基于燃油经济性的Atkinson循环发动机优化设计研究

摘 要：【目的】将传统Otto循环发动机改型设计为混合动力Atkinson循环发动机，以提高发动机燃油经济性。【方法】以某Otto循环发动机为原型机，建立发动机GT-power仿真模型，通过提高发动机压缩比，增大进气凸轮工作包角，将原机仿真模型改型为Atkinson循环发动机仿真模型。利用Atkinson循环发动机仿真模型对发动机进气凸轮工作包角、进气门关闭时刻和排气门关闭时刻进行优化分析，确定最佳参数。【结果】Atkinson循环发动机在外特性工况下扭矩有所下降，燃油消耗率最高降低了7.2%；最低燃油消耗率由原型机的244 g/kW·h降至235 g/kW·h，低油耗区域转速范围增大。【结论】试验结果显示，优化后的Atkinson循环发动机燃油经济性得到了改善，满足混合动力汽车对发动机的工作需求，证明了优化设计方法的可行性。

关键词：Atkinson循环；进气门关闭时刻；燃油消耗率

中图分类号：TK411 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）16-0041-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.009

Research on Optimization Design of Atkinson Cycle Engine

Based on Fuel Economy

CHEN Xiaoqiang ZHAO Xin

（Henan Polytechnic of School of Automotive and Transportation， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] This paper redesigns the traditional Otto cycle engine into a hybrid Atkinson cycle engine to improve engine fuel economy.[Methods] Using the Otto cycle engine as a prototype， a GT-power simulation model of the engine was established. By increasing the compression ratio of the engine and the working angle of the intake cam， the original simulation model is modified into an Atkinson cycle engine simulation model. The Atkinson cycle engine simulation model is used to optimize and analyze the working angle of the engine intake cam， the closing time of the intake valve， and the closing time of the exhaust valve， thus determining the optimal parameters.[Findings] The Atkinson cycle engine shows a decrease in torque under external characteristic conditions， with the highest fuel consumption rate reduced by 7.2%; the minimum fuel consumption rate has decreased from 244 g/kW·h of the original engine to 235 g/kW·h， and the speed range in the low fuel consumption area has increased.[Conclusions] The experimental results show that the fuel economy of the optimized Atkinson cycle engine has been improved， meeting the working requirements of hybrid vehicles for the engine， and proving the feasibility of the optimization design method.

Keywords： Atkinson cycle; intake valve closing timing; fuel consumption rate

0 引言

传统Otto循环汽油机采用节气门调节负荷，泵气损失大，造成发动机在低负荷工况工作时燃油消耗率高［1-3］。此外，当前电动汽车电池技术、续航里程等方面还存在一些技术难题［4］。相较而言，混合动力汽车以其独特的优势能够克服上述弊端，是当前汽车产业发展的一个重要方向［5］。从节能和环保的角度看，传统Otto循环汽油机不能满足混合动力汽车的要求，目前混合动力汽车普遍采用Atkinson循环发动机。Atkinson循环发动机通过晚关进气门，将部分进气推回进气歧管，使做功行程大于有效压缩行程，从而提高了燃油经济性，但同时也会导致动力性有所下降。所以在混合动力汽车低速低负荷工况时，可以让电动机取代发动机工作，发挥电动机低速大扭矩的优势，弥补Atkinson循环发动机动力不足的缺陷，而在中等负荷工况时采用发动机工作，发挥Atkinson循环发动机高效率、低油耗的优势，从而更好地实现节能减排［6］。因此，Atkinson循环发动机已成为混合动力汽车专用发动机。

本研究利用GT-Power仿真软件建立某传统Otto循环发动机仿真模型，然后通过提高发动机几何压缩比，增大进气凸轮工作包角，将其改型设计为Atkinson循环发动机。在此基础上，以提高燃油经济性为优化目标，分别对进气门关闭时刻和排气门关闭时刻进行参数优化，最后通过台架试验验证优化后的Atkinson循环汽油机燃油经济性的改善效果。

