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1 第 36 卷 2016 年 9 月北京理工大学学报 TransactionsofBeijingInstituteofTechnology Vol.36 No.9 Sep.2016 Atkinson 循环发动机燃油经济性与排放性试验孙柏刚 1,2, 汤弘扬 1, 陈宇航 1, 谢诚 1, 范英杰 1 (1. 北京理工大学机械与车辆学院, 北京 ;2. 北京电动车辆协同创新中心, 北京 ) 摘要 : 在外特性及汽油机常用工况点下, 研究了高压缩比 Atkinson 循环发动机的燃油经济性与排放特性. 研究表明 :Atkinson 循环发动机在外特性工况下, 扭矩降低 5%, 有效燃油消耗率降低 5% ~8% 左右 ; 在 2000r/min, 0.2MPa 与 3000r/min,0.3MPa 常用工况点下, 扭矩损失较小, 泵气损失分别降低 34% 与 24%, 有效燃油消耗率分别降低 9.0% 与 7.5%; 负荷越低, 泵气损失减少越明显 ; 在排放特性上,NOx 排放分别降低了 65.0% 与 31.5%, HC 排放增加 23.7% 与 26.0%. 关键词 : 混合动力 ;Atkinson 循环 ; 泵气平均有效压力 ; 燃油消耗率 ;NOx 中图分类号 :TK147 文献标志码 :A 文章编号 : (2016) DOI: /j.tbit ExperimentalStudyonEconomyandEmissionof AtkinsonInternalCombustionEngine SUNBai-gang 1,2, TANG Hong-yang 1, CHEN Yuẖang 1, XIECheng 1, FAN Ying-jie 1 (1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China; 2.ColaborativeInnovationCenterofElectricVehiclesinBeijing,Beijing100081,China) Abstract:To explore the economy and emission characteristics of Atkinson cycleinternal combustionengine,atestwascarriedoutforanatkinsoncycleinternalcombustionenginewitha highcompression ratio atthe wide open throtle condition and the engine operating point commonlyused.thetestresultsshow that,whiletorqueoutputsreduceby5%,thebrake specificfuelconsumption (BSFC)wasdecreasedby5% ~8%.Whentheengine wasfixedat 2000r/min,0.2MPaand3000r/min,0.3MPa,thePMEPwasdecreasedby34% and24%,the BSFC wasdecreasedby9% and7.5%.thelowertheload,the moreobviouslythe PMEP decreases.fortheemissioncharacteristics,no x wasdecreasedby65% and31.5%,hc was increasedby23% and27%. Keywords:hybridpower;Atkinsoncycle;pumping meanefectivepressure (PMEP);brake specificfuelconsumption(bsfc);no x 由于传统汽油机是基于奥托 (Oto) 理论循环进行研发设计的, 具有部分负荷燃油经济性差泵气损失大等缺点, 已经不能满足混合动力汽车对于经济性和排放的需求. 而 Atkinson 循环发动机因其自身所具有的优势, 已成为混合动力汽车动力研发的 [1] 主要选择. 随着 VVT 技术与混合动力汽车的出现, Atkinson 循环发动机凭借着和电动机的高效结合获得了快速的发展. 截至 2014 年 9 月底, 采用 Atkinson 循环发动机的丰田 Prius 混合动力汽车全球销量超过 218 万辆, 最新推出的第三代 Prius 整车实现了超低的燃油消耗 (4.3L/100km) 和二氧化收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ;2013DFR70170) 作者简介 : 孙柏刚 (1969 ), 男, 教授, sunbg@bit.edu.cn.

