otto循环和改型后Atkinson循环发动机点火提前角的对比和分析发现，在低转速大负荷工况，Atkinson循环发动机的点火提前角比原Otto循环的点火提前角大。正如前面分析的一样，引起这个变化的原因主要包括有效压缩比、空燃比和气门正时的变化。另外，在高转速大负荷工况，Atkinson循环发动机采用比原Otto循环发动机小的点火提前角，以降低发动机的爆震倾向。

4.4 燃油消耗率对比分析

燃油经济性是评价发动机性能的一个重要指标[17]，本研究的主要目标是提高发动机的燃油经济性和热效率。原Otto循环和改型后Atkinson循环发动机的燃油消耗率对比如图9所示。从图9中可以看出，改型后Atkinson循环发动机的燃油消耗率在整体上比原Otto循环发动机的低很多，尤其是在中低转速中大负荷时。另外，改型后Atkinson循环发动机的低油耗区域范围比原Otto循环发动机的宽很多，且低油耗区向低速低负荷工况区域移动，这有利于发动机和整车的匹配，并有效降低整车的燃油消耗。原Otto循环和改型后Atkinson循环发动机的最低燃油消耗率分别为250和234.5g/(kW·h)，改型后Atkinson循环发动机的最大转矩为130.5N·m(4 000r/ min)，最大功率为60.2kW(5200r/min)，达到了表2中的目标要求。

图9 燃油消耗率对比

5 结论

本研究利用理论计算、结构与参数改进和试验标定相结合的方法，在某Otto循环发动机的基础上改进开发了Atkinson循环发动机，主要有以下结论。

(1)通过重新设计活塞顶部结构来降低余隙容积的方法将活塞的几何压缩比从10.5提高到了13，以提高改型后Atkinson循环发动机的热效率和燃油经济性。

(2)在原Otto循环的基础上，重新设计了进、排气凸轮型线，通过增加进气凸轮工作段包角、增加进气迟闭角和减小气门重叠角的方法来满足改型后Atkinson循环发动机对于配气正时的要求。

(3)通过台架试验标定对改型后Atkinson循环发动机万有特性下的过量空气系数、配气正时和点火提前角进行了调整和对比分析。改型后Atkinson循环发动机比原Otto循环发动机有较大的过量空气系数，以提高发动机的燃油经济性，尤其是在中低转速。改型后Atkinson循环发动机的进气迟闭角在低速时较小，在高速时较大。在低速大负荷时，改型后Atkinson循环发动机的点火提前角比原Otto循环的大，但在高速大负荷时，改型后Atkinson循环发动机的点火提前角比原Otto循环的小。

(4)改型后Atkinson循环发动机比原Otto循环发动机的燃油消耗低很多，尤其是在中低转速中大负荷工况，而且改型后Atkinson循环发动机的低油耗区比原Otto循环发动机宽很多。改型后Atkinson循环发动机的最低油耗从原Otto循环发动机的250降低到了234.5g/(kW·h)，所有的动力性和经济性指标均达到了目标要求。

[1] 谢海明，黄勇，王静，等.插电式混合动力汽车能量管理策略综述[J].重庆理工大学学报(自然科学版)，2015(7)：1-9.

[2] 陈全世.当前我国新能源汽车的发展与面临的挑战[J].重庆理工大学学报(自然科学版)，2015(11)：1-5.

[3] 王长园，刘福水，孙柏刚.长安475Q混合动力发动机的仿真开发[J].汽车工程，2011，33(4)：294-297.

[4] 朱国辉，夏孝朗，刘敬平，等.传统汽油机改进成混合动力Atkinson循环专用发动机的节油效果[J].中南大学学报(自然科学版)，2014(4)：1302-1311.

[5] BORETTIA，SCALZO J.Exploring the advantages of atkinson effects in variable compression ratio turbo GDI engines[C].SAE Paper 2011-01-0367.

[6] WAN Y，DU IM.Reducing part load pumping loss and improving thermal efficiency through high compression ratioover-expanded cycle[C].SAE Paper 2013-01-1744.