1 仿真模型建立及校核

本研究以一款自然吸气的传统Otto循环发动机为原型机，发动机基本参数见表1。根据原机结构布置形式，建立一维GT-power仿真模型，然后在模型中输入边界条件和不同模块的几何参数，其中燃烧模型选择准三维预测SITurb燃烧模型，传热模型选择Woschni传热模型，在仿真模型中对部分复杂管路进行简化处理。

为了确保GT-power仿真模型仿真结果准确可靠，根据原机试验数据，通过与仿真计算结果进行对比，对仿真模型进行校核。外特性工况扭矩和燃油消耗率的仿真计算结果和试验数据对比如图1所示。由图1可知，在全转速范围内发动机扭矩和燃油消耗率的仿真计算结果和试验数据最大误差在5%以内，与试验数据吻合较好，因此可以认为该仿真模型有较高的精度，能够用于下一步的分析研究。

2 燃油经济性优化

2.1 结构改型设计

根据混合动力发动机的使用设计要求，以发动机转速2 000 r/min、扭矩80 N·m工况点为例进行优化研究。由于Otto循环和Atkinson循环的有效压缩起始点不同，因而 Atkinson循环有效压缩比较原机的压缩比小，使得发动机工作远离爆震边界，这就为提高几何压缩比留下了空间［7］，提高几何压缩比主要通过增加活塞顶面高度来实现。原机几何压缩比为10.5，本研究设计几何压缩比为13。同时增大进气凸轮工作包角，设计新的进气凸轮型线。原机进气凸轮工作包角为270°，本设计进气凸轮工作包角为290°和300°两种进气凸轮型线，进气凸轮型线如图2所示。

2.2 进气门关闭时刻优化

Atkinson循环发动机工作过程包括进气、进气回流、压缩、做功和排气，其中进气回流是由于进气门延迟关闭，活塞上行时将部分混合气推回至进气歧管中，因此需要对改型设计的Atkinson循环发动机进气门关闭时刻进行优化，以确定最佳进气门关闭时刻。

在原机配气相位的基础上，推迟发动机进气门关闭时刻，原机进气门关闭时刻为下止点后的74°～101°，本次优化选择进气门关闭时刻为下止点后的111°～131°，每隔5°进行一次仿真计算。该工况下两种进气凸轮型线的发动机热效率、泵气损失和燃油消耗率随进气门关闭时刻的变化如图3所示。

由图3（a）可知，随着进气门关闭时刻的推迟，热效率逐渐下降，这是由于过多的进气回流和有效压缩比的降低导致燃烧过程中出现恶化现象。当进气门关闭时刻不变时，Atkinson循环发动机进气凸轮工作包角为290°，比300°的热效率高，原因是相同的进气门关闭时刻，进气凸轮工作包角越小，则气门重叠角越小，混合气倒流量少，因此热效率相对较高。由图3（b）可知，进气门关闭时刻越晚，气泵损失越小，这是由于随着进气门关闭时刻的推迟，在压缩过程中较多的混合气倒流至进气歧管中，导致缸内混合气量减少，为了保证该负荷下所需的混合气量，必须增大节气门开度，以降低节流损失。而在相同的进气门关闭时刻，进气凸轮工作包角越小，泵气损失越小。由图3（c）可知，燃油消耗率随着进气门关闭时刻的推迟，呈先降低后增大的变化趋势，在进气门关闭时刻为121°时，燃油消耗率最低，当进气门关闭时刻一定时，进气凸轮工作包角290°则比300°的燃油消耗率低。

因此，根据优化计算结果，综合考虑发动机燃油经济性、热效率和泵气损失等因素，最终选择Atkinson循环发动机进气凸轮工作包角为290°，进气门关闭时刻为下止点后121°。

