阿特金森高效发动机设计开发及试验验证

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。

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。



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。



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。




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。





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。VOFF.燃烧室容积与最大燃烧室容积之比。


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，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。



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。






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。



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。



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。





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 42.5×106 J/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

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 ×105 Pa，要求燃烧稳定性≤3；在其他 >2×105 Pa 的工况点，要求燃烧稳定性≤3）。


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。