阿特金森发动机实现之可行性分析.docx
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阿特金森发动机实现之可行性分析
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（Atkinsoncycle）发动机可变气门相位（VVT---VariableValveTiming）
一．背景
1．阿特金森循环（Atkinsoncycle）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（Atkinsoncycle），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Prius所用的发动机的工作区域设定在1000～4500rpm。
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上。
…
图11885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
2
FORD
福特
，
VariableCamTiming
通过凸轮轴旋转实现可变配气相位
3
GM
通用
DCVCP
（DoubleContinuousVariablePhasing）
液力马达控制实现可变配气相位
4
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
CVTT
7
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
VarioCam
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
VarioCamPlus
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
VVC
通过一个偏心盘调整配气相位
13
SUZUKI
铃木
VVT
14
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6～10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；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
（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2Prius发动机的配气相位
进气门正时
开启，上止点前，0
18至25
关闭，下止点后，0
72至105
$
排气门正时
开启，下止点前，0
34
关闭，上止点后，0
2
进一步地，参见图3
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3JL4G10发动机的主要技术参数
序号
项目名称
技术参数
}
1
型号
JL4G10
2
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）
×（属于短行程发动机）
6
总排量（L）
7
压缩比
《
10：
1
8
额定功率（kW/rpm）
50/600
9
最大扭矩（Nm/rpm）
87/4100~4300
10
全负荷最低燃油消耗率
（g/kW·h）
:
255
11
最低空载稳定转速（怠速）rpm
（空调A/CON时
）
12
排放（g/km）
CO
%
满足EU3排放要求
HC
#
13
汽缸压缩压力（MPa/rpm）
250
14
点火次序
1－3－4－2（1－4缸和2－3缸分组点火）
15
{
火化塞电极间隙（mm）
16
燃油牌号GB17930-1999
93号及以上无铅车用汽油
17
机油容量（L）
（干式充满）
18
冷却液容量（L）
；
（带储液罐）
19
起动方式
（12V）电启动
20
排气温度（摄氏度）
850
21
汽油机干质量（kg）
87
\
22
外形尺寸mm（长×宽×高）
560×580×600
23
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/kW·h）
26
冷却水温度
（摄氏度）
88
5（最高
）
27
机油牌号
SAE10W-30,，API质量等级SG以上（冬季寒冷地区SAE5W-30）
28
机油压力（kPa）
}
怠速
（rpm）
294~539
29
气门间隙（冷态）
进气门（mm）
`
排气门（mm）
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。
图4JL4G10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。
可利用混合动力系统的电动机进行补偿。
●由此带来的另一个益处是降低了高转速运行时零部件的强度要求,即轻量化得以实现。
具体说来：
可以采用曲轴轻量化，活塞环低张力化，减少气门弹簧的刚度等措施使得摩擦损耗降低。
#
●曲轴偏置
曲轴偏置是将曲轴中心偏离缸径线，其结果是连杆可以保证垂直而减少了侧压力，从而减少了摩擦如图5所示。
JL4G10的曲轴偏置为8mm。
（注：
该技术并非混合动力所特有。
）
图5曲轴偏置示意图
●活塞偏置
活塞偏置是为了减免在上止点换向时“敲缸”现象的发生，如图6所示。
活塞销中心线偏离活塞中心平面，向做功行程中受侧压力的一方偏移了1～2mm。
这种结构可使活塞在压缩行程到做功行程中较为柔和地从压向汽缸的一侧到压向汽缸的另一面，以减小“敲缸”的声音。
（注：
JL4G10发动机活塞是否偏置待确认。
由于将JL4G10改造为阿特金森发动机后，其运行在燃油效率高的区间而不再接近或达到峰值转速，所以即便不采用活塞偏置，“敲缸”的矛盾应不会突出。
）
-
图6“敲缸”现象示意图
3．排气系统
在油电混合动力车上，在电动机的辅助作用下，发动机的负载变动受到抑制，因此催化剂的暖热也被抑制在低水平上。
如果我们的混合动力车的设计方案为完全混合动力，意味着发动机是间歇工作的频率会相对更高些，即频繁地启动和停止。
在目前排放标准日益严厉的条件下，当混合动力的发动机在冷起动时，如何抑制排放就成为关键问题。
4．冷却系统
由于混合动力车发动机的峰值功率降低，燃油效率提高。
这减轻了冷却系统的压力。
但另一方面，大功率拖动电机需要共用车体前端的散热器和风扇，因此又在一定程度上增大了冷却系统的压力，因此需要重新设计冷却系统的总布置及风扇、散热器等部件的参数选择。
由于完全混合动力车的发动机间歇运转，当发动机停止运转、电机运转模式时，电机需要依赖水泵带动循环水实现冷却。
所以，传统发动机中由曲轴通过皮带带动水泵的方式不可行，混合动力车上的水泵由电力常时拖动。
5．起动系统
！
由于ISG（集成起动机/发电机）具有兼有起动机功用，因此取消了传统意义上的直流启动电机。
6．耗能设备
常规汽车上，发电机时主要电源，而且通常安装在发动机上，由于全混合动力车的发动机为间歇工作，因此常规发动机上由发动机直接驱动的功能部件需要变更为电力拖动。
（1）空调A/C
如图4所示。
JL4G10发动机上由发动机曲轴通过皮带带动空调压缩机工作，混合动力车中变更为电动空调。
（2）助力转向
如图4所示。
JL4G10上的助力转向装置为常时保持油压的油压助力转向，是由发动机曲轴通过皮带带动工作，混合动力车中变更为电动助力转向。
（3）制动辅助装置
$
常规汽车在汽车制动时利用真空制动辅助装置减轻驾驶员操作力，它是利用发动机进气歧管的真空负压为力源，对液压制动装置进行加力。
混合动力车中要变更为电动制动辅助。
