基于燃油经济性的Atkinson循环发动机优化设计研究

[目的]将传统Otto循环发动机改型设计为混合动力Atkinson循环发动机,以提高发动机燃油经济性。[方法]以某Otto循环发动机为原型机,建立发动机GT-power仿真模型,通过提高发动机压缩比,增大进气凸轮工作包角,将原机仿真模型改型为Atkinson循环发动机仿真模型。利用Atkinson循环发动机仿真模型对发动机进气凸轮工作包角、进气门关闭时刻和排气门关闭时刻进行优化分析,确定最佳参数。[结果]Atkinson循环发动机在外特性工况下扭矩有所下降,燃油消耗率最高降低了7.2%;最低燃油消耗率由原型机的244 g/kW·h降至235 g/kW·h,低油耗区域转速范围增大。[结论]试验结果显示,优化后的Atkinson循环发动机燃油经济性得到了改善,满足混合动力汽车对发动机的工作需求,证明了优化设计方法的可行性。

闭式内可逆Atkinson循环最大生态学有效功率性能

建立恒温热源内可逆闭式Atkinson循环模型,以循环的生态学有效功率为目标,对循环性能进行分析和优化,导出生态学有效功率表达式,研究热源温比对循环性能的影响,对比循环在最大生态学有效功率、最大有效功率、最大生态学函数和最大功率条件下的特性。结果表明,生态学有效功率与热效率特性关系为类抛物线形,随着热源温比增大,最大生态学有效功率及其对应的效率增大;生态学有效功率与功率(生态学函数)特性关系为扭叶形。除了最大生态学有效功率点外,对于任一给定生态学有效功率工作点,均对应两个功率(生态学函数)值,实际设计中,应该使热机工作于功率(生态学函数)较大的状态点;生态学有效功率反映出功率与熵产率之间的折衷以及功率与热效率之间的折衷。

传统汽油机改进成混合动力Atkinson循环专用发动机的节油效果

基于传统汽油机的实测数据建立GT-POWER模型;分析改进成Atkinson循环发动机的节油潜力及爆震指数。先选择3种方案并利用GT-POWER模型对部分负荷与万有特性对Atkinson循环进行计算,3种方案分别为:(1)只用可变气阀正时(VVT)技术推迟进气阀关闭时刻;(2)增加凸轮型线包角并用VVT技术推迟进气阀关闭时刻,(3)在第二方案上将压缩比由10增加到12。计算结果表明:方案三节油效果明显,在5个典型工况及全转速范围上中小负荷节油率达7%以上。再分析推迟排气阀开启时刻对实现部分负荷节油基本没有应用价值;传统汽油机改进成Atkinson循环发动机的最佳方案为增加进气凸轮型线包角使进气持续期为350o,用VVT技术推迟进气阀关闭时刻来调节负荷,再将压缩比由10增加到12,而排气凸轮型线及相位不变。

EGR对Atkinson循环汽油机性能的影响

在一台1．6L自然吸气汽油机上，开展了Atkinson循环和外部EGR对发动机燃油经济性与燃烧特性影响的试验．结果表明，与原机奥拓循环相比，Atkinson循环发动机在转速为2000r／min各负荷工况下，有效燃油消耗率降幅达4．3％．10．2％．在负荷为0．2MPa、0．4MPa和0．6MPa时引入外部EGR，可进一步降低有效燃油消耗率．同时随负荷增加，各负荷对应最低油耗的EGR率逐步提高．在采用最佳点火提前角时，外部EGR使Atkinson循环的火焰发展期延长，但是不同EGR率对应的CA50（累计放热率达50％时对应的曲轴转角）的位置变化不大．

