《阿特金森发动机实现之可行性分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《阿特金森发动机实现之可行性分析（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 .wd.摘要：本文介绍了在普通奥托循环发动机根基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35个大气压。在排气冲程中，这局部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于大气压，再将排气气门翻开，则会提高燃油效率，这种工作循
2、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， 根本上对于发动机进展了重新设计或重大改良。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的根基上改造得到的。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。由于电机承当了功率调峰的作用，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Prius所用的发动机的工作区域设定在10004500rpm。阿特金森循环发动机
3、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。后随着电子技术的开展，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
4、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到达的最大功率。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
5、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
6、称VVT方案代号说明1BMW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2FORD福特Variable Cam Timing通过凸轮轴旋转实现可变配气相位3GM通用DCVCP(Double Continuous Variable Phasing液力马达控制实现可变配气相位4HONDA本田VTEC可变气门升程5HONDA本田i-VTEC在传统VTEC根基上增加了凸轮相位控制6HYUNDAI/KIA现代/起亚CVTT7MAZDA马自达S-VT通过凸轮轴的转动实现配气相位改变8MITSUBISHI三菱MIVTC可变气门升程9NISSAN日产VVL通过两套凸轮实现可变进气配气相位和气门升
7、程10PORSCHE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11PORSCHE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12ROVER陆虎VVC通过一个偏心盘调整配气相位13SUZUKI铃木VVT14SUBARU斯巴鲁AVCS通过液压调整配气相位15TOYOTA丰田VVT-i进气气门配气相位可变16TOYOTA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17GEELY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，即便是基于一样的原理，不同的汽车公司采用了不同形式的代号来表示
8、。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。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展定性的比拟。2影响发动机性能的因素进气效率
9、、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场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
10、环可以看作增压的阿特金森循环的马自达 MILLENIA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，使得局部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比照定性地以丰田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发动机的配气相位进气门正时开启，上止点前，018至25关闭，下止点后，072至105排气门正时开启，下止点前，034关闭
11、，上止点后，02进一步地，参见图3图 3 阿特金森循环原理图上图表达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一样，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。当活塞从下止点开场向上运动时，让气门关闭得更晚，这样就可以得到更高的燃油经济性。三 阿特金森循环发动机实现之可行性分析在保证发动机性能的根基上，对JL4G10发动机进展改造，
12、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3JL4G10发动机的主要技术参数序号工程名称技术参数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燃烧室形式穿插气流、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mm69.066.5属于短行程发动机6总排量 L0.9957压缩比10：18额定功率 kW/rpm50/6009最大扭矩Nm/rpm87/4100430010全负荷最低燃油消耗率g/kWh25511最低空载稳定转速
13、怠速rpm空调A/C ON时 12排放g/kmCO满足EU3排放要求HC13汽缸压缩压力MPa /rpm1.8/25014点火次序134214缸和23缸分组点火15火化塞电极间隙mm16燃油牌号 GB17930-199993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/kWh1.826冷却水温度摄氏度885最高27机油牌号SAE10W-30,，API质量等级SG以上冬季寒冷地区SAE
14、 5W-3028机油压力kPa怠速rpm29453929气门间隙冷态进气门 mm排气门 mm 在奥托循环发动机的根基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。而且本钱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，进展可行性分析。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减小。可利用混合动力系
