摘 要

随着世界各国排放和油耗法规的日益严苛，对于内燃机热效率的追求也逐渐提高，传统内燃机技术越来越难以应对未来对热效率的追求。传统奥托循环发动机的排放性能很难在短时间内大幅度提高，因此越来越多的目光集中到了阿特金森循环这一于1882年由阿特金森提出的内燃机循环形式。

阿特金森发动机的原理是使其循环膨胀比大于压缩比，以获取更高热效率，降低了燃油消耗率，这对比于传统奥托循环发动机，是一条非常有效的发动机优化途径。因此目前阿特金森在汽车行业受到广泛的关注。初代阿特金森循环发动机的曲柄连杆结构复杂，成本较高，维修困难，目前采用的是控制进气相位来实现阿特金森的原理，这更有利于实现现有机型的改制以及共线生产，降低了改制的成本，便于生产普及。

本文首先对阿特金森循环发动机的工作原理以及性能特点进行探究分析，确定阿特金森汽油机的开发思路，确定该款待开发汽油机的主要性能参数和各个机构、系统的选型，最后使用GT-POWER软件建立一款1.5L阿特金森循环发动机模型进行仿真模拟，并对进排气系统和配气机构进行优化设计。

通过设定多种进气方案，对比各项发动机性能参数，探究阿特金森发动机进气优化途径，确定改进方案，完成对原机性能的提升。

关键词：阿特金森循环；GT-POWER建模仿真；进气优化

Abstract

With the increasingly stringent emission and fuel consumption laws and regulations in the world, the pursuit of thermal efficiency of internal combustion engine is gradually improved, and the traditional internal combustion engine technology is more and more difficult to deal with the pursuit of thermal efficiency in the future.It is difficult to improve the emission performance of conventional Otto cycle engine in a short period of time.Therefore, more and more attention is focused on the Atkinson cycle engine, an internal combustion engine cycle proposed by Atkinson in 1882.

The principle of Atkinson engine is to make its cycle expansion ratio larger than compression ratio in order to obtain higher thermal efficiency and lower fuel consumption. Compared with the traditional Otto cycle engine, it is a very effective way to optimize the engine.As a result, Atkinson is now widely concerned in the automotive industry.The crank-connecting rod structure of the original Atkinson cycle engine is complex, the cost is relatively high, and the maintenance is difficult. At present, the principle of controlling the intake phase to realize Atkinson's principle is adopted, which is more conducive to the reform of the existing models and the collinear production. It reduces the cost of the system reform and facilitates the popularization of production.

In this paper, the working principle and performance characteristics of the Atkinson cycle engine are analyzed and analyzed,in order to determine the development thinking of Atkinson gasoline engine,the main performance parameters of the engine and the selection of the system. Finally, a 1.5L Atkinson cycle engine model is established by using GT-POWER software to simulate the performance of the engine. The inlet and exhaust system and the valve distribution mechanism are optimized.

By comparing the power, fuel consumption and in-cylinder pressure, the simulation results obtained in this paper can be verified to be in good agreement with the theoretical results (experimental results).

Key Words：Atkinson cycle,GT-POWER simulation,Intake optimization

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外阿特金森发动机研究现状 2

1.3 本文研究内容 2

1.4 本章小结 3

第2章 阿特金森发动机设计开发调研 4

2.1 发动机性能指标 4

2.2 性能影响主要参数 4

2.3 整体开发思路 4

2.4 市场主要机型 5

2.5 确定发动机性能需求 7

2.6 确定发动机参数 8

2.7 本章小结 8

第3章 发动机性能仿真 9

3.1 输入模型的参数 9

3.2 所需标定的参数 9

3.3 发动机性能评价参数 9

3.4 发动机性能分析步骤 10

3.5 进排气系统布置 10

3.6 阿特金森循环的实现 10

3.7 模型参数输入 11

3.8 建模方法 12

3.9 模型验证 18

3.10 模型仿真结果 19

3.11 本章小结 23

第4章 发动机进气优化方案 24

4.1 进气正时优化 24

4.2 进气方案比较 24

4.3 进气方案选择 27

4.4 进气歧管优化 28

4.5 本章小结 30

第5章 结论与展望 31

5.1 结论 31

5.2 展望 31

参考文献 32

致 谢 34

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着汽车的制造能力的和制造技术的提升，汽车开始进入越来越多人的生活，而因此带来的环境污染问题和能源短缺问题也在持续加重，对环境的要求和对排放的限制也越来越高，因此发动机的发展必须革新现有技术和创新发展新的技术。