2 906 北京理工大学学报第 36 卷碳排放量 (104g/km), 仅为配备有尾气控制装置的同等级别汽油机的 45% [2]. 国内 Atkinson 循环发 [3] 动机的研究也已迅速开展, 同济大学的田永祥等对混合动力车用 Atkinson 发动机的基本工作原理及实现方法进行了系统的介绍. 长安汽车与北京理工大学合作, 在 JL475Q3 发动机基础上通过减小燃烧室容积将压缩比提高到 12 并对原有配气相位进行全新设计, 使发动机膨胀比增加的同时, 又避免了压缩比增加及爆燃的发 [45] [6] 生.Zhao 等提出了一种基于一维发动机仿真模型的 Atkinson 循环发动机部分负荷燃油经济性优化方法. 文中探讨了 Atkinson 循环的理论优势, 同时分析了采用高压缩比后, 在汽油机常用工况点下 Atkinson 循环汽油机的燃油经济性及排放特性, 为后续研究提供指导作用. 1 试验设备与试验方法 1.1 试验设备试验在一台自然吸气 VVT 直列四缸汽油机上进行. 发动机主要参数如表 1 所示. 试验装置布局如图 1 所示. 项目缸径 / mm 行程 / mm 缸数连杆长度 /mm 排量 /L 表 1 原型发动机基本参数 Tab.1 Specificparameters 压缩比 ( 原 /A) 标定功率 /kw 标定功率转速 / (r min -1 ) 最大扭矩 / (N m) 最大扭矩转速 / (r min -1 ) 参数 / ~5000 进行电喷参数微调, 记录最佳性能参数, 当量空燃比控制为 1. 通过试验获得能反映动力性经济性及排放试验数据, 分析试验结果, 并得出采用 Atkinson 循环后的各项性能指标. 2 分析和讨论注 :1. 大气 ;2. 空气滤清器 ;3. 节气门 ;4. 进气歧管 ;5. 油轨 ;6. 高动态电力测功机 ;7.Atkinson 循环汽油机 ;8. 进气压力传感器 ;9. 缸压传感器 ;10. 智能油耗仪 ;11. 油库 ;12. 排气歧管 ;13. 排气压力传感器 ;14. 空燃比测试仪 ; 15. 排气温度传感器 ;16. 三效催化器 ;17. 计算机图 1 台架布置 Fig.1 Bencharrangement 试验过程中使用的主要设备仪器 : 测功机为 AVL 公司的动态电力测功机和测控控制系统 ; 燃烧分析系统为 AVL 公司的 622 型燃烧分析仪 ; 进气压力传感器为 Kistler 4045A; 缸压传感器为 Kistler6117B. 1.2 试验方法为实现 Atkinson 循环, 将原机凸轮轴更换为进气包角为 295 CA 的长进气凸轮轴 ; 同时为保证动力性, 提高压缩比, 更换高几何压缩比活塞, 将几何压缩比提高为 13. 基于上述的改进, 通过可变气门定时机构 (VVT) 对 Atkinson 循环发动机实时调节, 进行万有特性试验. 试验从 1000~6000r/min 进行扫描 ( 转速间隔 500r/min, 负荷间隔 0.1 MPa); 在 2000r/min,0.2 MPa;3000r/min, 0.3MPa 工况点使用 BoschECU 及开发工具 ETK 2.1 Atkinson 循环发动机外特性原机改为 Atkinson 循环发动机后, 外特性曲线如图 2 所示.Atkinson 循环发动机的外特性扭矩曲线在 1000~4500r/min 范围内整体低于原机, 在 5000~6000r/min 范围内与原机扭矩相当. 在 1000~2000r/min 范围内扭矩相对下降最多约为 10%; 在 2000~4500r/min 范围内扭矩下降 5%; 在 4500~6000r/min 范围内, 扭矩相对下降减少, 基本上与原机大致相当. 外特性工况下, 在不同转速下 Atkinson 循环发图 2 发动机外特性扭矩与有效燃油消耗率对比 Fig.2 TorqueandbrakespecificfuelconsumptionofAtkinson comparedwithgasolineengineatfulload

3 孙柏刚等 :Atkinson 循环发动机燃油经济性与排放性试验 907 动机有效燃油消耗率都低于原机, 如图 2 所示. 从图 2 中可以看出, 在中低转速下, 有效燃油消耗率降低 5% 左右. 表明采用 Atkinson 循环后, 虽然发动机扭矩部分降低, 但有效燃油消耗率得到明显改善. 2.2 Atkinson 循环发动机部分负荷特性车用汽油机常用转速范围为 2000 ~ 3000r/min. 分别选取 2000,3000r/min 时有效燃油消耗率随平均有效压力的变化曲线与原机对比, 如图 3 所示. Fig.3 图 3 有效燃油消耗率随平均有效压力的变化 Brakespecificfuelconsumption withrespecttobrake meanefectivepressure 在低负荷范围内,Atkinson 循环发动机的油耗小于原机. 在高负荷范围内,Atkinson 循环发动机与原机的油耗率基本相当. 为研究其经济性, 在常用部分负荷区 0.2~ 0.3MPa,2000~3000r/min 范围内, 选取工况点 2000r/min,0.2 MPa;3000r/min,0.3 MPa 与原机对比. 进气歧管压力数据由进气歧管压力传感器测得, 其安装于缸压传感器所在缸的进气歧管上. 在 2000r/min,0.2 MPa 与 3000r/min,0.3 MPa 工况点处, 原机与 Atkinson 循环发动机经济性对比如图 4 所示. 