高压缩比米勒循环对GDI增压汽油机性能和排放影响＊

安宗权 黄昭明 潘金元 陈伟国

（1.江苏大学，镇江 212013；2.芜湖职业技术学院，芜湖 241000；3.河海大学文天学院，马鞍山 243031；4.奇瑞汽车股份有限公司，芜湖 241006）

1 前言

由于能源危机和环境问题，越来越严格的节能和排放法规推动着汽车技术不断发展，为了提高汽油机热效率，改善燃油经济性，近几年国内各主流整车厂陆续采用了涡轮增压和GDI（汽油机缸内直喷）技术[1-3]，但是过度小型化和深度增压也会导致缸内燃烧温度升高和爆震倾向增加[4-5]。

此外，车用新能源技术也快速发展，混合动力汽车以其较低的能耗和实用性成为未来汽车发展的趋势之一，而米勒循环作为更适合混合动力的节能发动机技术受到越来越多的关注。国内开展了对于米勒循环的一系列研究[6-11]，但很多研究和分析集中在一维或三维仿真，很少针对实际的米勒循环发动机的性能进行试验研究，为在实际发动机上验证米勒循环的性能优势，本文以某Otto循环GDI增压汽油机为基础，重新设计了进气门早关（EIVC）米勒循环凸轮型线，并通过采用不同形状的活塞来改变燃烧室几何压缩比，以此研究高压缩比米勒循环与原发动机的性能差异并分析其原因，从而发掘米勒循环的性能优势。

2 试验系统和研究方法

试验用发动机为一款混合动力汽车用立式、水冷、四冲程、电控直喷、涡轮增压、带废气旁通阀的中冷1.5 L直列四缸GDI汽油机，并在试验发动机上连接燃烧分析仪和缸压传感器，构成如图1所示的发动机性能试验系统。试验发动机的主要参数如表1所列，试验用燃料为京标92#汽油。

图1 发动机性能试验系统

表1 试验用发动机主要参数

为研究高压缩比和米勒循环中的米勒度对发动机性能和排放的影响，在原试验用发动机基础上对活塞进行了改进，并设计了一套新进气凸轮来改变米勒度。图2为原发动机的进气凸轮型线和新设计的EIVC凸轮型线，排气门型线不变。

图2 EIVC和原发动机进、排气凸轮型线

由于米勒循环允许使用更高的压缩比，因此在原发动机活塞基础上进行了改进，重新设计的对应不同压缩比的3种活塞如图3所示。

图3 新设计的3种形状活塞

应用图1所示的发动机性能试验系统进行试验。试验过程中，分别选择中高转速和中低负荷进行对比。此外，为排除发动机其它系统的干扰，将试验中循环波动率控制在4%以内，中冷后的进气温度保持一致，冷却水温保持为85±2℃。

因为本文研究的是进气门早关，因此活塞到下止点后并不立即开始压缩行程，从理论米勒循环来讲，可以认为活塞上行到进气门关闭的位置时才开始压缩行程。基于文献[12]，将米勒度εKV定义为进气门早关后压缩延迟容积VKV对于发动机排量Vh的比值：

为表明高压缩比米勒发动机性能的优势，以原发动机性能为基础，分析原发动机与不同压缩比的米勒发动机的比油耗（BSFC）和排放性能，同时分析可能导致性能差异的关键因素（泵气损失和尾气损失）在3种发动机（对应3种不同压缩比的活塞）上的不同变化规律。为便于研究，在此定义泵气平均有效压力PMEP和尾气能量平均有效压力EGMP分别为：

式中，Pc为缸压；Vc为燃烧室容积；Qexh为尾气能量；mexh为尾气质量；Cp,exh和Cp,amb分别为尾气和混合气的定压比热；Texh和Tamb分别为尾气和混合气的热力学温度。

