小型增压发动机应用米勒循环的试验研究

关力 杨陈 夏志豪 尹建东 沈源 王瑞平，2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

引言

随着油耗法规的日益严格，小型增压发动机逐渐成为市场的主流，这主要得益于小型增压发动机较小的泵气损失，特别是对于城市工况，发动机多运行于部分负荷，节油效果尤其明显[1-3]。泵气损失是由于发动机在部分负荷，节气门未完全开启造成的，为达到相同的动力输出，小排量发动机需要的负荷相对更高，需要更大的进气压力和节气门开度，从而使其泵气损失降低，达到降低油耗的目的。另外，小型增压发动机的缸径和行程较小，可以降低发动机的摩擦损失。通过匹配合适的增压器，小型增压发动机可以获得两倍于同排量自然吸气发动机的最大转矩输出，使其仍能满足车辆动力性的需求。但是，较高的增压压力显著提高了发动机爆震倾向，通常抑制爆震需要采取诸如推迟点火角，混合气加浓，降低压缩比等措施，反而影响了发动机的经济性[4]。

应用米勒循环降低有效压缩比是抑制发动机爆震，降低泵气损失的有效措施之一[5-7]。通过进气门早关或者晚关，使发动机有效压缩冲程变短，压缩终了的温度降低，降低发动机爆震倾向。但是，有效压缩比的降低同时会导致发动机热效率和动力性的下降，因此，米勒循环多配合高压缩比使用。增加压缩比会使发动机具有较大的膨胀比，即更多的热能转化为机械能，进一步提高发动机热效率。米勒循环降低部分负荷泵气损失在于其较短的有效充气时间，这就要求发动机提高进气压力，在较短的时间内达到相同的进气量，以使发动机输出相同的功。

本研究基于一款1.0 L三缸发动机（10T）展开，通过更改和优化进气凸轮轴、进气道、活塞顶部形状等措施，将其更改为米勒循环发动机（10T_miller），探究米勒循环对小型增压发动机油耗的影响。

1 试验装置及分析方法

1.1 试验装置

本试验选用进气门早关（EIVC）的米勒循环方式，进排气凸轮轴型线如图1所示，为实现的米勒循环。

通过改变进气凸轮轴包角实现米勒循环的同时，也带来了一些不利的影响。较小的气门开启包角和气门升程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，从而带来着火滞燃期变长，燃烧变慢，循环波动差等结果。因此，本文对发动机进气道和活塞顶形状进行了优化，将进气道喉口收缩，改为高滚流气道，活塞顶部改为大凹坑形状，使其滚流比和湍动能尽可能接近原机水平，优化后的气道和活塞顶部形状如图2所示。优化活塞的另一个原因是因为采用米勒循环后，发动机有效压缩比减小，降低了发动机的热效率，因此，本文对活塞顶部凹坑的体积也进行了优化，减小了活塞顶部凹坑体积，使发动机压缩比值提高到12，膨胀比的增加也进一步提高了发动机的热效率。

图1 进排气凸轮轴升程曲线

图2 优化后的进气道和活塞顶形状

试验台架采用AVL电力测功机测控系统，燃烧数据采集和处理使用AVL Indicom燃烧分析仪系统，缸压传感器采用Kistler型火花塞式缸压传感器，空燃比分析仪使用ETASLA4型，发动机参数调节通过开发型ETK和INCA软件来实现。

1.2 试验方法

本文选取2 000 r/min、0.2MPa和12个中等负荷特征油耗点进行试验，其中小负荷点2 000 r/min、0.2MPa用于探究米勒循环来降低小负荷泵气损失从而降低发动机油耗的潜力，12个中等负荷点用于探究米勒循环对中等负荷点油耗的影响，同时探究发动机的最低油耗潜力。

