增压汽油机米勒循环应用研究

梁源飞 周正群 杨如枝

摘 要：米勒循环是当前降低汽油机油耗的关键技术，应用该技术需要对汽油机的型线、压缩比等重新设计，文章通过构建发动机一维热力学模型对米勒循环进行了研究。研究表明：早关米勒循环（EIVC）应用到增压汽油机上降低油耗的效果比晚关米勒循环（LIVC）好，EIVC降低油耗5.6%，LIVC降低油耗3.2%;EIVC进气门型线设计受到低速气门重叠角度限制和中高速增压器压比的限制，所以进气门型线设计应具有窄跨度和高升程的特性;压缩比为11.5和增压器减小12%的方案较合适。

关键词：增压汽油机;米勒循环;热力学仿真;型线设计

中图分类号：U464.171  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）13-31-04

Application study on Miller Cycle Turbocharged Gasoline Engine

Liang Yuanfei， Zhou Zhengqun， Yang Ruzhi

（ SAIC-GM-Wuling Automobile Company Limited， Guangxi Liuzhou 545007 ）

Abstract： The miller cycle is the key technology to reduce the fuel consumption of gasoline engine at present. To apply the technology to the supercharged gasoline engine， it is necessary to redesign the profile and compression ratio of the gasoline engine. This paper studies the miller cycle by building a one-dimensional thermodynamic model of the engine. The results showed that the early closing miller cycle （EIVC） was better than the late closing miller cycle （LIVC） in reducing fuel consumption. EIVC reduced fuel consumption by 5.6%， and LIVC reduced fuel consumption by 3.2%.The intake valve profile of the EIVC is limited by the overlapping Angle on the low engine speed and the pressure ratio of supercharger on medium-high engine speed， so the intake valve profile should have the characteristics of narrow span and high lift. The compression ratio is 11.5 and the supercharger is reduced by 12%.

Keywords： Turbocharged Gasoline Engine; Miller Cycle; Thermodynamic Simulation; Valve Profile Design

CLC NO.： U464.171  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）13-31-04

引言

油耗和排放法规的日趋严格，纯电动车是重要的解决方案;而现阶段，纯电驱动行驶里程受到动力电池能量密度的限制，依然面临技术和成本的问题[1];由于汽油机车辆占比高，降低油耗带来的整体效果巨大，是现阶段节能的主要措施之一;米勒循环是当前汽油机降低油耗的主流技术路线之一。

米勒循环发动机的膨胀比大于压缩比，做功行程更长，热效率更高;在日益严格的油耗法规限值下，米勒循环已成为当前研究的热点[2];国内外也对此进行了许多的研究。祖炳锋等人研究了在小型化增压发动机上应用进气门早关（EIVC）和进气门晚关（LIVC）两种米勒循环形式对发动机油耗、爆震及燃烧特性的影响，表明两种米勒循环形式均能有效降低全工况范围的燃油消耗率，平均降幅约为8%[3]。吴中浪等人通过实验研究了米勒循环在中小负荷对高压缩比汽油机热效率提升的效果，研究表明：米勒循环在小负荷工况能促进SI-HCCI混合燃烧，固定循环喷油量下的小负荷工况通过气门相位优化，热效率提升幅度可达12%，在中等负荷工况指示热效率可进一步提升至40%[4]。可见，米勒循环技术具有显著降低油耗的潜力。

1 概念设计

在某款增压进气道喷油汽油机基础上开发米勒循环发动机，其外特性要求最大扭矩224Nm，额定功率98kw，外特性曲线如图1所示。

米勒循环降低油耗的原理：（1）外特性工况，提高增压器压比，保持一定的进气量，保证外特性扭矩;部分负荷工况，增大节气门开度，减小泵气损失;（2）进气门早关或晚关，降低有效压缩比，降低爆震;（3）增加压缩比或提前点火角，降低油耗。根据米勒循环降低油耗的原理，制定发动机的主要更改包括：（1）进气门型线;（2）压缩比;（3）增壓器。

本文应用GT-Power仿真软件，完成了某款增压汽油发动机应用米勒循环开发中的进气门型线设计、压缩比选择和增压器匹配分析研究。

2 一维热力学模型

某款增压汽油发动机，其基本参数见表1，一维热力学模型如图2所示，应用该热力学模型，研究了进气门型线、压缩比和增压器对发动机性能的影响。

米勒循环一维热力学模拟方法：（1）标定原机模型，获得原机模型的爆震指数;（2）使用SITurbo预测燃烧模型评估气门型线、压缩比、当量比对燃烧的影响;（3）使用DOE研究进/排气VVT，选择出满足外特性扭矩且爆震指数最小的进/排气VVT角度。（4）使用PID控制点火角，限制爆震指数小于原机水平，寻优目标为最低油耗。（5）对发动机外特性及部分负荷关键工况点进行模拟研究。

3 进气门型线设计

3.1 进气门型线

通过对标分析，选择12的几何压缩比研究进气门型线的影响;早关米勒循环提前关闭进气门，达到降低有效压缩比的目的，提前关闭进气门可以通过调整VVT和缩小进气门型线跨度来实现。

