阿特金森高效发动机设计开发及试验验证

郭东劭 胡景彦 吉炎 马学建 刘清昭

（1.浙江钱江摩托股份有限公司；2.宁波市鄞州德来特技术有限公司）

随着国家节能减排法规标准的逐渐加严，传统内燃机领域希望能够进一步应用先进技术，大幅度实现节能减排效果。国外知名车企的高效发动机技术已成功上市[1-3]，并匹配于部分车型，后续会全面应用覆盖，而国内高效发动机的设计开发还处于起步阶段。基于此，文章开发了一款高效阿特金森发动机，达到了40%的热效率水平，目前正处于小批量生产阶段，预计于2019 年年底上市。

1 项目目标确定

1.1 发动机总体设计开发目标

本项目的目标是设计和开发一款四缸阿特金森汽油发动机，满足国产化生产需求，达到技术协议要求的性能、油耗、国Ⅵ排放的工程目标。该发动机主要技术特征包括：阿特金森循环、高滚流气道、高压缩比、中置双VVT、外部冷却EGR 等，主要结构参数及性能指标，如表1 所示。

表1 四缸阿特金森汽油发动机结构参数及性能指标

发动机主要指标包括发动机额定功率、发动机最大扭矩、低速扭矩、发动机关键油耗点等，体现了该款发动机主要的性能目标水平。

1.2 发动机关键油耗点目标

根据发动机使用需要，增加了关键油耗点指标要求，如表2 所示。这些指标来源于整车常用运行工况点。

表2 发动机关键油耗点指标 g（/kW·h）

该款发动机的动力目标与原机基本一致，整车油耗目标是在原机基础上降低15%。另外，该款高效阿特金森发动机适用于其它新能源平台。

2 阿特金森高效发动机性能目标可行性

2.1 外特性目标评估

根据整车动力性要求，包括最高车速、爬坡性、加速性能（起步加速和超越加速），对阿特金森高效发动机功率、扭矩性能进行模拟评估，同时计算分析该款发动机的外特性油耗，得到外特性目标可行性结果，如图1 所示。表3 示出发动机硬件选型试验方案。不同的方案代表不同的气门升程、气道滚流、压缩比等的合理组合。

图1 阿特金森高效发动机外特性目标可行性预测结果

表3 发动机硬件选型试验方案

从图1a 中可以看出，3 种方案能够满足扭矩可行的指标为方案1 和方案2；从图1b 中可以看出，3 种方案都可以满足最大功率指标要求；从图1c 中可以看出，与原机相比，阿特金森外特性油耗并无优势。阿特金森高效发动机主要通过降低常用工况点油耗率来降低整车油耗，外特性油耗对整车油耗影响很小。

2.2 关键油耗点目标评估

发动机关键油耗点为油耗占比最大的一些点，体现了整车的油耗水平。整车油耗的下降主要靠降低关键油耗点的油耗指标。不同的整车匹配车型，关键油耗点会有所差异，应根据整车车型参数来定义关键油耗点。从关键油耗点中取出占比最大的3 个点进行油耗水平评估，如图2 所示。

图2 阿特金森高效发动机关键油耗点水平预测结果

3 阿特金森高效发动机技术应用

实现发动机的高效性能，必须满足相关技术（阿特金森技术、高滚流气道技术、高压缩比技术、外部中冷EGR 技术、中置VVT 技术、高效率燃烧室技术等）应用要求。每项技术的成功应用，需要经过多轮的优化分析、设计改型，最终选取最佳的技术匹配效果。文章对阿特金森高效发动机的4 个主要应用技术进行阐述。

3.1 阿特金森技术应用

图3 示出奥托循环和阿特金森循环在部分负荷的示功图对比。阿特金森循环通过进气门晚关将部分已进入气缸的气体推出，进入进气歧管，增加了进气歧管压力，减小了泵气损失，从而降低了部分负荷油耗[3]。

图3 奥托循环和阿特金森循环在2 000 r/min，4×105 Pa 工况的示功图

阿特金森循环的节油效果主要是通过增加膨胀功能量、减少泵气损失2 个途径来达到。

3.2 高滚流比气道技术应用

图4 和图5 分别示出阿特金森高效发动机与原机的气流速度及湍动能效果对比。从图4 和图5 中可以看出，优化改型后发动机的气道湍动能和滚流比均大幅高于原机，更有利于缸内混合气的快速燃烧[1-3]，从而提升发动机效率。从图4 可以明显看出，终版改型机缸内气流组织性更好，体现为Y 方向滚流比较高。

图4 阿特金森高效发动机与原机的气流速度切片图

3.3 高性能燃烧技术应用

燃烧室采用紧凑型设计开发理念，进一步降低燃烧室面容比，提升挤气效果。燃烧室采用遮蔽机构能够在增大滚流的同时降低流量系数损失，配合高滚流气道及活塞，从而形成较为理想的缸内流动组织。图6 示出带有遮蔽机构的高效燃烧室；图7 示出高效燃烧室燃烧组织性滚流比和湍动能提高效果。

