隨著國家節(jié)能減排法規(guī)標準的逐漸加嚴，傳統(tǒng)內(nèi)燃機領域希望能夠進一步應用先進技術(shù)，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(shù)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(nèi)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。

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(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)及性能指標， 如表 1 所示。



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。



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(jié)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。




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。





3  阿特金森高效發(fā)動機技術(shù)應用

實現(xiàn)發(fā)動機的高效性能，必須滿足相關技術(shù)（阿特 金森技術(shù)、高滾流氣道技術(shù)、高壓縮比技術(shù)、外部中冷EGR 技術(shù)、中置 VVT 技術(shù)、高效率燃燒室技術(shù)等）應用 要求。每項技術(shù)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(shù)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(shù)進行闡述。

3.1 阿特金森技術(shù)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。VOFF.燃燒室容積與最大燃燒室容積之比。


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(shù)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(nèi)混合氣的快速燃燒，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(nèi)氣流組織性更好，體現(xiàn)為 Y 方向滾流比較高。



3.3 高性能燃燒技術(shù)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(gòu)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(nèi)流動組織。圖 6 示 出帶有遮蔽機構(gòu)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。






3.4 外部廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)應用

采用外部中冷 EGR 技術(shù)，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。



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(jié)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(jié)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(jié)果

萬有特性試驗結(jié)果主要體現(xiàn)關鍵部分負荷點油耗 測試結(jié)果、EGR 率測試結(jié)果、燃燒測試結(jié)果、燃燒穩(wěn)定性結(jié)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(jié)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 42.5×106 J/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(jié)果是燃燒測試結(jié)果，此結(jié)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(zhì)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(jié)果

14示出某些工況下燃燒穩(wěn)定性的測試結(jié)果， 此結(jié)果包括帶和不帶 EGR 的 2 種狀態(tài)的燃燒穩(wěn)定性 結(jié)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 ×105 Pa，要求燃燒穩(wěn)定性≤3；在其他 >2×105 Pa 的工況點，要求燃燒穩(wěn)定性≤3）。


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(zhuǎn)速寬度和負荷高度范圍都大幅度提升，可以在較大的轉(zhuǎn)速和負荷范圍保持較好的經(jīng)濟效果。