调整VVT实现进气门提前关闭，在低转速时存在明显的扫气现象，由于发动机为进气道喷油，扫气将大量的混合气体直接排到排气系统中，导致油耗迅速上升，如图3所示。跨度系数大于0.7后，随气门重叠角度加大，扫气将导致油耗显著上升。因此，由于低速工况的气门重叠角限制，早关米勒循环需要小跨度的进气门型线，同时这也是深度米勒循环的要求。

由于目标外特性要求的限制，进气门跨度系数越小，进气门越早关闭，为了保证足够的进气量，需要的增压器压比越大，如图4所示，4000转的外特性工况压气机压比最大，而该发动机设计的压气机最大压比限制在2.5以下，则要求跨度系数大于0.7。由于该发动机的气门机构为直驱，随着跨度缩小，为了满足气门机构动力学的要求，型线最大升程必须下降，这也导致高速工况压比较高。

综合以上分析可见，低速工况需要小的进气门跨度来减小气门重叠角，中高速工况则需要相对较大的气门跨度来降低压气机的压比，因此早关米勒循环要求进气门型线具有小的跨度和尽可能高的升程。

据此选择两组早关米勒循环进气门型线进行模拟研究，分别为Miller4.5和Miller5.5进气门型线方案，其跨度系数分别为0.68和0.73，最大升程分别为4.5mm和5.5mm，如图5所示。

晚关米勒循环通过推迟进气门关闭角度，将部分进气推出气缸，实现降低有效压缩比的目的;设计上可将进气门型线在最大升程时保持一定的角度来实现晚关米勒循环。选择3组晚关米勒循环进气门型线方案进行研究，分别为：Dwell35、Dwell43、Dwell50方案，如图5所示。将原机进气门型线在最大升程位置分别保持35°CAD、43°CAD、50°CAD得到上述三组型线。

3.2 模拟结果

按上述模拟方法，对5个关键外特性工况点和三个关键部分负荷工况点进行模拟研究，在达到目标负荷的情况下，外特性油耗表现，如图6所示;部分负荷油耗表现，如图7所示。早关米勒循环中高速外特性油耗下降幅度高于晚关米勒循环;早关米勒循环和晚关米勒循环低速外特性工况油耗下降不明显;部分负荷早关米勒循环油耗下降幅度高于晚关米勒循环。

米勒循环各进气门型线方案油耗平均下降幅度对比见表2，早关米勒循环的外特性和部分负荷油耗降幅都大于晚关米勒循环，早关米勒循环Miller4.5方案的油耗降幅为5.6%，晚关米勒循环Dwell50方案的油耗降幅为3.2%，可见增压汽油发动机使用早关米勒循环效果更好。

4 压缩比选择

4.1 压缩比

选择Miller4.5进气门型线研究压缩比的影响;米勒循环降低油耗的关键在于提高压缩比，但压缩比过大将导致外特性工况为了控制爆震，不得不将点火角推迟，有可能油耗反而上升，得不偿失，因此需要选择与外特性匹配的压缩比，通过对标分析选择11、11.5和12的压缩比方案进行研究，分别命名为：CR11、CR11.5和CR12。

4.2 压缩比的影响

压缩比为11、11.5和12的方案油耗降低幅度，如图8所示，随压缩比增大，外特性油耗降低幅度减小，部分负荷特性油耗降低幅度增加。外特性工况随压缩比增加必须进一步推迟点火角，导致了油耗上升;而部分负荷工况爆震相对没有外特性工况强烈，提高压缩比油耗降低更显著。综合考虑外特性和部分负荷工况，选择11.5的压缩比更合适。

5 增压器匹配

5.1 增压器

增压器匹配受到两方面的影响，一是外特性功率扭矩降低了，即最大扭矩由原机的275Nm降低到224Nm，额定功率由原机的112kw降低到98kw，因此可减小增压器;另一方面是由于使用早关米勒循环，增压器压比提高了，为了保证低速扭矩目标，需要一个稍小的增压器。

5.2 增压器匹配

通过模拟分析，将原机增压器减小12%后，大部分工况点运行在增压器的高效区，增压器低速喘振裕度和高速余量都比较合适，增压器的运行曲线，如图9所示，可将此提供给增压器供应商匹配增压器。

6 结论

（1）早關米勒循环应用到增压汽油机上降低油耗的效果比晚关米勒循环好。

（2）早关米勒循环降低油耗5.6%，晚关米勒循环降低油耗3.2%;

（3）早关米勒循环进气门型线设计受到低速气门重叠角度限制和中高速增压器压比的限制，所以进气门型线设计应具有窄跨度和高升程的特性。

（4）压缩比为11.5时，早关米勒循环外特性油耗降低5.0%，部分负荷特性油耗降低6.1%;原机增压器减小12%时，大部分工况点运行在增压器的高效区。

参考文献

[1] 申永鹏，王耀南，孟步敏，等.基于多目标优化模型的电动汽车增程器油耗及排放优化[J].控制理论与应用，2015，32（5）：631-640.

[2] 梁源飞，周正群，杨如枝.米勒循环增压发动机进气道开发[J].小型内燃机与车辆技术，2020（01）：14-19.

[3] 祖炳锋，周仁杰，徐玉梁，等.米勒循环在小型增压汽油机典型工况的应用研究[J].内燃机工程，2017（06）：125-130.

[4] 吴中浪，陈韬，谢辉，等.高压缩比米勒循环汽油机气门策略优化[J].燃烧科学与技术，2019（4）：331-339.