Atkinson循环发动机性能改进研究

本文中利用理论计算、结构及参数改进和试验标定相结合的方法,将某自然吸气Otto循环汽油机改为Atkinson循环混合动力发动机。首先通过减少活塞顶部凹坑容积将压缩比从10.5提高到13以克服Atkinson循环中由于进气门晚关所带来的有效压缩比的降低;然后利用AVL Excite Timing Drive软件重新设计了满足Atkinson循环要求的进、排气凸轮型线;最后通过发动机台架试验标定了Atkinson循环发动机万有特性下的过量空气系数、配气相位和点火正时等参数。试验结果表明:在保证动力性满足要求的前提下,改型后Atkinson循环发动机的燃油消耗率在整体上比原Otto循环发动机低得多,尤其在中低转速中大负荷时。另外,改型后Atkinson循环发动机的低油耗区域范围比原Otto循环发动机大得多,且低油耗区向低转速和较小负荷区域移动。改型后的Atkinson循环发动机最低燃油消耗率由原来的250g/(kW·h)降低到234.5g/(kW·h),达到了目标要求。

基于模型的Atkinson循环发动机燃油经济性遗传算法优化

提出了一种基于一维发动机仿真模型的Atkinson循环发动机部分负荷燃油经济性优化方法。利用建立的Atkinson循环发动机部分负荷GT-Power仿真模型计算优化问题的目标函数值和非线性约束值,MATLAB执行遗传算法操作,MATLAB和GT-Power模型通过GT-Power/Simulink接口进行数据交换。遗传算法优化变量为节气门开度、进气门正时、排气门正时、空燃比和点火角,而约束条件为等值扭矩、排气温度、缸内废气比例和爆震强度。4000r/min时七个负荷点的试验结果表明:经遗传算法优化后发动机的燃油经济性明显改善,最多改善4.82%。

Atkinson循环发动机进气系统匹配优化模拟与试验

运用GT-Power建立发动机计算模型,研究气门型线、进气歧管形式对1.5L Atkinson循环发动机经济性和动力性的影响;运用CFD软件AVL-Fire对不同燃烧室形式下的燃烧过程进行模拟研究,并通过台架试验数据进行验证.研究结果表明：最佳进气持续期为240°CA,气门最大升程为8,mm.此时,长度为300mm的侧面进气的进气歧管与改进的燃烧室匹配,在研究转速范围内,最低油耗比原机降低了7.23-8.31g/（k W·h）,且低油耗区范围明显扩大;长度为100mm的中间进气形式歧管的最低油耗比原机降低了6.21-9.19g/（k W·h）,低油耗区范围也有明显扩大;两种形式的进气歧管皆可以满足降低油耗的需求,需根据发动机实际布置情况进行选择.

基于AVL-BOOST的混合动力汽车用Atkinson循环发动机

为了探讨Atkinson循环发动机相关性能,运用现有的理论知识对Atkinson循环进行分析,采用数值模拟的方法在一Otto循环发动机模型上实现了Atkinson循环。结果表明,采用Atkinson循环的发动机相对于Otto循环的发动机具有更高的热效率。

基于Atkinson循环发动机的燃油消耗率优化方法对比研究

针对利用GT-Power详细模型耦合遗传算法(方案1)优化Atkinson循环发动机燃油消耗率时,存在公认的不易收敛且计算缓慢的问题,提出了神经网络简化模型耦合遗传算法(方案2)进行全局优化并与方案1进行比对.方案1利用GT-Power搭建某Atkinson循环发动机详细仿真模型,应用Heywood公式建立爆震预测模型,并耦合遗传算法对Atkinson循环发动机燃油消耗率进行优化;方案2则利用拉丁超立方算法采集4 500个实验点,将GT-Power详细模型及爆震模型简化为神经网络模型,通过简化模型耦合遗传算法进行优化.研究结果表明:利用方案2可以将Atkinson循环发动机的实际燃油消耗率最多降低4.6%,且仿真优化结果相对实际优化结果的最大误差率仅为7.3%,同时相对于方案1仿真优化时间最大可节省322倍.因此,采用方案2替代方案1用于Atkinson循环发动机燃油消耗率的快速全局优化是切实可行的方法.