在图 4(a) 中,Atkinson 循环发动机扭矩 T q 略微下降, 但下降并不明显. 但是有效燃油消耗率 ηbe 在 2000r/min,0.2MPa 与 3000r/ min,0.3mpa 处, 大幅度下降. 其中 2000r/min, 0.2MPa 时相比于原机 ηbe 降低了 9%,3000r/min, 0.3MPa 时降低了 7.5%. 由于泵气损失是造成 Oto 循环发动机低负荷工况运转时燃油消耗率高的主要原因之一. 图 4(b) 为发动机 2000r/min 和 3000r/min 的平均泵气损失压力. 由图 4(a) 中可以看出,Atkinson 循环发动机相比于原机的泵气损失明显减小. 此时泵气损失减小, 燃油消耗率降低. 图 4 经济性对比 Fig.4 EconomicalcomparisonbetweentheAtkinsonandgasoline 为进一步了解泵气损失的变化, 将分析缸内压力与进气歧管压力的变化. 进气压力由位于进气歧管上的压力传感器测得,2000r/min,0.2MPa 时, Atkinson 循环发动机与原机的缸内压力曲线对比如图 5 所示. 图 r/min,0.2MPa 缸内压力曲线 Fig.5 Cylinderpressurecomparisonat2000r/min,0.2MPa 尽管采用了高压缩比活塞, 在 2000r/min, 0.2MPa 时, 原机的 P max 仍高于 Atkinson 循环发动机. 相比于原机,Atkinson 循环发动机的 P max 出现角度变大. 在进气迟闭角范围内, 原机的缸内压力约为 0.04MPa 高于 Atkinson 循环发动机. 图 6 显示了 2000r/min,0.2 MPa 时原机与 Atkinson 循环发动机进气歧管压力的对比.Atkinson

4 908 北京理工大学学报第 36 卷循环发动机的进气歧管压力普遍高于原机的进气歧管压力, 大约高 0.03 MPa 左右. 相比于原机, Atkinson 循环发动机的进气压力波动变大, 压力最小值出现在进气上止点后 55 CA 附近, 压力最大值出现在进气下止点后 50 CA 附近. 由于进气门迟闭, 缸内气体回流, 进气压力增大. 与图 5 缸内压力结合分析, 在进气迟闭角内,Atkinson 循环发动机进气压力高于原机进气压力,Atkinson 循环发动机的缸内压力低于原机的缸内压力. 此时进气压力与缸内压力压差变大, 进气量增加, 泵气损失降低. 下降过程, 压力最小值出现在进气上止点后 80 CA 附近, 压力最大值出现在进气下止点前 27 CA 附近. 与图 7 中缸内压力结合分析, 在进气迟闭角内, Atkinson 循环发动机进气压力高于原机进气压力, 同时 Atkinson 循环发动机的缸内压力高于原机的缸内压力. 此时进气压力与缸内压力虽然仍有压差, 但无 2000r/min,0.2MPa 时明显, 故此时泵气损失虽然降低, 但降低幅度减少. 故在低转速, 低负荷下 Atkinson 循环发动机的泵气损失减小. 图 r/min,0.2MPa 进气压力对比图 Fig.6 Intakepressurecomparisonat2000r/min,0.2MPa 图 7 为 3000r/min,0.3 MPa 时,Atkinson 循环发动机与原机的缸内压力曲线对比图. 在转速升高, 负荷增大的情况下,Atkinson 循环发动机的 P max 高于原机, 且 P max 出现角度提前. 在进气门开启范围内,Atkinson 循环发动机缸内压力约为 0.065MPa, 高于原机. 图 8 为 3000r/min,0.3MPa 时, 进气歧管压力对比. 此时 Atkinson 循环发动机的进气歧管压力仍高于原机的进气歧管压力, 但幅度较小约为 0.01~0.015MPa. 同时与原机相比, 由于推迟了进气门开启角度, 进气门开启后出现一个急速的压力图 r/min,0.3MPa 进气压力对比图 Fig.8 Intakepressurecomparisonat3000r/min,0.3MPa 2.3 常用工况点排放特性 Atkinson 循环中 HC 排放恶化, 如图 9 所示. 在 2000r/min,0.2 MPa 与 3000r/min,0.3 MPa 时,HC 排放分别增加 23.7% 与 26.0%. 由于采用 Fig.7 图 r/min,0.3MPa 缸内压力与累积放热率曲线 Cylinder pressure and cumulative heat release rate comparisonat3000r/min,0.3mpa 图 9 排放物对比图 Fig.9 Comparisionoftheemissions

