阿特金森高效發(fā)動機(jī)設(shè)計開發(fā)及試驗驗證

郭東劭 胡景彥 吉炎 馬學(xué)建 劉清昭

（1.浙江錢江摩托股份有限公司；2.寧波市鄞州德來特技術(shù)有限公司）

隨著國家節(jié)能減排法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的逐漸加嚴(yán)，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域希望能夠進(jìn)一步應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，大幅度實現(xiàn)節(jié)能減排效果。國外知名車企的高效發(fā)動機(jī)技術(shù)已成功上市[1-3]，并匹配于部分車型，后續(xù)會全面應(yīng)用覆蓋，而國內(nèi)高效發(fā)動機(jī)的設(shè)計開發(fā)還處于起步階段?；诖耍恼麻_發(fā)了一款高效阿特金森發(fā)動機(jī)，達(dá)到了40%的熱效率水平，目前正處于小批量生產(chǎn)階段，預(yù)計于2019 年年底上市。

1 項目目標(biāo)確定

1.1 發(fā)動機(jī)總體設(shè)計開發(fā)目標(biāo)

本項目的目標(biāo)是設(shè)計和開發(fā)一款四缸阿特金森汽油發(fā)動機(jī)，滿足國產(chǎn)化生產(chǎn)需求，達(dá)到技術(shù)協(xié)議要求的性能、油耗、國Ⅵ排放的工程目標(biāo)。該發(fā)動機(jī)主要技術(shù)特征包括：阿特金森循環(huán)、高滾流氣道、高壓縮比、中置雙VVT、外部冷卻EGR 等，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能指標(biāo)，如表1 所示。

表1 四缸阿特金森汽油發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能指標(biāo)

發(fā)動機(jī)主要指標(biāo)包括發(fā)動機(jī)額定功率、發(fā)動機(jī)最大扭矩、低速扭矩、發(fā)動機(jī)關(guān)鍵油耗點等，體現(xiàn)了該款發(fā)動機(jī)主要的性能目標(biāo)水平。

1.2 發(fā)動機(jī)關(guān)鍵油耗點目標(biāo)

根據(jù)發(fā)動機(jī)使用需要，增加了關(guān)鍵油耗點指標(biāo)要求，如表2 所示。這些指標(biāo)來源于整車常用運行工況點。

表2 發(fā)動機(jī)關(guān)鍵油耗點指標(biāo) g（/kW·h）

該款發(fā)動機(jī)的動力目標(biāo)與原機(jī)基本一致，整車油耗目標(biāo)是在原機(jī)基礎(chǔ)上降低15%。另外，該款高效阿特金森發(fā)動機(jī)適用于其它新能源平臺。

2 阿特金森高效發(fā)動機(jī)性能目標(biāo)可行性

2.1 外特性目標(biāo)評估

根據(jù)整車動力性要求，包括最高車速、爬坡性、加速性能（起步加速和超越加速），對阿特金森高效發(fā)動機(jī)功率、扭矩性能進(jìn)行模擬評估，同時計算分析該款發(fā)動機(jī)的外特性油耗，得到外特性目標(biāo)可行性結(jié)果，如圖1 所示。表3 示出發(fā)動機(jī)硬件選型試驗方案。不同的方案代表不同的氣門升程、氣道滾流、壓縮比等的合理組合。

圖1 阿特金森高效發(fā)動機(jī)外特性目標(biāo)可行性預(yù)測結(jié)果

表3 發(fā)動機(jī)硬件選型試驗方案

從圖1a 中可以看出，3 種方案能夠滿足扭矩可行的指標(biāo)為方案1 和方案2；從圖1b 中可以看出，3 種方案都可以滿足最大功率指標(biāo)要求；從圖1c 中可以看出，與原機(jī)相比，阿特金森外特性油耗并無優(yōu)勢。阿特金森高效發(fā)動機(jī)主要通過降低常用工況點油耗率來降低整車油耗，外特性油耗對整車油耗影響很小。

2.2 關(guān)鍵油耗點目標(biāo)評估

發(fā)動機(jī)關(guān)鍵油耗點為油耗占比最大的一些點，體現(xiàn)了整車的油耗水平。整車油耗的下降主要靠降低關(guān)鍵油耗點的油耗指標(biāo)。不同的整車匹配車型，關(guān)鍵油耗點會有所差異，應(yīng)根據(jù)整車車型參數(shù)來定義關(guān)鍵油耗點。從關(guān)鍵油耗點中取出占比最大的3 個點進(jìn)行油耗水平評估，如圖2 所示。