目前汽车市场上各类车型搭载的汽油发动机基本都是传统奥托循环发动机。奥托循环是发动机基本循环，包括进气、压缩、做功、排气四个冲程，其活塞行程保持不变因此发动机膨胀比基本等于压缩比。尽管随着燃油电控喷射技术、双喷射、废气循环与增压技术的不断革新，传统汽油机的各项性能都取得了很大的进步，但其仍难以应对新形势下的更为严格的要求。主要劣势如下：（1）为满足搭载车辆要求的加速性能和爬坡性能，发动机需要设计较大的功率，这会导致某些工况下发动机燃烧效率低，油耗较高；（2）由节气门控制转速，节气门全开工况较少，泵气和节流损失占总损失比例较大。（3）传统发动机的燃烧效率相对于阿特金森循环发动机偏低。

阿特金森循环是英国工程师阿特金森在1884年所提出的一种新型发动机燃烧循环。在奥托循环的基础上，它可以采用较高的几何压缩比，使做功冲程大于压缩冲程已获得更高的热效率，其高压缩比带来的汽油机爆震倾向增加的危害可以由阿特金森循环的特性来消除。初代阿特金森循环是通过一套极为复杂的曲柄连杆机构来实现的，但由于其结构复杂，成本较高，维修困难，因此阿特金森尽管在百年前提出，但近代以来市场上的汽车均采用更加简单可靠的奥托循环发动机。

百年前的阿特金森循环虽未得到真正应用，但其原理的正确性和对发动机性能的提升使阿特金森循环在急需高性能低排放发动机今天备受瞩目，当今的阿特金森发动机不再使用那套复杂的曲柄连杆机构，而是通过可变气门正时技术推迟进气门关闭时刻，使进气被部分推出，让发动机实际压缩比小于理论压缩比，实现阿特金森循环。由于这种方式推出部分进气，对进气量产生影响，使发动机在低转速区转矩较低，并且难以达到高转速。

由于上述的阿特金森循环特点，阿特金森发动机实际适用工况主要位于中等转速区，因此想要有效利用阿特金森发动机的优势，就让发动机应该避开低效率工作区间，此区间内的动力由电动机。这种工作方式与混合动力汽车非常契合，可以使阿特金森发动机仅工作于高效工作区间，发挥阿特金森循环高热效率的特点，实现在动力充足的情况下油耗的降低。

1.2国内外阿特金森发动机研究现状

2017年德国的R.Budack，R.Wurms，G.Mendi，T.Heiduk对首次亮相新一代2.0L涡轮增压缸内直喷式汽油机进行了研究分析，该款发动机搭载于A4系列车型。Audi公司为了提高热效率采用进一步开发的米勒（Miller）燃烧过程，从传统的工作过程转换到膨胀行程加长的工作过程，实现排量增加与米勒循环同时实现，并且不需要较大改动原本的发动机生产线，仅需对配气机构进行调整^[6]。

2017年日本丰田的S.Matsuo E.Ikeda Y.Ito H.Nishiura对丰田混动汽车使用的直列４缸1.8L ESTEC 2ZR－FXE汽油机进行了分析研究，在降低摩擦的同时，对发动机进行燃烧优化、配气正时优化来实现性能的更新。气门正时采用了阿特金森循环，并对进排气歧管，点火线圈火花塞，缸体缸盖，热管理等方面进行优化，在各项技术的匹配和综合下，该款发动机位于高效工作区的热效率能够达到40％，这在汽油机中是非常高的水平^[4]。

