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1、Atkinson 循环发动机实现之可行性分析1摘要：本文介绍了在普通奥托循环发动机基础上改造成为阿特金森循环发动机的可行性。由于阿特金森循环的膨胀行程比压缩行程要长，这样就充分发挥了发动机的爆发压力，提高了燃油效率。关键字：阿特金森循环（Atkinson cycle）发动机 可变气门相位（VVT-Variable Valve Timing）一 背景1 阿特金森循环（Atkinson cycle）发动机在常规奥托循环发动机的做功冲程完成后，封闭在汽缸内的气体压力仍然有 3 5 个大气压。在排气冲程中，这部分气体的热量白白地排放到大气中。如果提高做功行程的做功量，在膨胀行程末，汽缸内的压力降为稍高
2、于大气压，再将排气气门打开，则会提高燃油效率，这种工作循环被称之为阿特金森循环，具有这种循环的发动机被称之为阿特金森循环发动机。目前油电混合动力汽车中，基本上对于发动机进行了重新设计或重大改进。如丰田 Prius 的 1.5L 汽油机(1NZ-FXE)采用了阿特金森循环（Atkinson cycle） ，它是在 1NZ-FE 的基础上改造得到的。这种循环发动机具有高热效率、高膨胀比、紧凑型倾斜挤气燃烧室（以形成有利于燃烧的挤气涡流）以及铝合金缸体，其主要目的是追求高的热效率而不是高功率。由于电机承担了功率调峰的作用，发动机可以舍弃非经济工作区的动力性能而追求经济工作区的高效率。如，日本丰田 P
3、rius 所用的发动机的工作区域设定在 10004500rpm。阿特金森循环发动机的热效率较之传统的奥托循环发动机的提高有赖于控制泵气损失和在保持压缩比不变的前提下增大了膨胀比。在 1885 年，阿特金Atkinson 循环发动机实现之可行性分析2森循环的实现是通过曲柄和气门等机构，其燃烧室的容积用以保持固定的压缩比，而膨胀比是随着载荷变化而变动以此来优化燃油效率。在二十世纪初，工程师试图通过复杂的连杆机构以期实现不同的冲程，事实证明这种做法并不实用。后随着电子技术的发展，可变气门配气相位（VVT）使得阿特金森循环真正成为可能。福特和丰田公司已经将阿特金森循环发动机商品化，应用于其混合动力汽车
4、上。图 1 1885 年阿特金森循环发动机机构示意图2可变气门相位（VVT）由于常规发动机的凸轮设计是固定的，因此气门叠开角和进气门行程只能在理想的最大值与最小值之间选一个折中值。于是发动机在低速时，由于气门叠开角比理想值大，新鲜混合气就可能被废气带走，造成油耗增加；而在高速时，由于气门叠开角和进气门行程比理想值小，从而限制了发动机所能达到的Atkinson 循环发动机实现之可行性分析3最大功率。 所以理想的配气相位角应随着发动机转速、负荷及其它工况而改变。为了使发动机在高转速时能够提供较大的功率，在低转速时又能够提供足够的转矩，现代轿车发动机采用了可变气门相位系统（VVT 系统） ，它可以根
5、据发动机的运行情况而改变配气相位或气门升程，同时兼顾低转速和高转速时对于配气相位的要求，以实现发动机在低速区的扭矩需求和高速区的功率响应，并且能够直接地在全转速范围提高发动机的性能。在具体的实现手段上，各个汽车公司各有千秋。但是具体的方式不外乎以下四种：气门中止开启方式、凸轮轮廓改变方式、凸轮相位改变方式和多模式变换方式。世界上第一个实用的VVT 系统是意大利菲亚特汽车公司在 20 世纪 70 年代开发成功的，该系统使用液压装置，随着发动机的转速和进气压力的不同实现了对于凸轮从动件的支点位置的控制。最简单的 VVT 系统是通过提前和延迟进气和排气气门正时来实现，如马自达的 S-SV 系统；还有