圖2 阿特金森高效發(fā)動機(jī)關(guān)鍵油耗點水平預(yù)測結(jié)果

3 阿特金森高效發(fā)動機(jī)技術(shù)應(yīng)用

實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的高效性能，必須滿足相關(guān)技術(shù)（阿特金森技術(shù)、高滾流氣道技術(shù)、高壓縮比技術(shù)、外部中冷EGR 技術(shù)、中置VVT 技術(shù)、高效率燃燒室技術(shù)等）應(yīng)用要求。每項技術(shù)的成功應(yīng)用，需要經(jīng)過多輪的優(yōu)化分析、設(shè)計改型，最終選取最佳的技術(shù)匹配效果。文章對阿特金森高效發(fā)動機(jī)的4 個主要應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行闡述。

3.1 阿特金森技術(shù)應(yīng)用

圖3 示出奧托循環(huán)和阿特金森循環(huán)在部分負(fù)荷的示功圖對比。阿特金森循環(huán)通過進(jìn)氣門晚關(guān)將部分已進(jìn)入氣缸的氣體推出，進(jìn)入進(jìn)氣歧管，增加了進(jìn)氣歧管壓力，減小了泵氣損失，從而降低了部分負(fù)荷油耗[3]。

圖3 奧托循環(huán)和阿特金森循環(huán)在2 000 r/min，4×105 Pa 工況的示功圖

阿特金森循環(huán)的節(jié)油效果主要是通過增加膨脹功能量、減少泵氣損失2 個途徑來達(dá)到。

3.2 高滾流比氣道技術(shù)應(yīng)用

圖4 和圖5 分別示出阿特金森高效發(fā)動機(jī)與原機(jī)的氣流速度及湍動能效果對比。從圖4 和圖5 中可以看出，優(yōu)化改型后發(fā)動機(jī)的氣道湍動能和滾流比均大幅高于原機(jī)，更有利于缸內(nèi)混合氣的快速燃燒[1-3]，從而提升發(fā)動機(jī)效率。從圖4 可以明顯看出，終版改型機(jī)缸內(nèi)氣流組織性更好，體現(xiàn)為Y 方向滾流比較高。

圖4 阿特金森高效發(fā)動機(jī)與原機(jī)的氣流速度切片圖

3.3 高性能燃燒技術(shù)應(yīng)用

燃燒室采用緊湊型設(shè)計開發(fā)理念，進(jìn)一步降低燃燒室面容比，提升擠氣效果。燃燒室采用遮蔽機(jī)構(gòu)能夠在增大滾流的同時降低流量系數(shù)損失，配合高滾流氣道及活塞，從而形成較為理想的缸內(nèi)流動組織。圖6 示出帶有遮蔽機(jī)構(gòu)的高效燃燒室；圖7 示出高效燃燒室燃燒組織性滾流比和湍動能提高效果。

圖6 阿特金森高效發(fā)動機(jī)帶遮蔽機(jī)構(gòu)的燃燒室

圖7 高效燃燒室燃燒組織性滾流比和湍動能

3.4 外部廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)應(yīng)用

采用外部中冷EGR 技術(shù)，可以提升燃燒氣體比熱容，抑制爆震，提升壓縮比，減少泵氣損失，進(jìn)一步達(dá)到降低油耗的目的[2-3]。圖8 示出EGR 系統(tǒng)示意圖，包括EGR 冷卻器、EGR 閥、EGR 管路等。

圖8 發(fā)動機(jī)廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)總成

圖9 示出EGR 率控制示意圖。EGR 率大小與EGR 閥、EGR 冷卻器及管路的設(shè)計有關(guān)，要保證足夠的EGR 率，必須滿足整個管路壓損的設(shè)計要求。圖10 示出某一工況下EGR 率對油耗的影響。

圖9 廢氣再循環(huán)（EGR）率控制示意圖

圖10 廢氣再循環(huán)（EGR）率對油耗的影響

從圖10 可見，EGR 率增大是保證油耗大幅度降低的必要條件；從3 種方案的對比可以看出，EGR 率對最低油耗率的影響達(dá)到22 g/kW·h。

4 試驗驗證

阿特金森高效發(fā)動機(jī)的開發(fā)需要開展熱力學(xué)開發(fā)硬件選型試驗、標(biāo)定試驗、國Ⅵ排放試驗、可靠性試驗等。文章主要對阿特金森高效發(fā)動機(jī)熱力學(xué)開發(fā)硬件選型試驗進(jìn)行相應(yīng)展示，體現(xiàn)阿特金森高效發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性水平，同時與定義的項目目標(biāo)進(jìn)行對比，展示各個項目目標(biāo)的達(dá)成效果。硬件選型試驗方案，如表3 所示。

4.1 外特性試驗結(jié)果

阿特金森高效發(fā)動機(jī)裝配完成后，進(jìn)行熱力學(xué)硬件選型試驗開發(fā)，主要包括凸輪軸選型、壓縮比選型、氣道選型、冷卻EGR 進(jìn)出氣位置選擇等。圖11 示出阿特金森高效發(fā)動機(jī)外特性試驗結(jié)果。