试验首先对原机的油耗进行测量，作为评价米勒循环降低发动机油耗的参考基准。然后更换优化气道的发动机气缸盖、进气凸轮轴、压缩比值为12的活塞，进行试验。由于更换硬件后，原有ECU标定数据不再适用于米勒循环发动机，因此特征油耗点的测量需要通过INCA修改参数完成，主要包括进排气VVT、点火角和增压器占空比的调节，其原则等同原机的标定方法。通过测量米勒循环发动机各特征点的最低油耗和各燃烧参数，分析米勒循环对小型增压发动机油耗的影响。

试验过程保持出水温度100℃，空燃比为1，排气温度低于850℃。

2 试验结果及分析

2.1 米勒循环对小负荷油耗影响

图3为原发动机和更改为米勒循环发动机在2 000 r/min、0.2MPa的油耗对比。采用米勒循环后，发动机油耗相比于原机油耗可以降低6.2%。

图3 2 000 r/min、0.2MPa发动机油耗对比

相比于大负荷区域，在小负荷区域影响发动机热效率的主要能量损失是泵气损失，这是因为在小负荷区域，节气门开度较小，活塞向下运动吸气的过程中在节气门和活塞之间产生一定的真空度，在曲轴箱外界的大气压力对于活塞的真空吸气动作形成很大的抵抗力，导致泵气损失较大。而将发动机更改为米勒循环后，由于进气凸轮轴包角和升程均变小，为了弥补进气时间和空间的不足，需增大进气压力，从而导致泵气损失减小。

为了更好地解释米勒循环对发动机泵气损失的影响，图4给出了10T原机和10T_miller发动机在2 000 r/min、0.2MPa的P-V图。从图中可以看到，在进气冲程，10T_miller发动机的进气压力明显大于10T原机，而两个发动机的排气背压相差不大，这就导致10T发动机在表征泵气损失的区域，即进气压力和排气压力之间的区域明显大于10T_milller发动机，从而导致油耗较高。另一方面，由于本文中米勒循环采取了进气门早关的方式，在此工况点，进气门关闭时刻为进气下止点前（BBDC）50°CA曲轴转角，气门关闭后，燃烧室内气体经过绝热膨胀和压缩过程，再次回到相同状态，在图中表现为进气末端和压缩初期重合的一段曲线，然后再进行压缩冲程，导致发动机有效压缩比降低，而米勒循环发动机膨胀比值由10T原机的9.6增加为12，从而使发动机热效率升高。

图4 2 000 r/min、0.2MPa工况下缸压与气缸容积变化

发动机进气道结构和活塞顶部形状的改变会对缸内燃烧产生直接的影响，因此需对发动机进气VVT重新标定，图5给出了不同进气VVT角度下发动机油耗及燃烧参数的变化。从图中可以看到，进气门均在活塞到达下止点前关闭，且随着进气门关闭时刻的提前，油耗逐渐降低。由于在小负荷区域，燃烧爆发压力较低，爆震倾向不明显，因此，燃烧重心AI50均能保持在最佳区域（6~8°CA ATDC）。而燃烧持续期随着进气门关闭时刻提前逐渐增长，且燃烧循环波动IMEPcov%增加，两者均表明进气门关闭较早会导致缸内燃烧恶化，这是因为进气门早关的同时会导致较大的气门重叠角，由于此时排气背压大于进气压力，使部分废气进入燃烧室，缸内残余废气增多，产生内部EGR作用，过多的残余废气会导致燃烧温度降低，火焰传播速度变慢，燃烧稳定性变差。但是，从图中可以看出，尽管燃烧变慢且稳定性变差，但油耗仍呈现降低的趋势，这是因为引入内部EGR后，促使节气门开度增加，进气压力增大，从而达到相同的功率输出，较大的进气压力和节气门开度减小了发动机的泵气损失，从而使油耗降低。亦再次证明了在小负荷区域，泵气损失对油耗影响的重要性，也表明采取米勒循环进一步提高发动机小负荷进气压力，是降低发动机油耗的有效方式。

