Miller循环深度对缸内直喷汽油发动机性能影响的研究

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摘 要：对一款2.0L增压缸内直喷汽油机进行了不同Miller循环深度的发动机试验研究。通过采用不同的进气包角和进气相位以实现不同的Miller循环深度，分别研究了152°CA和170°CA曲轴转角的进气包角在进气门开启（Intake Valve Open， IVO）或进气门关闭相位（Intake Valve Close， IVC）相同时，不同转速和负荷下的发动机比油耗变化。试验结果表明，发动机中、大负荷运行时，152°CA包角的比油耗相对于170°CA包角的油耗最高下降10%;而小负荷运行时，二者的油耗相当。可以得出结论，适度的Miller循环有利于发动机经济性的改善。

关键词：GDI发动机;Miller循环;进气包角;比油耗

中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2018）24-43-04

Study on the Effects of Different Miller Cycles on the Performance for a GDI Engine*

Chen Yancai， Wu Weilong， Chen Hong， Lin Sicong， Li Yuhuai

（ GAC Automobile Engineering Institute， Guangdong Guangzhou 511000 ）

Abstract： Study on the effects of different Miller cycles on engine performance has been done for a 2.0 liter gasoline direct injection engine. Different intake valve event angles were adopted to realize different Miller cycles. And bake specific fuel consumption changing trends are compared when the intake valve open or close phase is the same for 152°CA and 170°CA respectively. Test results indicate that when the engine is operating at middle and large load， comparing to 170°CA intake valve event angle， BSFC decrease by 10% when the intake valve event angle is 152°CA intake valve event angle， while the BSFC is very similar at small load. It can be concluded that reasonable Miller cycle is helpful to the improving of the engine’s economic performance.Keywords： Gasoline Direct Injection Engine; Miller Cycle; Intake Event Angle; Brake Specific Fuel ConsumptionCLC NO.： U464  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2018）24-43-04

前言

汽車工业的发展面临着环境保护与能源危机的双重压力，为满足国家第四阶段油耗限值和国六阶段排放法规，必须提高汽油机的综合性能，实现清洁高效的燃烧。增压中冷直喷汽油机技术达到了小型强化节能的目标^[1-3]，但也带来了爆震倾向增加的问题^[4]。为了进一步提升汽油机的功率密度并降低油耗，可采用有效压缩比小于膨胀比的Miller燃烧循环技术，其所带来的Miller技术效应可以降低压缩终了混合气的温度，进而减少汽油机发生爆震的风险，此外Miller效应可以使发动机采用更高的压缩比，进而提升了发动机经济性。

基于上述背景，文章对不同进气包角对发动机在不同负荷下的经济性能的影响进行了试验研究，以获取Miller循环燃烧技术对发动机性能影响的变化规律。

1 试验系统和试验方法

为了研究不同Miller深度对发动机运行在不同负荷经济性能的影响，在保持发动机其它结构参数不变的条件下，分别采用152°CA包角和170°CA包角的进气凸轮轴。Miller循环的核心是进气门早关，因此本文参照文献[1]定义了描述Miller循环深度的概念—有效压缩比，如公式（1）：

式中，V_KV为进气门早关后压缩延迟容积，单位为mm³;V_h为发动机排量，单位为mm³。

试验研究的对象是一款2.0L直列式四缸涡轮增压GDI汽油机，基本参数如见表1。试验用燃油为92#汽油。

图1为台架试验的结构，在整个试验过程中选择发动机运行在2000r/min的负荷特性进行比油耗的对比。图2为发动机的进排气门型线，进气包角分别为152°CA和170°CA曲轴转角，排气门升程和型线保持不变。

试验过程中，为了提升不同进气包角的比油耗对比精度，将循环波动率COV控制在3%以内，中冷后的进气温度保持45℃±2℃，冷却水进水温度保持88℃±2℃。

2 试验结果与分析

2.1 2000r/min全负荷油耗对比结果与分析

图3展示了2000r/min全负荷工况下，发动机采用152° CA小包角和170°CA大包角进气凸轮轴时，分别在IVO和IVC相同时的油耗对比。

从图3中可以看出，IVO相同时，小进气包角相对于大进气包角油耗降低约25g/kWh，下降幅度约10%;IVC相同时，二者之间的油耗差异减小，但170°CA包角的比油耗仍然较高。

这主要是因为对于增压中冷汽油机而言，IVO相同时小包角进气门在活塞运行到下止点前就已经关闭，为了获得相同的BMEP，进气压力将提升，而进气经过增压中冷后，会导致上止点附件压缩终了的温度较低，这种Miller效应有利于采用激进的点火角将燃烧相位提前（图4），最后获得油耗的改善收益。对于相同的IVC，170°CA大包角通过扫气实现了与152°CA小包角相似的燃烧相位，但过多的扫气将使经济性恶化，两种因素的综合作用导致了此工况点大包角的比油耗仍然偏高。