2.3 排气门关闭时刻优化

根据热力循环理论的相关知识［8］，理想Atkinson循环的指示热效率计算公式见式（1）。

[ηi=1-kλρk-1-1λ-1] （1）

式中：[λ]为压力升高比；[ρ]为膨胀比；[k]为绝热指数。

由式（1）可知，理想Atkinson循环的指示热效率[ηi]与膨胀比[ρ]呈正相关。可见，理想情况下推迟发动机排气门关闭时刻，膨胀功率增大，则热效率增加。为了分析实际应用中Atkinson循环发动机排气门关闭时刻对燃油消耗率的影响，在原机排气门关闭时刻的基础上，取排气关闭推迟角为0～15 °，每推迟5 °进行仿真计算。仿真计算得到的燃油消耗率和热效率结果如图4所示。

由图4可知，随着排气关闭推迟角的增大，发动机热效率略微有所增大，最大增幅为0.2%，但燃油消耗率却逐渐增加。主要原因是原排气门关闭时刻时，气缸内瞬时膨胀压力较小，已经没有膨胀的潜力，再通过推迟排气门开启时刻所获得的膨胀功较小。所以实际推迟排气门关闭时刻对降低燃油消耗率改善不大，因此排气门关闭时刻保持不变。

3 试验结果

根据仿真优化结果，在原机基础上重新设计并安装新的进气凸轮轴和活塞，开发出Atkinson循环发动机样机。在台架上对Atkinson循环汽油机进行标定试验，在小负荷时调节节气门和可变气门正时系统（Variable Valve Timing，VVT）共同控制负荷变化，在中大负荷时保持节气门全开，调节 VVT来控制负荷变化。由于Atkinson循环发动机主要在中低转速工作，因此在中低转速标定时主要以改善燃油经济性为主，在高转速时保证发动机动力输出。标定过程中应时刻监测排气温度，使其低于850 °C，以保护三元催化转化器，同时监听爆震音响，以防止发动机发生爆震。

发动机外特性下测得的原机和优化后的Atkinson循环发动机的扭矩和燃油消耗率的对比如图5所示。由图5可知，Atkinson循环发动机最大扭矩从146 N·m降低至127 N·m，在中低转速时燃油消耗率最高降幅为7.2%，在高转速时燃油消耗率最高降幅为2.1%。

原机与优化后的Atkinson循环汽油机的万有特性曲线对比如图6所示。由图6可知，原机最低燃油消耗率为244 g/kW·h，优化后的Atkinson循环汽油机最低燃油消耗率为235 g/kW·h。在转速1 600～3 600 r/min、扭矩70～110 N·m的区域内为Atkinson循环发动机的低油耗区，是混合动力发动机主要运行工况，并且244 g/kW·h低油耗区转速范围比原机的更宽，可以更好提高混合动力汽车的燃油经济性。因此，优化后的Atkinson循环发动机达到了提高燃油经济性的目标。

4 结论

本研究通过建立某Otto循环发动机GT-power仿真模型，根据改型设计方案，更改仿真模型中发动机压缩比、进气凸轮型线结构参数，将其改型为Atkinson循环发动机仿真模型。以提高燃油经济性为目标，对两种不同进气工作包角的凸轮型线和进气门关闭时刻、排气门关闭时刻进行仿真优化计算。根据仿真优化计算的结构参数和控制参数，设计开发Atkinson循环发动机样机，并进行台架标定试验。通过对发动机试验数据进行分析，得出以下结论。

①由于Atkinson循环发动机存在进气回流过程，在外特性工况下，Atkinson循环发动机最大扭矩从原机的146 N·m降至127 N·m。在中低转速时燃油消耗率最高降幅为7.2%，在高转速时燃油消耗率最高降幅为2.1%。

②通过对比万有特性曲线可知，Atkinson循环发动机最低燃油消耗率由原机的244 g/kW·h降至235 g/kW·h，并且低油耗区域转速范围比原机的更宽，更加适应混合动力汽车的工作需求。

③试验结果证明改型设计方案和仿真优化方法正确可行，研究成果为Atkinson循环发动机开发设计提供参考。

参考文献：

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