基于Miller循环的缸内直喷汽油机性能研究

金明，黄昭明，潘金元，陈伟国

基于Miller循环的缸内直喷汽油机性能研究

金明1，黄昭明2*，潘金元3，陈伟国3

（1.安庆职业技术学院机电工程系，安徽安庆246003；2.河海大学文天学院机械工程系，安徽马鞍山243031；3.奇瑞汽车股份有限公司汽车工程技术研发总院，安徽芜湖241006）

针对一款进气凸轮包角为190°CA的2.0 T GDI缸内直喷奥拓循环汽油发动机，采用BOOST软件建立了一维性能仿真计算模型，在对模型进行标定的基础上，仿真计算了150°CA、170°CA进气凸轮包角所实现的Miller循环发动机的动力性和经济性.研究结果表明，所建立的一维仿真计算模型能够较为精确的模拟缸内直喷汽油机的比油耗、功率及扭矩；采用150°CA、170°CA进气凸轮包角的发动机相比于190°CA进气凸轮包角的额定功率有所下降，且150°CA和170°CA进气凸轮包角需采用更高的增压比；随着进气凸轮包角的减小，外特性工况油耗依次上升，但部分负荷的油耗随着进气包角的减小而显著改善.

进气凸轮包角；GDI缸内直喷；Miller循环；一维仿真计算模型

随着油耗法规的日益严苛，开发高热效率的内燃机显得日益迫切.传统汽油发动机采用节气门控制负荷水平，造成较大的泵气损失和排气热量损失.Miller循环发动机能够有效提升发动机的几何压缩比，使得膨胀做功循环的有效膨胀比增加，更多的利用排气能量，发动机热效率上升［1-4］.

Miller循环一般采用小凸轮包角的低升程气门实现进气门早关，从而减小有效压缩比，降低压缩终了的温度，从而降低终燃混合气自燃的可能性，Miller循环发动机可以采用更高的几何压缩比.而且Miller循环发动机实际运行过程中，泵气损失减少同时传热损失降低，这些因素的综合作用可以使得Miller循环发动机获得比传统奥拓循环发动机更高的热效率收益［5-7］.

基于上述背景，研究将建立一维BOOST仿真计算模型，开展不同进气凸轮包角凸轮和升程对Miller循环发动机动力性和经济性的影响规律分析，为Miller循环发动机的进气凸轮包角设计提供参考.

1一维BOOST仿真计算模型建立

1.1模型概述

研究样机为一款2.0 L立式、直列、水冷、四冲程、电控直喷4气门、喷射系统为200 bar侧置直喷，增压中冷汽油机，点火次序为1、3、4、2，主要性能参数见表1，建立的BOOST模型见图1.

1.2燃烧参数确定及模型标定方法

燃烧放热规律决定了缸内气体压力与温度的变化，影响内燃机的热力过程，对发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和排放产生重要影响.发动机在某一运行点的放热率可由测量的缸内压力曲线计算得到.通过对高温循环的逆计算，即可得到相应曲轴转角的放热率.

研究采用BOOST软件的Vibe燃烧模型，燃烧参数主要包括：燃烧起始角、燃烧持续期、燃烧品质指数.本文中，Vibe燃烧参数的获取方式是通过BOOST内置的Burn功能，输入试验缸内压力曲线，计算出Vibe燃烧参数，这样能保证燃烧参数的准确性［8］.

表1研究样机主要技术参数

图12.0L缸内侧置直喷汽油机BOOST模型

对汽油机模型进行外特性的模拟计算，将计算结果与试验数据进行对比分析，以验证模型的正确性.汽油机BOOST模型建立及标定过程见图2.

1.3汽油机BOOST模型标定结果

汽油机原机BOOST模型中，进气门凸轮包角为190°CA，升程为9.6 mm（见图3）.

图2汽油机BOOST模型建立过程

图3汽油机原机进气凸轮包角和升程

对汽油机原机模型进行外特性的模拟计算，将充气效率、进气量、扭矩、比油耗和功率仿真数据与物理试验数据进行对比分析，以验证模型的正确性，对比数据见图4.

图4模型仿真数据与试验数据对比

所建模型的模拟计算结果与试验结果相符，满足模拟计算的精度要求，可用于后续不同进气凸轮包角和升程发动机的性能计算（见图4）.

2汽油机性能计算

基于所标定的汽油机原机BOOST模型，重新输入气门升程曲线，分别进行进气凸轮包角150°CA（升程7.6 mm，见图5）和进气凸轮包角170°CA（升程8.3 mm），见图6汽油机性能计算.

图5进气凸轮包角150°CA（7.6 mm）型线

图6进气凸轮包角170°CA（8.3 mm）型线

由于汽油机凸轮型线的变化对Viber燃烧模型参数没有影响，因此可以基于汽油机原机BOOST模型直接更换进气门凸轮型线进行性能计算.

2.1不同进气凸轮型线的汽油机外特性对比

图7、图8和图9指出了进气凸轮包角分别为150°CA（升程7.6 mm）、170°CA（升程8.3 mm）和190°CA（升程9.6 mm）汽油机外特性扭矩、功率和比油耗对比.