6、通过在低速和高速工况下变换配气系统的凸轮来实现，如本田的 VTEC 系统；此外还有通过改变气门的开闭时间和气门升程来实现，如丰田的 VVTL-i。表 1 为各汽车公司 VVT 方案。表 1 各汽车公司可变气门相位（VVT）方案序号公司名称 VVT 方案代号 说明1 BMW 宝马 VANOS 通过凸轮轴从动件的运动控制进气和排气配气相位Atkinson 循环发动机实现之可行性分析42 FORD 福特 Variable Cam Timing 通过凸轮轴旋转实现可变配气相位3 GM 通用 DCVCP(Double Continuous Variable Phasing）液力马达控制实现可变配气相位4
7、 HONDA 本田 VTEC 可变气门升程5 HONDA 本田 i-VTEC 在传统 VTEC 基础上增加了凸轮相位控制6 HYUNDAI/KIA现代/起亚CVTT7 MAZDA 马自达 S-VT 通过凸轮轴的转动实现配气相位改变8 MITSUBISHI三菱 MIVTC 可变气门升程9 NISSAN 日产 VVL 通过两套凸轮实现可变进气配气相位和气门升程10 PORSCHE保时捷 Vario Cam 通过凸轮型线调整气门升程控制进气气门配气正时11 PORSCHE保时捷 Vario Cam Plus 通过凸轮型线调整气门升程和通过调整正时链条的涨紧度控制进气配气正时12 ROVER 陆虎 V
8、VC 通过一个偏心盘调整配气相Atkinson 循环发动机实现之可行性分析5位13 SUZUKI 铃木 VVT14 SUBARU 斯巴鲁 AVCS 通过液压调整配气相位15 TOYOTA 丰田 VVT-i 进气气门配气相位可变16 TOYOTA 丰田 VVTL-i 通过两套凸轮实现可变进气配气相位和气门升程17 GEELY 吉利 进气气门配气相位可变VVT 是发动机技术术语，在实现 VVT 功能上，即便是基于相同的原理，不同的汽车公司采用了不同形式的代号来表示。所以吉利也应为其 VVT 系统命名并申请专利。3对立统一一般说来，发动机扭矩和功率的提高与燃油经济性的提高是矛盾的。但是通过可变气门相
9、位既可以实现更高燃油经济性（阿特金森循环） ，也可以有效地改善发动机在低转速区的扭矩响应和高转速区的功率表现。所以说两者是对立统一的。二重点理论1发动机性能（1）评价发动机性能的指标发动机性能，是指发动机的动力性、燃油经济性、轻量化等方面的性能。Atkinson 循环发动机实现之可行性分析6这些性能，直接影响到整车的有关性能。评价发动机性能的主要指标有：转速、功率、扭矩和燃油消耗率等。另外，还有一些相对性的指标，如：升功率、升扭矩、升质量、比质量等等，以便在不同的发动机之间进行定性的比较。（2）影响发动机性能的因素进气效率、燃烧效率和摩擦损失是影响发动机性能的三个主要因素。相应地，通过增加进气
10、量、提高燃烧效率和降低摩擦损失，可提高发动机的性能。而阿特金森循环发动机的最主要目的便是提高燃烧效率。2理论压缩比和实际压缩比压缩比指的是发动机混合气体被压缩的程度，用压缩前的汽缸总容积与压缩后汽缸容积（即燃烧室容积）之比来表示。汽油机的压缩比在 610 之间。而实际的压缩比取决于气门相位，因为实际的压缩行程开始于进气气门关闭时刻。类似地，做功行程的膨胀比取决于排气气门相位。奥托循环发动机的压缩比和膨胀比近乎相等，阿特金森循环发动机是保持压缩比不变，增大膨胀比。在最新款的丰田 Prius 中，膨胀比为 13.0；应用米勒循环发动机（米勒循环可以看作增压的阿特金森循环）的马自达 MILLENIA
11、车上，其压缩比设定为 8。由于阿特金森循环在压缩行程中，进气气门关闭延迟，使得部分混合气体被推回到进气岐管中，这样每次进入燃烧室的理论空燃比的混合气体量便相对减少了，而做功行程又相对增加了做功量，所以燃油经济性得到了提高。如图2 所示Atkinson 循环发动机实现之可行性分析7（a）奥托循环 （b ）阿特金森循环图 2 奥托循环和阿特金森循环发动机每个工作循环消耗燃料对比（定性地）以丰田 Prius 为例，其发动机为 1NZ-FXE，其进气门和排气门相位数值如表 2 所示表 2 Prius 发动机的配气相位开启，上止点前，018 至 25进气门正时关闭，下止点后，072 至105开启，下止点