3 试验结果和分析

经过对试验数据的整理，主要对发动机和米勒发动机的缸压曲线和不同转速或负荷下发动机关键性能参数进行对比分析。图4为原发动机（CR=10.0）和米勒发动机（CR=12.1）在3 000 r/min、1.4 MPa工况下的示功图，由图4可看出，米勒发动机压缩比的提高导致最高缸内压力比原发动机大很多；由于米勒发动机可以使点火角提前，等容度比原发动机更优；在米勒效应的作用下泵气损失明显减少；米勒效应下发动机的进排气压力更高。

图4 原发动机和米勒发动机示功图

3.1 原发动机与高压缩比米勒循环外特性性能对比

图5和图6是原发动机和两种高压缩比米勒发动机在外特性的性能对比。由图5可看出，因为增压发动机有扭矩平台，因此在发动机转速为2 000 r/min和4 000 r/min时的BMEP（平均有效压力）均相同，但是EIVC发动机由于进气行程较短再加上增压能力不足，因此在2 000 r/min和4 000 r/min时外特性的BMEP比原发动机小。由图6可看出，在发动机转速为2 000 r/min时，随着压缩比增大，燃油消耗率有所升高，这是由于在较低转速下发动机比较容易发生爆震，而高压缩比也是影响爆震的主要因素之一，因此只能推迟点火角来调整燃烧相位以避免爆震，如图6中放热率达到50%（AI50）相位。

图5 原发动机和不同压缩比米勒循环外特性的BMEP和BSFC

在发动机转速为4 000 r/min时，原发动机的油耗明显比米勒发动机高，而CR11.2的米勒发动机油耗又比CR12.1时更低，原因如下：

图6 原发动机和不同压缩比米勒循环外特性的过量空气系数和AI50

a.Otto发动机一般通过提高混合气浓度来降低燃烧和排气温度，以避免影响催化器对废气的后处理效果，因此过量空气系数会控制在0.8～0.9。而米勒发动机能够降低燃烧温度，无需加浓混合气，在发动机高转速、高负荷下仍可以保证缸内混合气在更接近化学当量比燃烧，如图6的米勒发动机过量空气系数比原发动机更接近1，这对油耗降低有积极作用。

b.发动机转速提高后，爆震趋势比低转速下有所减缓，同时在米勒效应作用下，在较高压缩比下能够进一步提前点火角，从而使燃烧相位得到较大改善，能进一步降低油耗，如图6的AI50相位。

c.但是当压缩比过大时，虽然有米勒效应的作用，依然无法将压缩比提的过高，不能对降低油耗产生积极作用（图5）。当压缩比达到12.1时，即使有米勒效应也无法抑制爆震，因此不得不推迟点火角和一定程度加浓混合气，这也导致了CR12.1时的油耗相比CR11.2时有所升高。

3.2 部分负荷原发动机和高压缩比米勒循环性能对比

由于2 000 r/min、0.5 MPa和0.8 MPa是实际发动机的常用工况，因此在该工况下对比原发动机与米勒发动机在部分负荷的性能和排放。图7为原发动机和不同压缩比米勒发动机在部分负荷下的BSFC和点火提前角。由图7可看出，高压缩比的米勒循环在部分负荷对发动机经济性的改善比较明显，两种高压缩比米勒发动机在平均有效压力BMEP为0.5 MPa时的燃油消耗率下降率分别为6.52%和5.54%，在平均有效压力BMEP为0.8 MPa时的下降率为3.72%和4.84%。与外特性不同，这两个工况下3种发动机的空燃比都近似化学当量比，因此可以排除空燃比的影响。而从图7的点火相位来看，由于米勒效应使得压缩终了温度比原发动机Otto循环要低，因此爆震趋势较弱，可以使点火角提前，从而优化燃烧相位，这在小负荷工况下更明显。在平均有效压力BMEP为0.8 MPa时，CR12.1的发动机已经开始出现轻微爆震，因此比CR11.2的发动机点火角略微推迟。

