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在传统燃油汽车和新能源汽车并行发展的新时期,不断提高车用发动机的热效率、优化整机工作性能是十分重要和迫切的研究课题。传统奥托(Otto)循环汽油机热效率较低,能量分配不理想,散热能量和排气能量占总能量的2/3左右。为了优化汽油机能量分配特性,本文将原机Otto循环改进为膨胀冲程相对较长的阿特金森(Atkinson)循环,同时结合缸内低散热技术,以降低散热能量损失和排气能量损失、提高指示热效率。结合仿真、试验、理论分析,在2000r/min、理论当量比燃烧工况下,揭示了不同负荷下低散热Atkinson循环汽油机的进气特性、燃烧放热特性;探究了指示功、散热能量、排气能量在不同工作循环、不同缸内散热条件、不同负荷时的分配特点;并研究了排气早开角和废气再循环率(EGR率)对低散热Atkinson循环汽油机工作性能的影响规律。主要研究内容和结论如下:(1)首先根据原机的结构参数和试验数据建立、耦合、标定了某1.6L汽油机的一维和三维仿真模型,并在验证完成后对原机模型进行改进:取消节气门,设计得进气晚关角为90°CA、120°CA、140°CA的三组进气门升程曲线以匹配80%、49%、27%负荷工况,实现Atkinson循环;通过降低活塞顶隙将原机几何压缩比由10提高至13;以1mm氧化钇稳定氧化锆隔热层的热物理性质为基础,改进传热模型,实现缸内的低散热条件。由此得到改进后的低散热Atkinson循环汽油机仿真模型。(2)三种负荷工况下,低散热Atkinson循环的最佳点火提前角都大于正常散热Atkinson循环,但小于原Otto循环;与原Otto循环相比,进气开始时较高的缸温以及较大的进气晚关角使得低散热Atkinson循环进气歧管内混合气的压力、温度都较高,每循环进气质量较少;高压缩比Atkinson循环的燃烧放热速率快于Otto循环,缸内对流换热强度在燃烧过程中较强、燃烧结束后较弱,而低散热Atkinson循环进一步缩短了燃烧持续期,且对流换热强度在整个膨胀冲程都保持较弱水平。(3)与Otto循环相比,Atkinson循环作功冲程相对较长、泵气损失较少,故排气能量较少、指示热效率较大,小负荷时Atkinson循环指示热效率提升效果更明显;低散热Atkinson循环大幅度降低了缸内散热损失,不同负荷下的散热能量比原机下降了10%左右,而这部分因低散热而节省的能量70%以上可用于推动活塞作功,使指示热效率在高、中、低负荷工况下分别比原机提高了7%、8.1%、8.6%。虽然低散热Otto循环也能大幅度减少散热损失,但其有效膨胀冲程与有效压缩冲程长度相差不大,故仅有30%左右的节省能量可转化为指示功。(4)排气门开启过早或过晚都会使排气损失较多,故本文通过优化设计排气门升程曲线,探究了排气早开角在20-60°CA的范围内时低散热Atkinson循环汽油机的能量分配特性:随着排气早开角的增大,缸内高温气体更早流向排气歧管,使得缸内温度快速下降、缸内对流换热强减弱,故散热能量比例逐渐减小;较大的排气早开角导致膨胀损失较多,较小的排气早开角导致泵气损失较多,故排气能量比例随排气早开角的增大先降低、后增大;适当增大排气早开角,可同时减少散热能量和排气能量,当排气早开角为40°CA时低散热Atkinson循环汽油机的指示热效率达到最大。小负荷时可燃混合气较少,工质作功能力有限,故排气早开角对能量分配特性影响不大,且低散热节省能量转化为指示功的比例也小于中高负荷时。(5)适当地引入EGR可有效减小低散热Atkinson循环汽油机的缸内热负荷,但EGR率过大时又会导致发动机动力性下降。故本文在保证汽油机不同工况下的有效转矩不低于原机的前提下,探究了EGR率为0-10%时低散热Atkinson循环汽油机的工作性能:随着EGR率的增大,最大缸温值逐渐减小,缸内燃烧放热速率减缓,对流换热强度减弱,因此散热能量比例逐渐减少;中高负荷时排气能量比例随EGR率变化不大,指示热效率随EGR率的增大有所增大,但小负荷时引入EGR使燃烧性能恶化,排气能量比例随EGR率的增大而增大,指示热效率在EGR率较大时有所下降。(6)当EGR率为10%时,低散热Atkinson循环汽油机在不同负荷下的有效转矩都已低于原Otto循环汽油机。因此,选择EGR率为7.5%、排气早开角为40°CA的优化工况时,既可有效降低缸内热负荷,又能使低散热Atkinson循环兼具良好和动力性和燃油经济性,有效燃油消耗率在大、中、小负荷时分别能降低16%、19.4%、21.5%,指示热效率分别能达到44%、43%、39.7%。