郭東劭 胡景彥 吉炎 馬學建 劉清昭

（1.浙江錢江摩托股份有限公司；2.寧波市鄞州德來特技術有限公司）

隨著國家節(jié)能減排法規(guī)標準的逐漸加嚴，傳統(tǒng)內燃機領域希望能夠進一步應用先進技術，大幅度實現(xiàn)節(jié)能減排效果。國外知名車企的高效發(fā)動機技術已成功上市[1-3]，并匹配于部分車型，后續(xù)會全面應用覆蓋，而國內高效發(fā)動機的設計開發(fā)還處于起步階段。基于此，文章開發(fā)了一款高效阿特金森發(fā)動機，達到了40%的熱效率水平，目前正處于小批量生產(chǎn)階段，預計于2019 年年底上市。

1 項目目標確定

1.1 發(fā)動機總體設計開發(fā)目標

本項目的目標是設計和開發(fā)一款四缸阿特金森汽油發(fā)動機，滿足國產(chǎn)化生產(chǎn)需求，達到技術協(xié)議要求的性能、油耗、國Ⅵ排放的工程目標。該發(fā)動機主要技術特征包括：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，主要結構參數(shù)及性能指標，如表1 所示。

表1 四缸阿特金森汽油發(fā)動機結構參數(shù)及性能指標

發(fā)動機主要指標包括發(fā)動機額定功率、發(fā)動機最大扭矩、低速扭矩、發(fā)動機關鍵油耗點等，體現(xiàn)了該款發(fā)動機主要的性能目標水平。

1.2 發(fā)動機關鍵油耗點目標

根據(jù)發(fā)動機使用需要，增加了關鍵油耗點指標要求，如表2 所示。這些指標來源于整車常用運行工況點。

表2 發(fā)動機關鍵油耗點指標 g（/kW·h）

該款發(fā)動機的動力目標與原機基本一致，整車油耗目標是在原機基礎上降低15%。另外，該款高效阿特金森發(fā)動機適用于其它新能源平臺。

2 阿特金森高效發(fā)動機性能目標可行性

2.1 外特性目標評估

根據(jù)整車動力性要求，包括最高車速、爬坡性、加速性能（起步加速和超越加速），對阿特金森高效發(fā)動機功率、扭矩性能進行模擬評估，同時計算分析該款發(fā)動機的外特性油耗，得到外特性目標可行性結果，如圖1 所示。表3 示出發(fā)動機硬件選型試驗方案。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。

圖1 阿特金森高效發(fā)動機外特性目標可行性預測結果

表3 發(fā)動機硬件選型試驗方案

從圖1a 中可以看出，3 種方案能夠滿足扭矩可行的指標為方案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要求；從圖1c 中可以看出，與原機相比，阿特金森外特性油耗并無優(yōu)勢。阿特金森高效發(fā)動機主要通過降低常用工況點油耗率來降低整車油耗，外特性油耗對整車油耗影響很小。

2.2 關鍵油耗點目標評估

發(fā)動機關鍵油耗點為油耗占比最大的一些點，體現(xiàn)了整車的油耗水平。整車油耗的下降主要靠降低關鍵油耗點的油耗指標。不同的整車匹配車型，關鍵油耗點會有所差異，應根據(jù)整車車型參數(shù)來定義關鍵油耗點。從關鍵油耗點中取出占比最大的3 個點進行油耗水平評估，如圖2 所示。

圖2 阿特金森高效發(fā)動機關鍵油耗點水平預測結果

3 阿特金森高效發(fā)動機技術應用

實現(xiàn)發(fā)動機的高效性能，必須滿足相關技術（阿特金森技術、高滾流氣道技術、高壓縮比技術、外部中冷EGR 技術、中置VVT 技術、高效率燃燒室技術等）應用要求。每項技術的成功應用，需要經(jīng)過多輪的優(yōu)化分析、設計改型，最終選取最佳的技術匹配效果。文章對阿特金森高效發(fā)動機的4 個主要應用技術進行闡述。

3.1 阿特金森技術應用

圖3 示出奧托循環(huán)和阿特金森循環(huán)在部分負荷的示功圖對比。阿特金森循環(huán)通過進氣門晚關將部分已進入氣缸的氣體推出，進入進氣歧管，增加了進氣歧管壓力，減小了泵氣損失，從而降低了部分負荷油耗[3]。

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 個途徑來達到。

3.2 高滾流比氣道技術應用

圖4 和圖5 分別示出阿特金森高效發(fā)動機與原機的氣流速度及湍動能效果對比。從圖4 和圖5 中可以看出，優(yōu)化改型后發(fā)動機的氣道湍動能和滾流比均大幅高于原機，更有利于缸內混合氣的快速燃燒[1-3]，從而提升發(fā)動機效率。從圖4 可以明顯看出，終版改型機缸內氣流組織性更好，體現(xiàn)為Y 方向滾流比較高。

圖4 阿特金森高效發(fā)動機與原機的氣流速度切片圖

3.3 高性能燃燒技術應用

燃燒室采用緊湊型設計開發(fā)理念，進一步降低燃燒室面容比，提升擠氣效果。燃燒室采用遮蔽機構能夠在增大滾流的同時降低流量系數(shù)損失，配合高滾流氣道及活塞，從而形成較為理想的缸內流動組織。圖6 示出帶有遮蔽機構的高效燃燒室；圖7 示出高效燃燒室燃燒組織性滾流比和湍動能提高效果。