2.2 2000r/min中大负荷油耗对比结果与分析

发动机采用不同的进气包角运行在2000r/min 14bar和2000r/min 8bar时的比油耗对比和燃烧相位分布情况如图5～8所示。

图5～8的不同包角的比油耗和燃烧相位变化呈现出与2000r/min全负荷相同的变化趋势，但比油耗和燃烧相位的差异在减小。在2000r/min 14bar时，比油耗相差14g/kWh，燃烧相位相差8°CA;而在2000r/min 8bar时，大包角比油耗比小包角大5g/kWh，燃烧相位晚8°CA。这说明随着负荷的降低，由Miller效应带来的燃烧相位提前优势导致油耗改善的收益在减弱。

分析认为，随着负荷的降低，增压压力降低，170°CA包角比152°CA包角压缩终了的温度增加值降低，因此152°CA可以采用的点火提前角度减小，导致最终由燃烧相位为主导的比油耗收益效果较弱。而且通过气门可变正时系统的优化调节，在2000r/min 8bar时，不同进气包角的燃烧相位差异可控制在4°CA以内，而比油耗170°CA包角比152°CA包角仅上升3g/kWh。

2.3 2000r/min小负荷油耗对比结果与分析

图9～12分别给出了发动机运行在2000r/min 2bar和2000r/min 5bar時采用170°CA包角和152°CA包角比油耗和燃烧相位对比。

图9～12的不同包角的比油耗和燃烧相位变化呈现出与2000r/min全负荷、中大负荷不相同的变化趋势，不同包角在小负荷表现出的油耗差异并不明显，并且在进行进气优化后，二者的比油耗几乎相当。

对以上的比油耗和燃烧相位变化的综合分析认为，发动机运行在2000r/min 2bar和2000r/min 5bar工况时，由于进气量少、有效压缩比低，压缩终了的温度较低，爆震不在是点火提前角的限制因素，燃烧相位易于控制在上止点后6～8°CA曲轴转角的最优相位，且燃烧相位在6～8°CA区间对比油耗几乎没有影响。从图12可以确定，170°CA包角和152°CA包角的燃烧相位相差约1.5°CA，但二者的比油耗基本没有差异。

而从图9～12经过进气相位优化的比油耗数据可以看出，152°CA包角所实现的较深的Miller循环和170°CA所实现的较浅的Miller循环油耗基本一致，这说明当发动机其它参数相同，仅改变进气包角对发动机小负荷的比油耗基本没有影响。

综合上述的试验结果和相关分析可以得出结论，Miller效应、燃烧相位、点火提前角、爆震限制、有效压缩比以及大负荷扫气是影响不同Miller循环深度发动机经济性的因素。而且发动机中大负荷和全负荷运行时，Miller效应所影响的压缩终了温度直接控制着点火提前角，进而控制燃烧相位，最终对比油耗产生影响。小负荷运行时，虽然较深度的Miller循环会提升进气压力，但进气包角的减小缩短了进气对活塞的做功时间，因此泵气损失并没有得到很大程度的改善，所以170°CA包角所控制的较浅Miller循环通过进气正时的优化实现了与152°CA包角相同的比油耗。此外，大负荷的扫气会使发动机经济性变差。

3 结论

1）进气包角所控制的Miller效应随着发动机负荷的降低而减弱;发动机大负荷扫气过程会使经济性变差;

2）发动机中大负荷工况及全负荷工况运行时，发动机比油耗主要受燃烧相位和扫气的影响，大包角由于爆震推迟燃烧和大重叠角导致油耗较高，推荐小包角方案;

3）发动机小负荷运行时，进气包角对泵气损失的影响不明显，通过进气相位的优化控制，可以实现不同深度的Miller循环具有相近的比油耗水平。

参考文献

[1] 武彬，杨益民，蒋文虎等.缸内直喷增压汽油机热负荷分析及优化设计[J].汽车技术，2012，446 （11）： 5-8.

[2] 代春雨，洪伟，黄恩利等.增压直喷汽油机部分负荷燃烧及排放特性试验研究[J].汽车技术，2012，449 （8）：18-22，26.

[3] 倪计民，李钊，张小矛等.涡轮增压汽油机匹配计算及性能预测[J].汽车技术，2012，445 （10）：1-3.

[4] M.Sens，S.Zwahr，M.Günthe.可变压缩比在全米勒循環汽油机上的潜力[J].国外内燃机.2017， （1）：49-52.

[5] Shahnawaz Ahmed Khan and Prajod Ayyappath. Design and Deve -lopment of Variable Timing and Lift Mechanism for Improving the Performance of Single Cylinder Two Wheeler Gasoline Engine[C]. SAE paper，2014：01-169.

[6] Jimin Ni.Automobile Internal Combustion Engine Theory[M]. Shang -hai：Tongji University Press，1997，1.

[7] Jiaxiang Lu. Turbocharger Technology for Diesel Engine[M].Beijing： Mechanical and Industrial Press，1999，12.

[8] Maktoto Hagashi. Development of a Turbo charging System with Variable Area Turbine Nozzle for HD Trucks[C]. SAE paper， 920045.

[9] Akiyuki Yonekawa， Masaki Ueno， Osamu Watanabe， et al. Develop -ment of New Gasoline Engine for ACCORD Plug-in Hybrid[C]. SAE paper， 2013-01-1738.

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