同时阿特金森循环对改善汽油机排放也具有显著作用。西班牙的J.R.Serrano等在阿特金森循环上结合EGR，最终的实验结果表明NOx排放比原机更低。结论是阿特金森循环促进了燃料预混燃烧，实现了燃烧的优化，结果使缸内燃烧温度降低，抑制了氮气与氧气的高温反应，降低了氮氧化物的排放，这种特性非常符合当今汽油机发展的趋势^[13]。

丰田Prius第三代使用了阿特金森发动机，并且得到了市场的认可。此车型在原传统发动机基础上进行了技术更新，采用阿特金森循环，附加使用了新型燃烧室设计、VVT系统和降低发动机转速等新技术，这使本款发动机在动力性、燃油经济性和排放性能方面都非常优秀。

电子控制技术的进步可以实现对于进气正时相位的精准调控，从而实现在原机生产线不进行大幅度改变的情况下实现同大小机型的阿特金森发动机的生产，这降低了发动机更新所需的成本。现代汽车新技术在阿特金森发动机上的应用还亟待探究，以目前成果来看，阿特金森发动机有很大的发展潜力，在各项技术的配合下，能够实现比传统发动机更优秀的性能。

1.3 本文研究内容

本文主要总体开发设计了一台阿特金森循环发动机，从基本原理和性能特点出发，确定该款发动机的主要性能参数、各个系统的选型和设计，利用GT-POWER建立一维仿真模型进行计算,初步评估不同进气方案对发动机进气效率、燃烧效率和摩擦损失的影响，确定最优方案，用以匹配混动车型所搭载的高效率阿特金森发动机。

1.4 本章小结

本章首先对阿特金森循环的出现和优势进行了分析，介绍了其原理以及使用现代发动机技术来实现阿特金森循环的方法；对国内外比较有代表性的关于阿特金森循环的研究进行了总结叙述，对阿特金森发动机的进一步发展进行了展望；最后阐述了本文研究的主要内容、目的、实现的方法及意义。

第2章 阿特金森发动机设计开发调研

2.1 发动机性能指标

对目标发动机进行整体开发设计应从所需要的发动机性能入手，综合所需的发动机最重要的动力性能，其次考虑发动机油耗性能，还需要综合发动机的结构轻量化、使用可靠性等方面的性能进行考量，针对主要性能参数进行优化设计。这些性能在发动机适配于对整车上后会对汽车动力性、燃油经济性、平顺性等汽车主要性能都起到关键性的影响。

评价发动机性能的主要指标有：转速、功率、转矩和热效率等，再综合燃油燃烧情况、进排气情况等间接评价参数，用以评估出综合性能较为优秀的发动机设计方案。

本文将通过GT-Power建立的模型进行仿真模拟，对发动机主要性能指标进行评估对比，选择出最优的设计开发方案。

2.2 性能影响主要参数

对于阿特金森循环发动机，阿特金森循环能否实现的关键在于进气情况，因此进气参数是本机开发设计过程最为重要的因素；其次，由进气方式的改变会引起缸内燃烧状况的改变，本文不对燃烧过程过深探究，因此对燃烧效率的分析和提升将作为本文优化的目标；除此之外，发动机的摩擦损失也对整机的性能影响较大。以上三个因素的相关参数将作为本文提高发动机性能的关键参数。进气相关参数包括进气门推迟关闭角、进气门升程、气门开启时长（所占曲轴转角）等；燃烧相关参数包括气缸壁面、活塞、缸盖传热效率及设定温度、燃料燃烧速度、喷油量等；摩擦损失相关参数包括进气道摩擦损失、排气损失等。

2.3 整体开发思路

阿特金森循环发动机相对于传统奥托汽油机有非常独特的优势，但也同时存在如下设计原理问题：

1.阿特金森循环进气门晚关，活塞将部分进气推出，这造成发动机实际压缩比小于理论压缩比，为弥补这一性能损失，阿特金森发动机一般采用较高的几何压缩比，但设计时必须考虑到气门重叠角的限制；