图5 2 000 r/min、0.2MPa工况下油耗及燃烧参数随IVC变化

2.2 米勒循环对中高负荷油耗的影响

图6 给出了10T和10T_miller发动机在中高负荷下的油耗脉谱图。从图中可以看到，应用米勒循环后，大部分特征点油耗均成降低的趋势，油耗降低在0~8%之间，表明提高发动机膨胀比的同时，采取米勒循环降低发动机有效压缩比可以明显提高发动机热效率。但是，从图中也可以看到，在低转速大负荷区域，米勒循环发动机油耗降低效果并不明显，这是因为尽管采取进气门早关的策略降低发动机有效压缩比，但由于此时的有效压缩比（约10.5）仍大于原机压缩比（9.6），在低速大负荷区域，进气量较大，压缩过程中缸内温度和压力均上升较高，且低速活塞运动速度较慢，缸内末端混合气更容易发生自燃，导致发动机爆震倾向增加，点火角推迟，从而导致热效率降低，油耗增加。

图6 米勒循环对中高负荷油耗降低效果

图7 3 000 r/min、1.2MPa工况下缸压与气缸容积变化

图7 给出了10T原机和10T_miller发动机在3 000 r/min、1.2MPa时的P-V图。与小负荷不同，此时发动机已处于增压区域，发动机进气压力均较大，因此，泵气损失占发动机总能量损失的比例较小。从图中也可以看到，由于增大了发动机压缩比，10T_miller发动机在压缩终了时的体积较小，对于相同排量发动机，意味着其具有更大的膨胀比，从而导致发动机热效率更高，油耗较低。

图 8为 10T_miller发动机在 3 000 r/min、1.2 MPa时油耗及各燃烧参数随进气门关闭时刻的变化。由图8可以看到，在进气VVT初始位置，即在进气下止点前10°CA进气门关闭情况下，发动机油耗最高，燃烧重心最靠后，且燃烧持续期较长，这是因为在进气门关闭后，发动机经过一个绝热膨胀和压缩过程，缸内气体回到相同的状态，再从此点开始进行压缩过程，因此，进气门较晚关闭意味着较大的有效压缩比，导致燃烧室内压缩终了的温度和压力均较高，爆震倾向增加，唯有采取推迟点火的策略，从而导致燃烧重心靠后。同时，由于着火时发动机活塞已向下运行，缸内压力和温度较压缩上止点变低，因此，火焰传播速度也变慢，导致燃烧持续期变长。

而随着进气门关闭时刻的提前，即有效压缩比的降低，爆震倾向逐渐减小，可以采取较大的点火提前角，从而使燃烧重心提前，油耗降低。需要注意的是在下止点前50°CA时进气门关闭，油耗并未进一步降低，这可能是因为进气门开启过于靠前，产生了一定的气门重叠角，由于此时进气压力大于排气压力，对于岐管喷射发动机，会导致岐管内一定量的燃油空气混合气因为扫气的作用直接从排气岐管排除，导致油耗增加。

综上，在中高负荷，采用米勒循环导致油耗降低的原因是因为提高膨胀比，使更多能量转换为有用功的同时，降低发动机的有效压缩比，避免或减轻压缩比升高带来的爆震现象，从而使发动机总的热效率提升，达到降低油耗的目的。

图8 3 000 r/min、1.2MPa工况下油耗和燃烧参数随IVC变化

3 结论

本文通过更改进气凸轮轴，优化进气道和燃烧室形状，将一台1.0L三缸发动机更改为米勒循环发动机，以验证米勒循环对小排量增压发动机油耗的影响，得到的结论有：

1）采用米勒循环可以进一步降低小排量增压发动机的油耗水平，最高热效率从35.9%提升到37.3%。

2）小负荷区域，米勒循环降低发动机油耗的主要原因是提高进气压力，降低部分负荷下的泵气损失。

3）中高负荷区域，米勒循环降低发动机油耗的原因是提高膨胀比，结合进气门早关降低发动机的有效压缩比，但需注意气门重叠角带来的扫气作用对油耗的不利影响。

4）低速高负荷区域由于受到高压缩比影响，容易产生爆震，米勒循环发动机油耗反而恶化，后期开发过程中需平衡压缩比与不同工况点油耗的关系。