米勒循环与阿特金森循环凸轮轴摩擦扭矩对比研究

刘振兴 ， 欧阳宪林 ， 景国玺 ， 曾小春 ， 张文凯

（1.江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330000；2.河北工业大学，天津 300000）

0 前言

不断提高发动机热效率是发动机发展的重要趋势。对于汽油机，部分负荷泵气损失和高负荷爆震是限制其热效率的主要原因[1-2]，因此，降低泵气损失和抑制爆震对提高燃油经济性具有重要意义[3-4]。泵气损失，主要原因是缸内压力在进气冲程低于排气冲程，这是汽油机在部分负荷工况时，燃油经济性较差的一个原因。减少压缩过程的消耗功、充分提高膨胀过程的膨胀程度，是提高内燃机热效率和燃油经济性行之有效的方法[5]。

米勒循环和阿特金森循环正是在此想法的基础上被创造出来的。1882 年，英国工程师詹姆斯·阿特金森在奥托循环内燃机的基础之上,通过复杂的连杆机构，实现发动机做功行程长度大于压缩行程，达到发动机的膨胀比高于压缩比的目的。做功行程更长，就可以进一步利用燃烧后缸内残存废气的高压做功，有效提高发动机效率，这就是阿特金森循环[5]。1947 年，由于可变气门技术的发展，美国人罗尔夫·米勒发明米勒循环发动机，通过调节气门正时实现发动机膨胀比高于压缩比，避免了复杂的机械结构，结构可靠性增加，改善了阿特金森循环[5]。

基本型循环（奥托循环）、米勒循环和阿特金森循环的最大区别是，基本型循环压缩比等于膨胀比；米勒循环和阿特金森循环压缩比小于膨胀比[6]。本文通过对这三种循环对比分析，理论计算与仿真分析结合，综合比较了三种循环凸轮的接触力、力臂以及摩擦扭矩之间的关系，为以后凸轮的选型设计以及提高燃油经济性的措施有重要的指导意义。

1 研究对象

本文以一款1.5L GTDI汽油机为研究对象。通过改变三种循环[米勒循环、基本型（奥托循环）、阿特金森循环]不同的进气凸轮对三种凸轮的摩擦扭矩进行仿真与实验，对比分析结果，研究三种凸轮的摩擦扭矩趋势变化，图1为三种凸轮的实物对比图。

图1 三种凸轮实物对比图

2 仿真模型建立

三种凸轮配气机构动力学模型是一致的，只是凸轮型线参数不同。目前，测量凸轮升程值一般采用两种方法[7-9]。1）接触测量法：在凸轮轮廓测量仪或三坐标测量机上对凸轮廓形进行接触测量。2）成像测量法：在万能工具显微镜上通过光学成像测量凸轮廓形。

如图2三种凸轮升程对比所示：由于米勒循环是通过进气门提前关闭实现，米勒循环凸轮包角最小，因此也导致米勒循环凸轮的升程最小，外观看起来就是最“矮”。阿特金森循环是通过进气门延迟关闭实现，阿特金森循环凸轮包角最大，升程随着提高，外观看起来就是最“胖”。居中的就是奥托循环凸轮。

图2 三种凸轮升程对比图

配气机构模型采用动力计算软件EXCITE Timing Drive建模，利用软件的优化设计与动态仿真，可在设计初期进行设计参数变化对性能影响的仿真试验，在新产品开发设计或改进设计过程中，可大幅度提高其设计精度和效率。由于是4缸汽油机，每缸有2个进气门，整个进气机构有8个进气门。图3为配气机构动力学计算模型。

图3 配气机构计算模型

3 计算结果分析

3.1 凸轮及从动件接触力对比

在发动机低转速时，惯性力的作用不明显，接触力主要与弹簧力相关，最大接触力出现在凸轮最大升程处。在发动机高转速时，惯性力与弹簧力作用相当，凸轮加速度产生很大的冲击影响到接触力，在凸轮正加速度区域，惯性力与弹簧力叠加，使接触力增加。在负加速度段，惯性力抵消弹簧力是接触力减小。在发动机转速很高时，接触力主要由最大惯性力决定。

由于米勒循环凸轮最大升程更小，在低速时接触力最小，在高速时，接触力反而最大。如图4所示，从三种凸轮接触力分布看，接触力最大值差别不大。主要区别是接触力持续时间不一样，阿特金森循环凸轮延迟了进气门的关闭时刻，凸轮包角最大，接触力持续时间最长，奥托循环凸轮次之，米勒循环凸轮最小。

3.2 凸轮轴摩擦扭矩计算

图4 凸轮及从动件接触力对比图

凸轮轴摩擦力矩主要来源于凸轮轴于摇臂滚体接触摩擦力。图5为凸轮轴摩擦扭矩计算示意图。凸轮与从动件摩擦力F可由滚体滚动轴承得到，r是滚体半径。则摩擦力矩为：

图5 凸轮轴摩擦扭矩计算

3.3 力臂计算对比

力臂R2最大值由凸轮最大升程决定，米勒循环凸轮由于最大升程最小，故其力臂最大值最小。奥托与阿特金森循环凸轮由于最大升程相当，所以力臂最大值相当，均出现在凸轮转角180°附近。阿特金森循环凸轮由于包角最大，所以接触的范围最大。奥托循环凸轮次之，米勒循环凸轮最小。图6为三种凸轮力臂对比。

图6 力臂对比图

3.4 凸轮轴扭矩计算与实测结果

通过上述的摩擦力矩计算方法可得到三种凸轮的摩擦力矩。在低转速时，摩擦力矩较大，主要是由于低转速时，力臂起作用范围内，摩擦力矩较大。随着转速升高，力臂起作用范围内，凸轮接触力降低。摩擦力矩随着降低。

三种进气凸轮的摩擦扭矩还可以通过倒拖实验测试得到。计算结果显示，气门及从动件摩擦扭矩与发动机转速成线性反比，阿特金森与基本型有同样的特性。米勒循环发动机只有阿特金森及基本型循环发动机的一半。与实测对比，实测摩擦扭矩与发动机转速呈现更强的非线性。计算与实测还有明显的区别是：三种循环发动机凸轮摩擦扭矩分布差异一致；米勒循环发动机最小摩擦扭矩在3 000rpm，不是在最大发动机转速，在3 000rpm以上，米勒及阿特金森循环发动机摩擦扭矩随发动机转速上升。

4 结论

通过对比基本型(奥托)装配普通进气凸轮轴、米勒循环发动机装配短进气凸轮、阿特金森装配长进气凸轮三种进气凸轮轴摩擦扭矩的区别，如图7所示。得出以下结论。

图7 三种凸轮摩擦力矩对比图

1）三种进气凸轮轴接触力大小近似相等，但阿特金森循环凸轮接触时间最长，米勒循环凸轮接触时间最短，这是由凸轮升程的差异导致的。

2）三种进气凸轮轴的力臂，米勒循环凸轮的力臂最小，其余两种凸轮力臂大小相差不大。力臂的大小为以后的摩擦扭矩计算提供了基础。

3）米勒循环发动机摩擦扭矩低于基本型，阿特金森循环发动机摩擦扭矩高于基本型。阿特金森循环与基本型循环的差异、基本型循环与米勒循环的差异类似。并通过试验实测数据，显示模拟计算结果与实测结果接近。

4）尽管计算扭矩没有表示出与发动机转速的非线性关系，但是三者的区别还是与实测一致。计算结果在2 500rpm以下对凸轮摩擦扭矩预测比较合理。随着转速升高，预测结果偏差越大。