四．小结
在我们应用混合动力技术时，辨证思辨是有必要的。
比如发动机紧凑化和整车整备质量之间是对立统一的。
在发动机燃油效率最佳点，发动机的输出功率值大约为其额定功率的32％～48％之间（平均40％左右）。
以JL4G10为例，其额定功率为50kW，则发动机最佳燃油经济性时的输出功率为16～24kW。
理论上可通过使用更小规格的发动机来解决储备功率过大带来的问题。
较小规格的发动机不是为了满足急加速和爬陡坡的要求而设计，而是满足缓加速和爬缓坡的要求。
当要求急加速的时间很短或爬较长的陡坡时，利用储存在蓄电池中的电能驱动电动机提供辅助动力。
当蓄电池能量不足时，需要利用发动机充电以保证其充电容量。
但是发动机紧凑化存在着实际的限制。
由于混合动力车上发动机质量的减少的同时却增加了电池和马达的质量。
汽车需要能够以合理的速度爬上较长的斜坡，即使电池放电耗尽电能的情形下。
这些都约束了发动机的规格不能过小。
再比如，提高燃油经济性要综合考虑，不仅依靠发动机的贡献度，还应包括电动机、整车零部件轻量化及空气动力性能等的提升，这将牵涉到新技术、新工艺和新材料的应用。
这些都要受控于成本分析和价值工程（VA/VE）。
：
参考资料
1《汽车构造图册》细川武志（著）魏朗译人民交通出版社2004
2《TheinsidestoryontheMiller-cycleengine》downloadfrom《EfficiencyofAtkinsonenginemaximumpowerdensity》ElsevierScienceLtdVol.39No.3/4,1998
4《汽车构造与原理》（上册·发动机）蔡兴旺编机械工业出版社2004
5《混合动力电动汽车专题（九）-----Prius的发动机》吉利汽车研究院2005
6《混合动力电动汽车专题（八）-----Prius的动力系统的组成部件》吉利汽车研究院2005
7《混合动力电动汽车专题（三）-----Prius的参数》吉利汽车研究院2005
?
8《PerformanceanalysisandcomparisonofanAtkinsoncyclecoupledtovariabletemperatureheatreservoirundermaximumpowerandmaximumpowerdensityconditions》EnergyConversionandManagement462637-26552005
9《汽车环保新技术》松本廉平（著）曹秉钢等译西安交通大学出版社2004
10《内燃机的控制方法》专利号：
中华人民共和国知识产权局2005
11《奥托循环、狄塞尔循环、阿特金森循环的改进方法》专利号：
中华人民共和国知识产权局2005
。
$
附文：
^
Variablevalvetiming
Variablevalvetiming,orVVT,isagenerictermforanautomobilepistonenginetechnology.VVTallowstheliftordurationandtiming（orall）oftheintakeorexhaustvalves（orboth）tobechangedwhiletheengineisinoperation.
Overview
Pistonenginesnormallyusepoppetvalvesforintakeandexhaust.Thesearedriven（directlyorindirectly）bycamsonacamshaft.Thecamsopenthevalves（lift）foracertainamountoftime（duration）duringeachintakeandexhaustcycle.Thetimingofthevalveopeningandclosingisalsoimportant.
Theprofileofthesecamsisoptimizedforacertainenginerpm,andthistradeoffnormallylimitslow-endtorqueorhigh-endpower.VVTallowsthecamprofiletochange,whichresultsingreaterefficiencyandpower.
MostsimpleVVTsystems（likeMazda'sS-VT）advanceorretardthetimingoftheintakeorexhaustvalves.Others（likeHonda'sVTEC）switchbetweentwosetsofcamsatacertainenginerpm.Stillotherscanalterdurationandliftcontinuously.
History
ThefirstexperimentationwithvariablevalvetimingandliftwasperformedbyGeneralMotors.GMwasactuallyinterestedinthrottlingtheintakevalvesinordertoreduceemissions.Thiswasdonebyminimizingtheamountofliftatlowloadtokeeptheintakevelocityhigher,therebyatomizingtheintakecharge.GMencounteredproblemsrunningatverylowlift,andabandonedtheproject.
Thefirstfunctionalvariablevalvetimingsystem,includingvariablelift,wasdevelopedatFiat.DevelopedbyGiovanniTorazzainthe1970's,thesystemusedhydraulicpressuretovarythefulcrumofthecamfollowers.Thehydraulicpressurechangedaccordingtoenginespeedandintakepressure.Thetypicalopeningvariationwas37%.
ThenextbigstepwastakenbyHondainthe1980sand90s,whereHondabeganbyexperimentingwithvariablevalvelift.Pleasedwiththeresults,engineerstooktheknowledgeandappliedittotheB16Aengine,fittedtothe1989EF9HondaCivic.Fromthereithasbeenusedinavarietyofapplications,fromsporttoutility,bymanydifferentautomakers.
}
VVTImplementations
BMWVANOS-Variesintakeandexhausttimingbymovingthefulcrumofthecamshaft
FordVariableCamTiming-Variesvalvetimingbyrotatingthecamshaft
GMDCVCP（DoubleContinuousVariableCamPhasing）-Variestimingwithhydraulicvanetypephaser
HondaVTEC-Variesintake,duration,andliftb
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