2.汽油机转速由节气门开度控制，阿特金森发动机也不例外，阿特金森发动机的低转速区进气门开度小，并且为了实现阿特金森循环，进气门晚关角将进一步增大，这两个因素会造成非常严重的燃烧恶化以及缸内失火；

3.阿特金森循环主要依靠进气实现，需要对进气门升程和进气正时都进行高精度控制，这

对进气控制策略或可变气门正时的设计都提出了很高的要求；

4.阿特金森发动机真正具有竞争力的区间仅位于中等转速区。在低转速区由于进气被推出，发动机转矩会减小，因此阿特金森发动机常配有涡轮增压系统；高转速区由于活塞相对运动距离长，转速很难达到很高水平。以上两点限制了阿特金森发动机匹配的车型，一般只有混动汽车才会采用阿特金森发动机。

因此根据阿特金森发动机的性能特点和实际工作特点，需要对其进行优化，主要优化气门型线和进气道，提高压缩比，采用EGR技术、可变气门正时、涡轮增压等技术。针对发动机燃烧系统进行优化设计，对发动机工作过程模拟，并对缸内进行热力学分析，从以上方向着手进行开发。

本文中阿特金森循环发动机的主要开发内容包括：

·确定1.5L阿特金森循环汽油机的主要性能参数；

·1.5L阿特金森循环汽油机各机构与系统的设计与选型；

·阿特金森循环汽油机仿真模型的建立与验证；

·整机性能仿真分析；

·进排气系统、配气机构优化设计。

2.4 市场主要机型

本文中开发设计阿特金森循环发动机首先需要对市场上常见的阿特金森机型进行调研比较，明确性能参数取值范围，综合考虑成本与发动机性能。

1.丰田公司混动车用直列4缸1.8LESTEC2ZR-FXE汽油机主要技术规格^[4]

表2.1 ESTEC2ZR-FXE发动机参数

丰田公司ESTEC2ZR-FXE发动机采用了许多新型发动机技术技术，改善了燃烧特性、减少爆燃，并对热管理策略进行了优化，优化进排气系统设计，降低摩擦，通过这些细节的优化，实现了在原机型发动机基本结构未改变的情况下各项性能的提升。这款集合了现代发动机技术的新型发动机最高热效率达到了40％，这在世界上是顶尖的水平。

值得借鉴的是，该款发动机对燃烧特性的改善和有效减少爆燃的方法。它采用了EGR技术，优化气门正时、点火系统结构，采用了双通道冷却系统，对缸体缸盖等热集中部位进行了整机热管理策略的优化，通过改善暖机过程来降低摩擦，并且通过提高燃烧室周围的冷却性能等方法减少了爆燃，提升了整机性能。

2.大众公司多款车型搭载发动机技术规格

表2.2 EA888发动机参数

该款发动机作为大众集团旗下中高级车型的主力机型，最大功率可达到了147kW，最大扭矩为320N·m。集中采用了涡轮增压、可变气门正时、EGR等一系列现代发动机较为前沿的设计，拥有非常出众的性能，凭借充足的低速扭矩，优秀的燃油经济性以及无可挑剔的的可靠性，得到消费者的青睐和市场的认可。EA888系列发动机搭载于大众旗下多款车型上，包括如迈腾、帕萨特，奥迪Q5等耳熟能详的品牌。

开发采用进一步创新的发动机方案，这种方案的核心技术是采用短的进气门开启持续时间、提高压缩比，以及加大行程排量的新型燃烧过程。这种被称为正常尺寸的设计的发动机小型化方式在燃油消耗、动态性能等方面都具有突出的优势，并且同时还采取了各种降低摩擦的措施，可使CO₂排放降低约1g/km。在部分负荷、最佳点和全负荷的燃油消耗率，以及与原机型相比的高性能都表明，这种机型不仅非常适用于原机适配的传统的动力总成，而且同时也适合于混合动力车型。对本文的发动机开发设计有较高参考价值。

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