Atkinson循环发动机人工神经网络模型的研究

用GT-Power软件建立了压缩比为10.6的1.8L的Otto循环发动机仿真模型,并在此基础上建立用于Atkinson循环发动机设计和优化的人工神经网络模型。应用拉丁超立方采样算法进行实验设计,用GT-Power对各实验点进行计算,得到用于神经网络训练和测试的实验数据集。通过MATLAB/GT-Power耦合的自动化平台进行训练和测试数据的采集以及神经网络建模和优选。结果表明,建立的Atkinson循环发动机神经网络模型具有较高的预测精度,可用于Atkinson循环发动机的进一步设计和优化工作。

Atkinson循环发动机燃油经济性与排放性试验

在外特性及汽油机常用工况点下，研究了高压缩比Atkinson循环发动机的燃油经济性与排放特性．研究表明：Atkinson循环发动机在外特性工况下，扭矩降低5％，有效燃油消耗率降低5％～8％左右；在2000r／min，0．2MPa与3000r／rain，0．3MPa常用工况点下，扭矩损失较小，泵气损失分别降低34％与24％，有效燃油消耗率分别降低9．0％与7．5％；负荷越低，泵气损失减少越明显；在排放特性上，NO。排放分别降低了65．0％与31．5％，HC排放增加23．7％与26．0％．

混合动力汽车用Atkinson循环发动机的探讨

Atkinson循环利用进气门晚关而不是节气门来控制负荷,减少了泵气损失和压缩功,可以更大程度地将热能转换为机械能,提高发动机热效率,从而降低燃油消耗;进气门晚关使得实际压缩比降低、缸内燃烧温度降低,有利于改善NOx排放。结合混合动力汽车对小负荷采用电动机驱动、大负荷采用Otto循环,中间负荷采用Atkinson循环,能提高整车的燃油经济性和排放性能。

基于iSIGHT的Atkinson循环汽油机配气正时优化

以4G18发动机为研究对象,通过对配气机构和压缩比的改进,使其满足Atkinson循环要求。运用iSIGHT集成BOOST联合仿真,对进排气正时进行优化,使得整机经济性能得到显著提高,最低油耗仅为227.0 g.(kW.h)-1,大大低于原机。

对流换热对Atkinson循环汽油机能量分配特性的影响

基于GT-Power软件建立某汽油机仿真模型并进行验证,设计新的进气门升程曲线,将原Otto循环模型改进为高压缩比Atkinson循环模型。改变传热模型的对流换热因子,计算分析了2000 r/min、50%负荷、理论空燃比时,对流换热强度对Atkinson循环能量分配特性的影响。结果表明:在常规散热条件下,与Otto循环相比,Atkinson循环散热能量增加3.5%,但因其作功冲程相对较长,排气带走的能量大幅降低,故其指示热效率仍提高了2.9%;对流换热强度越弱,缸内传热速率越小,燃烧等容度更大,因此散热损失的能量越少,指示热效率越高;降低散热后节省的能量转化为指示功或被排气带走,在不同的对流换热强度下,Atkinson循环将节省能量转化为指示功的效率更高,比Otto循环高6%以上;降低对流换热强度有利于优化Atkinson循环的能量分配特性,进一步发挥Atkinson循环节能优势,同时改善动力性,但缸内热负荷有所增大。

Atkinson循环发动机的节能效果与应用分析

Atkinson循环是一种高膨胀比循环。与Otto循环相比,Atkinson循环的膨胀行程更长,更能充分利用发动机气缸内高压气体的能量,因此其热效率更高。本文介绍了Atkinson循环发动机的基本原理,对其节能效果进行了分析,对其应用现状进行了总结。