图7 原发动机和不同压缩比米勒发动机在部分负荷下的BSFC和点火提前角

很多研究中提到了米勒循环对降低PMEP的积极作用[6,7]，本文也利用燃烧诊断法对比了3种发动机部分负荷下PMEP的情况，如图8所示。由图8可看出，在平均有效压力BMEP为0.5 MPa时，两种压缩比米勒发动机的PMEP分别降低34.2%和31.6%，在0.8 MPa时降低了22.6%和32.3%。这是因为米勒循环气门包角比Otto循环小，因此需要通过增加节气门开度保证相同工况的进气量，从而减少了泵气损失。基于此原因，大负荷时，原发动机的节气门开度本来就很大，因此随着负荷增加，米勒循环在减少PMEP方面的潜力就会降低。

为了分析米勒发动机尾气能量变化对降低PMEP的作用，对比原发动机和两种不同压缩比米勒发动机的EMEP（代表尾气能量）变化情况，见图8。EMEP在0.5 MPa时分别降低了10.7%和16%，在0.8 MPa时降低了9%和20%。而EMEP降低的原因可以从图9中涡轮转速和进气压力变化得到解释。

图8 原发动机和不同压缩比米勒发动机在部分负荷的PMEP和EMEP

对于米勒发动机，由于进气行程较短，在有限时间内需要引入更多新鲜空气到缸内，除增大节气门开度外，还需要更高的进气压力，如图9所示。相比原发动机，米勒发动机的涡轮转速和进气压力都有所升高。这说明带有涡轮增压的米勒发动机能够更大程度地利用排气能量，通过提高涡轮转速来增大进气压力，从而能够进一步减少泵气损失。

图9 原发动机和不同压缩比米勒发动机在部分负荷涡轮转速和进气压力

3.3 部分负荷原发动机和不同压缩比米勒发动机排放

图10为部分负荷下原发动机和米勒发动机CO排放量，与原发动机相比，米勒循环的CO排放量有所下降，但变化并不明显。这是因为影响缸内燃烧CO形成的主要因素是过量空气系数，而部分负荷下3种发动机的过量空气系数都是1，因此对CO排放影响不大。

图10 原发动机和不同压缩比米勒发动机在部分负荷的CO排放

图11为部分负荷下原发动机和米勒发动机的NOx和THC排放情况。从图11可看出，米勒发动机的NOx排放比原发动机好很多，并且负荷越大效果越明显，由此可以推测，米勒效应随负荷增大能进一步降低缸内燃烧温度从而使NOx排放降低。

图11 原发动机和不同压缩比米勒循环在部分负荷NOx和THC排放

由图11可看出，在小负荷时应用米勒循环会增加THC的排放，而大负荷时THC的排放降低，这主要是因为，由于改装活塞结构的复杂程度较高，余隙效应更加严重，并且在小负荷时米勒循环的压缩行程初始温度较低，缸内直接喷射的燃油其蒸发及与空气的混合会受到一定影响，因此米勒的THC排放有所升高。而大负荷时，燃烧温度比低负荷时有所上升，燃油的蒸发和混合效果有所改善，且较大压缩比对燃烧的积极作用开始凸显，因此在0.8 MPa时米勒的THC排放有所下降。

4 结束语

通过试验研究了不同压缩比米勒循环对涡轮增压GDI发动机外特性和部分负荷燃烧过程和排放的影响，试验结果表明：

a.EIVC米勒循环发动机在外特性会损失一部分功率，而燃油消耗率会有所下降。

b.虽然米勒效应会在一定程度上抑制爆震，但是压缩比过高时依然需要略微推迟点火角。

c.部分负荷时，米勒发动机降低了PMEP,从而对降低燃油消耗率的作用比较明显。对于增压发动机，米勒循环除了通过调节节气门开度降低PMEP外，也能通过更大程度地利用尾气能量来降低泵气损失。

d.由于米勒效应导致燃烧温度降低，增压GDI发动机的NOx排放有所降低，但在低负荷时THC排放会有所升高。

参考文献

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