图7不同进气凸轮包角的扭矩对比

图8不同进气凸轮包角的功率对比

图9不同进气凸轮包角的比油耗对比

图10不同进气凸轮包角的增压器压比对比

从图7~图9可以看出，随着进气凸轮包角的增大，汽油机最大功率呈现顺序下降的趋势，而比油耗则依次增加；150°CA（升程7.6 mm）低速扭矩下降，且扭矩平台变窄，4 500 r/min最大扭矩下降.相比190°CA进气凸轮包角，150°CA和170°CA进气门升程和持续期均减小，为了实现发动机的功率和扭矩，增压器必须采用更大的压比，以满足发动机对进气量的需求（见图10）；而受制于增压器喘振和阻塞边界的限制，150°CA和170°CA进气凸轮包角所实现的进气量有所下降，功率和扭矩依次下降.同时，压比的增加使得增压器运行在偏离高效率区域，增压器运行总体效率下降，随着进气凸轮包角的减小，发动机外特性油耗依次增压［9］.

2.2不同进气凸轮型线的部分负荷油耗对比

应用建立的AVL BOOST模型仿真计算了不同进气凸轮包角下发动机转速为3 000 r/min、平均有效压力为12 bar的比油耗，结果见表2.

表2不同进气凸轮包角比油耗对比

随着进气凸轮包角的不断减小，比油耗依次下降（见表2）.这主要是因为当进气凸轮包角从190°CA减小至150°CA时，Miller循环的深度不断增加，泵气损失的改善和有效膨胀比的持续增加，导致发动机热效率获得改善［10-11］.

3结论

（1）随着进气凸轮包角的持续减小，汽油机外特性功率、扭矩呈下降趋势，而比油耗依次上升；（2）相比于190°CA进气凸轮包角，为尽可能大的获得功率和扭矩，150°CA和170°CA进气凸轮包角需采用更高的增压比，导致增压器运行在偏离高效率的区域；（3）Miller循环深度随着进气凸轮包角的减小不断加深，发动机经济性获得提升，比油耗下降.

［1］岛崎勇一，前田义男，孔莉.2030年乘用车动力总成的主流技术趋势[J].国外内燃机，2014（2）：1-5.

［2］杨嘉林.车用汽油机的节油潜力及高效汽油机的可行性[J].内燃机学报，2008，26(S1)：77-82.

［3］杨嘉林.车用汽油机发动机燃烧系统的开发[M].北京：机械工业出版社，2009.

［4］Martin S，Christoph B，Matthias K，et al.Combined Miller/Atkinson strategy for future downsizing concepts[J].MTZ，2014：75（5）:4-11.

［5］郑斌，李铁，尹涛.高负荷下应用Miller循环提升高压比汽油机热效率机理研究[J].车用发动机，2015，220(2)：20-25.

［6］王家盛.基于Miller循环和EGR对提升增压直喷汽油机几何压缩比的研究[D].上海：上海交通大学，2014：1.

［7］Michael K A，Dennis N A，Zoran S.First and Second Law Analysis of a Naturally-Aspirated，Miller Cycle，SI Engine with Late Intake Valve Closure.SAE paper[C]//2014 SAE World Congress Detroit，Michigan：980889.

［8］石学辉.基于Miller循环的天然气发动机性能仿真及优化分析[D].长春：吉林大学，2014：5.

［9］蒋德明.高等车用内燃机原理[M].西安：西安交通大学出版社，2006.

［10］范巍，吴健，李云龙，等.Miller循环汽油机部分负荷燃油经济性研究[J].车用发动机，2014，211(2)：47-50.

［11］胡顺堂，谢辉.提高汽油机部分负荷效率的新技术[J].拖拉机与农用运输车，2010（6）：38-41，44.

Research on Performance of Gasoline Direct Injection Engine Based on Miller Cycle

JIN Ming1，HUANG Zhao-ming2*，PAN Jin-yuan3，CHEN Wei-guo3
（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering,Anqing Vocational and Technical College,Anqing 246003,Anhui；2.Department of Mechanical Engineering,Hehai University Wentian College,Ma'anshan 243031, Anhui；3.Auto R and D Institute,Chery Automobile Co.Ltd,Wuhu 241006,Anhui,China）

For a 2.0 turbo charging gasoline direct injection engine with the 190°CA(degree intake cam event angle),1 dimensional model for performance simulation was established.On the basis of model calibration,power and economic performances were calculated when the engine used 150°CA,170°CA respectively.The results indicate that the established model can calculate the brake specific fuel consumption,power and torque accurately.Comparing to the 190°CA,the rated power of 150°CA and 170°CA decreases,while the engine has higher pressure ratio. With the intake cam event angle being decreasing,the brake specific fuel consumption of power performance increases,while the case of that improves remarkably for the part load point.

intake cam event angle；gasoline direct injection；miller cycle；1 dimensional model for performance simulation

TK421+.2%

A%%%

1007-5348（2017）03-0047-05

（责任编辑：欧恺）

2017-01-03

安徽省高教创新行动计划骨干专业建设项目（XM-01）.

金明(1963-)，男，江苏海安人，安庆职业技术学院机电工程系讲师；研究方向：汽车现代设计理论与方法.*通讯作者.