排气早开角对低散热Atkinson循环汽油机能量分配的影响

基于GT-Power软件建立某增压汽油机仿真模型,并通过试验验证模型的准确性。优化原模型配气机构,设计包角更大的进气凸轮以实现Atkinson循环,设计多组排气凸轮以得到20°~80°范围内的多个排气早开角(θ_(EVO)),改变传热模型实现缸内的低散热条件,模拟分析了1 500 r/min,40%负荷时,θ_(EVO)对低散热前后Atkinson循环增压汽油机能量分配的影响。结果表明:常规散热条件下,该汽油机的燃油经济性在θ_(EVO)为60°~70°范围内时较佳,而低散热条件下,该汽油机的燃油经济性在θ_(EVO)为50°~60°范围内时较佳;降低传热系数后,该汽油机散热损失的能量大幅减少,由此减少的能量在不同θ_(EVO)下转化为指示功的比例不同,θ_(EVO)为55°时转化比例为17.4%,此时指示热效率与原机相比提高了6.58%;而常规散热条件下Atkinson循环增压汽油机的指示热效率只比原机高3.79%,说明结合低散热技术能进一步增强Atkinson循环的节能效果。

Atkinson循环发动机紧凑型燃烧系统研究

基于Atkinson理论循环建立混合动力汽油机的性能仿真模型,确定出合适的压缩比与配气正时。分别采用增加活塞顶面凸起高度（上凸型燃烧室）和减小缸盖上燃烧室高度的方式来满足Atkinson循环汽油机对压缩比的要求。同时为适应紧凑结构减小气门升程、直径（紧凑型燃烧室）。通过三维CFD计算分析,比较了两种燃烧室缸内燃烧及流动特性,发现紧凑型燃烧室能够在火核形成及扩散时期在缸内产生更高的湍动能,有利于加快火焰传播,使燃烧持续期缩短9.8%-24.4%,可显著提高燃油经济性。在混合动力用Atkinson循环发动机开发中使用紧凑型燃烧室,具有重要的应用价值。

高滚流Atkinson循环燃烧系统研究

为进一步提高发动机热效率,提出高滚流Atkinson循环燃烧系统概念。其特征是采用高滚流气道和活塞组合,配合Atkinson循环和废气再循环(EGR)技术,提高缸内的滚流和湍流水平,加快燃烧速度,同时降低汽油机爆震倾向。利用GT-Power和AVL FIRE软件针对某型汽油机进行了一维整机工作过程和三维计算流体动力学(CFD)模拟分析。结果表明:高滚流气道有利于促进缸内滚流运动,滚流比由原机的0.5提高到2.6;配合高滚流活塞后,使进气过程中产生的缸内初始滚流和压缩过程中的滚流维持作用都比原机有所增强,湍动能水平提升6.3%,瞬时放热率与原机相比平均提高15%;在此基础上,采用进气门晚关的方式实现Atkinson循环,并增加EGR系统,降低高压缩比带来的爆震倾向,比油耗在整个万有特性中均呈下降趋势,最低比油耗区明显变大,最低比油耗相比原机下降11.3 g/(kW·h)。

基于神经网络和遗传算法的Atkinson循环发动机几何压缩比优化

提出了基于神经网络和遗传算法进行阿肯金森(Atkinson)循环发动机几何压缩比优化的方法.首先利用几何压缩比为11的奥拓(Otto)循环发动机的试验数据验证了发动机人工神经网络模型的预测准确性,然后联合遗传算法和神经网络模型进行了目标Atkinson循环发动机的几何压缩比优化,约束条件是外特性转矩、爆震强度和排气温度,优化目标是使燃油消耗率最小.结果表明:联合遗传算法和神经网络模型进行发动机设计和性能优化,具有较高的效率和准确性.优化后确定目标Atkinson循环发动机的最佳几何压缩比为12.5,并在此基础上进一步优化发动机的操作参数及其外特性.

Atkinson循环发动机回流过程缸压的计算

Atkinson循环发动机通过进气门晚关控制负荷,回流过程缸内气经历了变质量压缩.本文结合流体力学和热力学知识,对回流进行理论分析,较为精确的推导出了回流时缸内压力变化的微分方程,并对微分方程进行数值求解,通过计算仿真相结合的方法进行比较,结果表明本法具有较好的计算精度.