隨著國(guó)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(shí)現(xiàn) 節(jié)能減排效果。國(guó)外知名車企的高效發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已成 功上市[1- 3]，并匹配于部分車型，后續(xù)會(huì)全面應(yīng)用覆蓋， 而國(guó)內(nèi)高效發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)還處于起步階段?；?此，文章開發(fā)了一款高效阿特金森發(fā)動(dòng)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。

1.項(xiàng)目目標(biāo)確定

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)開發(fā)目標(biāo)

本項(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)和開發(fā)一款四缸阿特金森汽 油發(fā)動(dòng)機(jī)，滿足國(guó)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(guó)Ⅵ排放的工程目標(biāo)。該發(fā)動(dòng)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。



發(fā)動(dòng)機(jī)主要指標(biāo)包括發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率、發(fā)動(dòng)機(jī)最 大扭矩、低速扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵油耗點(diǎn)等，體現(xiàn)了該款 發(fā)動(dòng)機(jī)主要的性能目標(biāo)水平。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵油耗點(diǎn)目標(biāo)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用需要，增加了關(guān)鍵油耗點(diǎn)指標(biāo)要 求，如表 2 所示。這些指標(biāo)來源于整車常用運(yùn)行工況點(diǎn)。



該款發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(dòng)機(jī)適用于其它新能源平臺(tái)。

2 阿特金森高效發(fā)動(dòng)機(jī)性能目標(biāo)可行性

2.1 外特性目標(biāo)評(píng)估

根據(jù)整車動(dòng)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(duì)阿特金森高效發(fā)動(dòng)機(jī)功 率、扭矩性能進(jìn)行模擬評(píng)估，同時(shí)計(jì)算分析該款發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)硬件選型試驗(yàn)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。




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(shì)。阿特 金森高效發(fā)動(dòng)機(jī)主要通過降低常用工況點(diǎn)油耗率來降 低整車油耗，外特性油耗對(duì)整車油耗影響很小。

2.2 關(guān)鍵油耗點(diǎn)目標(biāo)評(píng)估

發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵油耗點(diǎn)為油耗占比最大的一些點(diǎn)，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(diǎn)的油耗指標(biāo)。不同的整車匹配車型，關(guān)鍵油耗點(diǎn)會(huì)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(diǎn)。從關(guān)鍵油耗點(diǎn)中取出占比最大的 3 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行油耗 水平評(píng)估，如圖 2 所示。





3  阿特金森高效發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)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(xiàng)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(jì)改型，最終選取最佳的技術(shù)匹配效果。文章對(duì) 阿特金森高效發(fā)動(dòng)機(jī)的 4 個(gè)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(duì)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。VOFF.燃燒室容積與最大燃燒室容積之比。


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(gè)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(dòng)機(jī)與原機(jī) 的氣流速度及湍動(dòng)能效果對(duì)比。從圖 4 和圖 5 中可以看出，優(yōu)化改型后發(fā)動(dòng)機(jī)的氣道湍動(dòng)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，從而提升發(fā)動(dòng)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。



3.3 高性能燃燒技術(shù)應(yīng)用

燃燒室采用緊湊型設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)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(dòng)能提高效果。






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(dòng)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(jì)有關(guān)，要保證足夠的EGR 率，必須滿足整個(gè)管路壓損的設(shè)計(jì)要求。圖 10 示 出某一工況下 EGR 率對(duì)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(duì)比可以看出，EGR 率對(duì) 最低油耗率的影響達(dá)到 22 g/kW·h。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

阿特金森高效發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)需要開展熱力學(xué)開發(fā)硬件選型試驗(yàn)、標(biāo)定試驗(yàn)、國(guó)Ⅵ排放試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn) 等。文章主要對(duì)阿特金森高效發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)開發(fā)硬件選型試驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)展示，體現(xiàn)阿特金森高效發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性水平，同時(shí)與定義的項(xiàng)目目標(biāo)進(jìn)行對(duì) 比，展示各個(gè)項(xiàng)目目標(biāo)的達(dá)成效果。硬件選型試驗(yàn)方 案，如表 3 所示。

4.1 外特性試驗(yàn)結(jié)果

阿特金森高效發(fā)動(dòng)機(jī)裝配完成后，進(jìn)行熱力學(xué)硬 件選型試驗(yàn)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(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)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(diǎn)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(yàn)結(jié)果

萬有特性試驗(yàn)結(jié)果主要體現(xiàn)關(guān)鍵部分負(fù)荷點(diǎn)油耗 測(cè)試結(jié)果、EGR 率測(cè)試結(jié)果、燃燒測(cè)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(dòng)機(jī)萬有特性試驗(yàn)關(guān)鍵油耗點(diǎn)的油耗測(cè)試結(jié)果。





從圖 12a 可以看出，方案 6 在最低油耗率工況點(diǎn)的 油耗率為 210 g/kW·h。按汽油低熱值為 42.5×106 J/kg計(jì)算，該阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)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(shí)，油耗率相對(duì)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(cè)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(diǎn)的燃料燃燒質(zhì)量分 數(shù)為 50%（CA50）和 90%（CA90）的角度，圖13示出最 低油耗率工況點(diǎn)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(diǎn)火上 止點(diǎn)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(dòng)機(jī)萬有特性試驗(yàn)最低油耗率工況點(diǎn)的 燃燒測(cè)試結(jié)果

14示出某些工況下燃燒穩(wěn)定性的測(cè)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 ×105 Pa，要求燃燒穩(wěn)定性≤3；在其他 >2×105 Pa 的工況點(diǎn)，要求燃燒穩(wěn)定性≤3）。


發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)全 MAP 測(cè)試，可以體現(xiàn)出發(fā)動(dòng)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(duì)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。