圖11 阿特金森高效發(fā)動機(jī)外特性試驗結(jié)果

從圖11a 可以看出，方案1 和方案2 滿足外特性最大扭矩目標(biāo)（大于170 N·m）要求；從圖11b 可以看出，方案1 和方案2 都滿足額定功率目標(biāo)（大于90 kW）要求；從圖11c 可以看出，與原機(jī)奧托循環(huán)相比，阿特金森循環(huán)的點火角提前，這也是阿特金森節(jié)油的主要原因之一。

4.2 萬有特性試驗結(jié)果

萬有特性試驗結(jié)果主要體現(xiàn)關(guān)鍵部分負(fù)荷點油耗測試結(jié)果、EGR 率測試結(jié)果、燃燒測試結(jié)果、燃燒穩(wěn)定性結(jié)果以及萬有特性油耗MAP 等。圖12 示出阿特金森發(fā)動機(jī)萬有特性試驗關(guān)鍵油耗點的油耗測試結(jié)果。

圖12 阿特金森發(fā)動機(jī)萬有特性試驗關(guān)鍵油耗點的油耗測試結(jié)果

從圖12a 可以看出，方案6 在最低油耗率工況點的油耗率為210 g/kW·h。按汽油低熱值為42.5×106J/kg計算，該阿特金森發(fā)動機(jī)實現(xiàn)了最高熱效率為40%的目標(biāo)。

從圖12 可以看出，與其他方案相比，方案4 的EGR 率偏低，油耗率偏高，當(dāng)其他方案EGR 率較高時，油耗率相對較低。由此得出，較高的EGR 率可以明顯降低油耗率。

更關(guān)鍵的結(jié)果是燃燒測試結(jié)果，此結(jié)果以燃燒角度形式體現(xiàn)，包括某些關(guān)鍵工況點的燃料燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%（CA50）和90%（CA90）的角度，圖13 示出最低油耗率工況點燃燒CA50 和CA90 角度。從圖13 可以看出，多數(shù)方案最低油耗率工況的CA50 處于點火上止點后8～9°CA，有利于提高有效熱效率。

圖13 阿特金森高效發(fā)動機(jī)萬有特性試驗最低油耗率工況點的燃燒測試結(jié)果

圖14 示出某些工況下燃燒穩(wěn)定性的測試結(jié)果，此結(jié)果包括帶和不帶EGR 的2 種狀態(tài)的燃燒穩(wěn)定性結(jié)果。從圖14 可以看出，2 種EGR 狀態(tài)的燃燒穩(wěn)定性差異不大，均滿足燃燒穩(wěn)定性企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求（在2 000 r/min，2×105Pa，要求燃燒穩(wěn)定性≤3；在其他＞2×105Pa 的工況點，要求燃燒穩(wěn)定性≤3）。

圖14 阿特金森高效發(fā)動機(jī)萬有特性試驗燃燒穩(wěn)定性測試結(jié)果

發(fā)動機(jī)萬有特性試驗是發(fā)動機(jī)全MAP 測試，可以體現(xiàn)出發(fā)動機(jī)油耗水平以及關(guān)鍵油耗區(qū)域，如圖15 所示，該款阿特金森最低油耗率可以達(dá)到210 g/kW·h，對應(yīng)著40%的熱效率。完整的最小油耗等值線為220 g/kW·h，最低油耗率范圍在中負(fù)荷，更適用于新能源工況，最低油耗區(qū)域轉(zhuǎn)速寬度和負(fù)荷高度范圍都大幅度提升，可以在較大的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍保持較好的經(jīng)濟(jì)效果。

圖15 阿特金森高效發(fā)動機(jī)萬有特性試驗油耗率測試結(jié)果

5 結(jié)論

文章對阿特金森高效發(fā)動機(jī)進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化、CAE 分析和相關(guān)試驗驗證，開發(fā)出了萬有最低油耗率為210 g/kW·h 的發(fā)動機(jī)產(chǎn)品，實現(xiàn)了40%有效熱效率的目標(biāo)。說明了阿特金森高效發(fā)動機(jī)大幅度降低油耗是可行的，效果明顯且降低幅度大，同時性價比較高，是降低油耗主要的核心技術(shù)措施。同時，阿特金森高效發(fā)動機(jī)也更適用于新能源車型，例如混合動力車、增程式電動車，更能發(fā)揮傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的最佳效率，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

阿特金森高效發(fā)動機(jī)技術(shù)成功的設(shè)計開發(fā)和試驗驗證，預(yù)示著我國高效發(fā)動機(jī)技術(shù)良好的開端。未來幾年里，高效發(fā)動機(jī)技術(shù)必將遍布汽車各個車型應(yīng)用，而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)也必將遵循高效這一主題。將高效內(nèi)燃機(jī)與電氣化完美結(jié)合是一條達(dá)到節(jié)能減排效果的正確而有效的路徑。