12、前，034排气门正时关闭，上止点后，02进一步地，参见图 3Atkinson 循环发动机实现之可行性分析8图 3 阿特金森循环原理图上图体现了阿特金森循环的理念，汽油发动机的燃料能量作为驱动力的只有全部的 1/3，其他的 2/3 的变成了排气损失、冷却损失和摩擦损失等。汽缸内膨胀行程的距离越大，则做功行程后温度越低，冷却损失减少，输出功率增加。但是正常工况的发动机膨胀比和压缩比相同，膨胀比增加导致压缩比增加，受爆燃影响膨胀比不易增大。为使压缩比小于膨胀比，开发了非正常工况的发动机（阿特金森循环发动机） 。当活塞从下止点开始向上运动时，让气门关闭得更晚，这样就可以得到更高的燃油经济性。三 阿特金
13、森循环发动机实现之可行性分析在保证发动机性能的基础上，对 JL4G10 发动机进行改造，使之成为阿特金森循环发动机。为此需首先了解 JL4G10 发动机。其主要参数如表 3 所示表 3 JL4G10 发动机的主要技术参数Atkinson 循环发动机实现之可行性分析9序号项目名称 技术参数1 型号 JL4G102 型式 直列四缸、四冲程、水冷、爽顶置凸轮轴（DOHC） 、16 气门、智能连续可变进气相位（VVT-i） 、链条传动电控燃油喷射汽油机3 燃烧室形式 交叉气流、单斜顶面平面型燃烧室4 电控系统形式 无分电器、分组点火、闭环、多点顺序喷射5 缸径（mm） 行程（mm）69.066.5（属
14、于短行程发动机）6 总排量 （L） 0.9957 压缩比 10：18 额定功率（ kW/rpm） 50/6009 最大扭矩（Nm/rpm） 87/4100430010 全负荷最低燃油消耗率（g/kWh ）25511 最低空载稳定转速（怠速）rpm（空调 A/C ON 时 508）9Atkinson 循环发动机实现之可行性分析10CO 3.2HC 012排放（g/km） XNO15.满足 EU3 排放要求13 汽缸压缩压力（MPa /rpm） 1.8/25014 点火次序 1342（14 缸和 23缸分组点火）15 火化塞电极间隙（mm ） 1.016 燃油牌号 GB17930-1999 93
15、号及以上无铅车用汽油17 机油容量（L） （干式充满）4.018 冷却液容量（L） （带储液罐）6.019 起动方式 （12V）电启动20 排气温度 （摄氏度） 85021 汽油机干质量（ kg ） 8722 外形尺寸 mm （长宽高） 56058060023 冷却方式 强制循环水冷24 润滑方式 压力与飞溅25 机油消耗（g/kWh） 1.826 冷却水温度 （摄氏度） 88 5（最高 ）1027 机油牌号 SAE10W-30,，API 质量等级SG 以上（冬季寒冷地区 SAE 5W-30）Atkinson 循环发动机实现之可行性分析11怠速 6028 机油压力（kPa） （rpm30）29
16、4539进气门 （mm）05.1829 气门间隙（冷态）排气门 （mm）05.32在奥托循环发动机的基础上将其改造为阿特金森循环发动机，需要兼顾技术可行性和生产可行性。而且成本是一个很重要的约束条件。结合吉利汽车混合动力车上拟采用原型发动机-JL4G10 发动机（属于低速型发动机） ，进行可行性分析。Atkinson 循环发动机实现之可行性分析12图 4 JL4G10 发动机1提高实际膨胀比，可采取的措施减小燃烧室的容积。调整气门正时，使进气气门延迟关闭，可通过改变进气凸轮的型线。同时仍可适当减少压缩比。注：目前 JL4G10 发动机的压缩比为 10。2减少摩擦和磨损，可采取的措施降低经济转速：燃料消耗率最小时对应的发动机转速，称为经济转速。一般处于最大扭矩和最大功率对应的转速之间。获得更高的燃油经济性的同时，最高功率和最大扭矩值均有所