图6 阿特金森高效发动机带遮蔽机构的燃烧室

图7 高效燃烧室燃烧组织性滚流比和湍动能

3.4 外部废气再循环（EGR）技术应用

采用外部中冷EGR 技术，可以提升燃烧气体比热容，抑制爆震，提升压缩比，减少泵气损失，进一步达到降低油耗的目的[2-3]。图8 示出EGR 系统示意图，包括EGR 冷却器、EGR 阀、EGR 管路等。

图8 发动机废气再循环（EGR）系统总成

图9 示出EGR 率控制示意图。EGR 率大小与EGR 阀、EGR 冷却器及管路的设计有关，要保证足够的EGR 率，必须满足整个管路压损的设计要求。图10 示出某一工况下EGR 率对油耗的影响。

图9 废气再循环（EGR）率控制示意图

图10 废气再循环（EGR）率对油耗的影响

从图10 可见，EGR 率增大是保证油耗大幅度降低的必要条件；从3 种方案的对比可以看出，EGR 率对最低油耗率的影响达到22 g/kW·h。

4 试验验证

阿特金森高效发动机的开发需要开展热力学开发硬件选型试验、标定试验、国Ⅵ排放试验、可靠性试验等。文章主要对阿特金森高效发动机热力学开发硬件选型试验进行相应展示，体现阿特金森高效发动机的动力性和经济性水平，同时与定义的项目目标进行对比，展示各个项目目标的达成效果。硬件选型试验方案，如表3 所示。

4.1 外特性试验结果

阿特金森高效发动机装配完成后，进行热力学硬件选型试验开发，主要包括凸轮轴选型、压缩比选型、气道选型、冷却EGR 进出气位置选择等。图11 示出阿特金森高效发动机外特性试验结果。

图11 阿特金森高效发动机外特性试验结果

从图11a 可以看出，方案1 和方案2 满足外特性最大扭矩目标（大于170 N·m）要求；从图11b 可以看出，方案1 和方案2 都满足额定功率目标（大于90 kW）要求；从图11c 可以看出，与原机奥托循环相比，阿特金森循环的点火角提前，这也是阿特金森节油的主要原因之一。

4.2 万有特性试验结果

万有特性试验结果主要体现关键部分负荷点油耗测试结果、EGR 率测试结果、燃烧测试结果、燃烧稳定性结果以及万有特性油耗MAP 等。图12 示出阿特金森发动机万有特性试验关键油耗点的油耗测试结果。

图12 阿特金森发动机万有特性试验关键油耗点的油耗测试结果

从图12a 可以看出，方案6 在最低油耗率工况点的油耗率为210 g/kW·h。按汽油低热值为42.5×106J/kg计算，该阿特金森发动机实现了最高热效率为40%的目标。

从图12 可以看出，与其他方案相比，方案4 的EGR 率偏低，油耗率偏高，当其他方案EGR 率较高时，油耗率相对较低。由此得出，较高的EGR 率可以明显降低油耗率。

更关键的结果是燃烧测试结果，此结果以燃烧角度形式体现，包括某些关键工况点的燃料燃烧质量分数为50%（CA50）和90%（CA90）的角度，图13 示出最低油耗率工况点燃烧CA50 和CA90 角度。从图13 可以看出，多数方案最低油耗率工况的CA50 处于点火上止点后8～9°CA，有利于提高有效热效率。

图13 阿特金森高效发动机万有特性试验最低油耗率工况点的燃烧测试结果

图14 示出某些工况下燃烧稳定性的测试结果，此结果包括带和不带EGR 的2 种状态的燃烧稳定性结果。从图14 可以看出，2 种EGR 状态的燃烧稳定性差异不大，均满足燃烧稳定性企业标准规范要求（在2 000 r/min，2×105Pa，要求燃烧稳定性≤3；在其他＞2×105Pa 的工况点，要求燃烧稳定性≤3）。

图14 阿特金森高效发动机万有特性试验燃烧稳定性测试结果

发动机万有特性试验是发动机全MAP 测试，可以体现出发动机油耗水平以及关键油耗区域，如图15 所示，该款阿特金森最低油耗率可以达到210 g/kW·h，对应着40%的热效率。完整的最小油耗等值线为220 g/kW·h，最低油耗率范围在中负荷，更适用于新能源工况，最低油耗区域转速宽度和负荷高度范围都大幅度提升，可以在较大的转速和负荷范围保持较好的经济效果。

图15 阿特金森高效发动机万有特性试验油耗率测试结果

5 结论

文章对阿特金森高效发动机进行了设计优化、CAE 分析和相关试验验证，开发出了万有最低油耗率为210 g/kW·h 的发动机产品，实现了40%有效热效率的目标。说明了阿特金森高效发动机大幅度降低油耗是可行的，效果明显且降低幅度大，同时性价比较高，是降低油耗主要的核心技术措施。同时，阿特金森高效发动机也更适用于新能源车型，例如混合动力车、增程式电动车，更能发挥传统内燃机的最佳效率，达到节能减排的效果。

阿特金森高效发动机技术成功的设计开发和试验验证，预示着我国高效发动机技术良好的开端。未来几年里，高效发动机技术必将遍布汽车各个车型应用，而传统内燃机也必将遵循高效这一主题。将高效内燃机与电气化完美结合是一条达到节能减排效果的正确而有效的路径。