[7] DAISHIT，KOICHIN，YASUSHIY，et al.Combustion development to achieve engine thermal efficiency of 40%for hybrid vehicles[C].SAE Paper 2015-01-1254.

[8] YONEKAWA A，UENO M，WATANABE O，et al.Development of new gasoline engine for ACCORD plug-in hybrid[C].SAE Paper 2013-01-1738.

[9] 徐丹，杨青，孟凡腾，等.Atkinson循环发动机紧凑型燃烧系统研究[J].车用发动机，2015(3)：60-64.

[10] 王森，赵金星，刘双寨，等.基于神经网络和遗传算法的Atkinson循环发动机几何压缩比优化[J].内燃机学报，2015，33 (4)：370-377.

[11] ZHAO J，XU M.Fuel economy optimization of an Atkinson cycle engine using genetic algorithm[J].Applied Energy，2013，105：335-348.

[12] PERTL P，TRATTNER A，STELZL，R，et al.Expansion to higher efficiency-experimental investigations of the atkinson cycle in small combustion engines[C].SAE Paper 2015-32-0809.

[13] YÜCESU H，SOZEN A，TOPGÜL T，etal.Comparative study of mathematical and experimental analysis of spark ignition engine performance used ethanol-gasoline blend fuel[J].Apply Thermal Engineering，2007，27：358-68.

[14] NECATIT，BARISE，IHSAN K，et al.Experimental investigation of the effectof E85 on engine performance and emissions under various ignition timing[J].Fuel，2014，115：826-34.

[15] GUERRA R，GALLOW.Ignition timing as a strategy to reduce spark-ignition engine emissions in the cold phase[C].SAE Paper 2013-36-0314.

[16] HU E，HUANG Z.Optimization on ignition timing and EGR ratio of a spark-ignition engine fuelled with natural gas-hydrogen blends [C].SAE Paper 2011-01-0918.

[17] SYED F，NALLAPA S，DOBRYDEN A，etal.Design and analysis of an adaptive real-time advisory system for improving real world fuel economy in a hybrid electric vehicle[C].SAE Paper 2010-01-0835.

A Study on the Performance Improvement of Atkinson Cycle Engine

Feng Renhua1，Fu Jianqin2，Yang Jing1，2，Zhang W ei1，Huang Xiupeng1＆Chen Yong1
1.Key Laboratory ofManufacture and Test Techniques for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054； 2.Research Center for Advanced Powertrain Technology，Hunan University，Changsha 410082

In this paper，an Otto cycle gasoline engine is converted to an Atkinson cycle engine for hybrid electric vehicleswith amethod combining theoretical calculation，structure and parametersmodification and experimental calibration.First of all，compression ratio(CR)is increased from 10.5 to 13 by reducing the volume of recess in piston crown for compensating the effective CR drop caused by the delayed close of induction valve in Atkinson cycle.Then，both intake and exhaust cam profiles are redesigned using AVL Excite Timing Drive software to meet the requirements ofmodified Atkinson cycle engine.Finally，parameters such as excess air coefficient，valve timing and ignition timing in the universal characteristics map of Atkinson cycle engine are calibrated by engine bench tests.Test results show that on the premise ofmeeting power performance requirements，the overall specific fuel consumption ofmodified Atkinson cycle engine ismuch lower than thatof original Otto cycle engine in particular inmedium-low speed andmedium-high load regions.In addition，the low-fuel consumption region ofmodified Atkinson cycle engine ismuch larger than that of original Otto cycle engine，with its location moving toward low-speed/ low-load area.Theminimum brake specific fuel consumption is reduced from 250g/(kW·h)in original Otto cycle engine to 234.5g/(kW·h)in modified Atkinson cycle engine，meeting the objective requirements.

Atkinson cycle；compression ratio；bench test calibration；brake specific fuel consum ption

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.05.004

∗重庆市前沿与应用基础研究计划(cstc2015jcyjA60006)和重庆理工大学汽车零部件重点实验室开放课题(2014KLMT05和2015KLMT02)资助。

原稿收到日期为2016年4月12日，修改稿收到日期为2016年5月26日。

付建勤，博士，E-mail：fujianqinabc＠163.com。