圖6 阿特金森高效發(fā)動機帶遮蔽機構的燃燒室

圖7 高效燃燒室燃燒組織性滾流比和湍動能

3.4 外部廢氣再循環(huán)（EGR）技術應用

采用外部中冷EGR 技術，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，進一步達到降低油耗的目的[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)動機廢氣再循環(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 冷卻器及管路的設計有關，要保證足夠的EGR 率，必須滿足整個管路壓損的設計要求。圖10 示出某一工況下EGR 率對油耗的影響。

圖9 廢氣再循環(huán)（EGR）率控制示意圖

圖10 廢氣再循環(huán)（EGR）率對油耗的影響

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 種方案的對比可以看出，EGR 率對最低油耗率的影響達到22 g/kW·h。

4 試驗驗證

阿特金森高效發(fā)動機的開發(fā)需要開展熱力學開發(fā)硬件選型試驗、標定試驗、國Ⅵ排放試驗、可靠性試驗等。文章主要對阿特金森高效發(fā)動機熱力學開發(fā)硬件選型試驗進行相應展示，體現(xiàn)阿特金森高效發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性水平，同時與定義的項目目標進行對比，展示各個項目目標的達成效果。硬件選型試驗方案，如表3 所示。

4.1 外特性試驗結果

阿特金森高效發(fā)動機裝配完成后，進行熱力學硬件選型試驗開發(fā)，主要包括凸輪軸選型、壓縮比選型、氣道選型、冷卻EGR 進出氣位置選擇等。圖11 示出阿特金森高效發(fā)動機外特性試驗結果。

圖11 阿特金森高效發(fā)動機外特性試驗結果

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（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（大于90 kW）要求；從圖11c 可以看出，與原機奧托循環(huán)相比，阿特金森循環(huán)的點火角提前，這也是阿特金森節(jié)油的主要原因之一。

4.2 萬有特性試驗結果

萬有特性試驗結果主要體現(xiàn)關鍵部分負荷點油耗測試結果、EGR 率測試結果、燃燒測試結果、燃燒穩(wěn)定性結果以及萬有特性油耗MAP 等。圖12 示出阿特金森發(fā)動機萬有特性試驗關鍵油耗點的油耗測試結果。

圖12 阿特金森發(fā)動機萬有特性試驗關鍵油耗點的油耗測試結果

從圖12a 可以看出，方案6 在最低油耗率工況點的油耗率為210 g/kW·h。按汽油低熱值為42.5×106J/kg計算，該阿特金森發(fā)動機實現(xiàn)了最高熱效率為40%的目標。

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，當其他方案EGR 率較高時，油耗率相對較低。由此得出，較高的EGR 率可以明顯降低油耗率。

更關鍵的結果是燃燒測試結果，此結果以燃燒角度形式體現(xiàn)，包括某些關鍵工況點的燃料燃燒質量分數(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 處于點火上止點后8～9°CA，有利于提高有效熱效率。

圖13 阿特金森高效發(fā)動機萬有特性試驗最低油耗率工況點的燃燒測試結果

圖14 示出某些工況下燃燒穩(wěn)定性的測試結果，此結果包括帶和不帶EGR 的2 種狀態(tài)的燃燒穩(wěn)定性結果。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)標準規(guī)范要求（在2 000 r/min，2×105Pa，要求燃燒穩(wěn)定性≤3；在其他＞2×105Pa 的工況點，要求燃燒穩(wěn)定性≤3）。

圖14 阿特金森高效發(fā)動機萬有特性試驗燃燒穩(wěn)定性測試結果

發(fā)動機萬有特性試驗是發(fā)動機全MAP 測試，可以體現(xiàn)出發(fā)動機油耗水平以及關鍵油耗區(qū)域，如圖15 所示，該款阿特金森最低油耗率可以達到210 g/kW·h，對應著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荷，更適用于新能源工況，最低油耗區(qū)域轉速寬度和負荷高度范圍都大幅度提升，可以在較大的轉速和負荷范圍保持較好的經(jīng)濟效果。

圖15 阿特金森高效發(fā)動機萬有特性試驗油耗率測試結果

5 結論

文章對阿特金森高效發(fā)動機進行了設計優(yōu)化、CAE 分析和相關試驗驗證，開發(fā)出了萬有最低油耗率為210 g/kW·h 的發(fā)動機產(chǎn)品，實現(xiàn)了40%有效熱效率的目標。說明了阿特金森高效發(fā)動機大幅度降低油耗是可行的，效果明顯且降低幅度大，同時性價比較高，是降低油耗主要的核心技術措施。同時，阿特金森高效發(fā)動機也更適用于新能源車型，例如混合動力車、增程式電動車，更能發(fā)揮傳統(tǒng)內燃機的最佳效率，達到節(jié)能減排的效果。

阿特金森高效發(fā)動機技術成功的設計開發(fā)和試驗驗證，預示著我國高效發(fā)動機技術良好的開端。未來幾年里，高效發(fā)動機技術必將遍布汽車各個車型應用，而傳統(tǒng)內燃機也必將遵循高效這一主題。將高效內燃機與電氣化完美結合是一條達到節(jié)能減排效果的正確而有效的路徑。