5 孙柏刚等 :Atkinson 循环发动机燃油经济性与排放性试验 909 了高压缩比活塞, 使得气缸容积变小, 面容比增加, HC 排放恶化. 由图 9 可知, 相比于原机, 采用 Atkinson 循环后,NO x 排放明显减少. 在 2000r/min,0.2 MPa 及 3000r/min,0.3 MPa 下,NO x 排放分别降低 65.0% 与 31.5%. 由于采用 Atkinson 循环后, 缸内燃烧变慢, 燃烧持续期变长, 温度降低,NO x 排放减少 ;Atkinson 循环对 CO 排放影响较少,CO 排放基本维持不变. 2.4 全工况燃油经济性分析采用 Atkinson 循环后, 在全工况范围内燃油经济性发生变化. 图 10 为 Atkinson 循环发动机与原机的万有特性对比图. 图中实线代表原机 Oto 循环, 其有效燃油效率标注下划线, 虚线代表 Atkinson 循环. 中低转速下外特性扭矩降低 5%~10%, 在高转速时外特性扭矩与原机基本相同. 在 2000r/min, 0.2MPa 与 3000r/min,0.3MPa 时扭矩基本不变. Atkinson 循环发动机同原机相比大幅降低了油耗. 在万有特性时, 最低燃油消耗率 235.5g/ (kw h), 原机为 g/(kW h); 在 2000r/ min,0.2mpa;3000r/min,0.3mpa 时有效燃油消耗率为 350.7g/(kW h), 原机的有效燃油消耗率为 376.0g/(kW h) 时有效燃油消耗率为 302.5g/ (kw h), 原机的为 327.5g/(kW h), 与原机相比,Atkinson 循环发动机最低油耗区范围增加. NO x 排放降低 65.0% 与 31.5%,HC 排放增加 23.7% 与 26.0%,CO 基本无变化. 参考文献 : [1]Koichiro Mum,MakotoYamazaki,JunjiTokieda.Developmentofnew-generationhybridsystem THS I Drasticimprovement of power performance and fuel economy,saepaper, [r].detroit,usa: SAE,2004. [2]Zhao Yingru,ChenJincan.Performanceanalysisand parametricoptimum Criteriaofanirreversible Atkinson heaṯengine[j].appliedenergy,2006(83): [3] 田永祥, 杜爱民, 陈礼璠. 混合动力汽车用 Atkinson 循环图 10 Atkinson 汽油机万有特性图 Fig.10 Comparisioncurveoftheuniversalcharacteristic 原机的最低油耗区分布在 2000~3500r/min, 最低油耗区的最低燃油消耗率等值线为 250g/ (kw h), 在 2800r/min 时最低油耗区的扭矩约为 93~132N m, 随转速上升最低油耗区向高扭矩区域移动. 由图 10 中可以看出 Atkinson 循环如果以 240 等值线为界限, 最低油耗区分布在 2600~ 3200r/min, 如果仍以 250 等值线划分, 则最低油耗区范围大大增加, 分布在 1600~3600r/min 范围内. 在 3000r/min 时的最低油耗区域扭矩约为 80~112N m, 相对原机型, 低油耗区面积增加. 3 结论 Atkinson 循环发动机具有高效循环降低泵气损失的优势. Atkinson 循环发动机与原机相比, 动力性能在发动机的探讨 [J]. 汽车科技,2007(7): TianYongxiang,DuAimin,ChenLifan.Discussionof Atkinsoncycleengineinhybridvehicle[J].AutoMobile Science& Technology,2007(7):31 34.(inChinese) [4] 王长园, 刘福水, 孙柏刚. 长安 475Q 混合动力发动机的仿真开发 [J]. 汽车工程,2011,33(4): Wang Changyuan, Liu Fushui, Sun Baigang. DevelopmentofCA475Q hybridelectricvehicleengine bysimulation[j].automotive Engineering,2011,33 (4): (inChinese) [5]LiuFushui,SunBaigang,Zhu Huarong.Development of performance and combustion system of Atkinson cycleinternalcombustion engine[j].science China (TechnologicalSciences),2014(3): [6]ZhaoJinxing,XuMin,LiMian,etal.Designandoptimizationofan Atkinsoncycleenginewiththeartificial neuralnetwork method[j].appliedenergy,2012,92: ( 责任编辑 : 孙竹凤 )

<4D F736F F D A3AD313531A3ADBDCEB3B5D3C3BBFAD0B5D4F6D1B9CABDC6FBD3CDB7A2B6AFBBFAD0D4C4DCB8C4BDF8>

<4D F736F F D A3AD313531A3ADBDCEB3B5D3C3BBFAD0B5D4F6D1B9CABDC6FBD3CDB7A2B6AFBBFAD0D4C4DCB8C4BDF8> 1 轿车用机械增压式汽油发动机性能改进邱宇 1, 许敏 1*, 王振侃 1, 陈龙华 1 1, 王森 1. 上海交通大学汽车工程研究院, 上海市摘要本文通过实验和数值模拟两种方法对一款轿车用机械增压式汽油发动机的性能进行了优化工作进气增压度由机械增压器旁通阀控制, 为了研究旁通阀开度对燃油经济性的影响, 设计了旁通阀手动控制装置, 将旁通阀由原机通过真空度自动调节改为手动控制通过实验发现同一工况下增压器旁通阀开度的变化对发动机燃油消耗率有较大影响