1.前言

汽油機部分負荷的油耗很大程度上影響了整車循環工況下（如NEDC）的綜合油耗。因此，提高其部分負荷熱效率一直是汽油機燃燒開發的重點任務。而制約部分負荷熱效率提高的其中一個重要因素就是泵氣損失。米勒循環一般是指通過降低氣門升程和氣門包角，將進氣門關閉時間提前到進氣下至點之前，從而降低發動機有效排量，達到降低泵氣損失的目的。已經量產的米勒循環發動機包括兩段式米勒循環和連續式米勒循環。如奧迪的AVS（Audi Valvelift System）系統即典型的具有兩種氣門升程曲線的兩段式系統［1］。在部分負荷工況，使用小氣門升程（同時也是小氣門包角），使得進氣門關閉時刻提前到進氣下至點之前，實現米勒循環。而在大負荷工況，為了保證扭矩輸出，使用傳統的大氣門升程（同時也是大氣門包角）。連續式米勒循環如寶馬的Valvetronic［2］，日產的VVEL （Variable Valve Event and Lift system）［3］，以及菲亞特裝配的MultiAir系統［4］。這些連續式米勒循環系統的共同特點是氣門升程可以連續可變，從而實現不同程度的米勒循環。以寶馬的Valvetronic系統為例，其在部分負荷的平均節油潛力達到了10%［2］。

但需要指出的是，上述的米勒循環都會降低發動機缸內氣流運動的強度（本文以滾流為例），這不僅會影響缸內油氣混合，也會降低燃燒速度。而燃燒速度的降低對油耗改善是不利的。因此，為了充分發揮米勒循環的節油潛力，就需要想辦法提高缸內滾流比，避免低的滾流比對油耗的不利影響。

在討論如何提高缸內滾流之前，需要先定義汽油機缸內的兩種滾流，即反向滾流和正向滾流。如圖1所示的缸內氣流運動速度場。從進氣側往排氣側，氣流繞著垂直于氣缸軸線方向逆時針運動，稱為反向滾流。相反，氣流繞垂直于氣缸軸線的順時針方向運動，則稱為正向滾流。

圖1 汽油機缸內氣流運動的速度場分布圖

增強缸內滾流，首先需要從進氣道的設計入手，包括尺寸及方向，而本文主要討論增強滾流的另一種方法，即位于進氣道的進氣門遮蔽罩。進氣門遮蔽罩的作用簡單的說就是：“堵”。具體來說，把進氣門靠近排氣的一側適當“堵”一些（并非完全堵住），那么靠近進氣側缸壁的氣流運動速度就會加強， 即反向滾流增強。反之，把靠近進氣側缸壁的一側適當“堵”一些，那靠近排氣一側的氣流速度就加強，即正向滾流增強。遮蔽罩的位置，可以在氣門背面，也可以在進氣道上，產品發動機常見的是位于進氣道上。以下詳述兩種位于進氣道上的進氣門遮蔽罩。

2.利用進氣門遮蔽罩增強滾流

2.1 利用進氣門遮蔽罩增強反向滾流

圖2是在Fiat 1.4L渦輪增壓進氣道噴射汽油機上通過MultiAir系統實現米勒循環的進氣門升程曲線。為了解決米勒循環帶來的缸內滾輪比下降的問題，圖3為在缸蓋上靠近排氣一側設計的進氣門遮蔽罩。如圖3 （a），在進氣道靠近排氣側設計了一個紅色所示的遮蔽罩，那么在小負荷使用米勒循環策略（小氣門升程）時，氣流會因為受到阻力而轉向靠近缸壁的進氣側，那么這一側的氣流運動，即反向滾流就得到加強。為了進一步定量研究進氣門遮蔽罩對滾流的影響，圖4為實驗測得的無進氣門遮蔽罩和有進氣門遮蔽罩情況下的滾流比。其中，將測出的各個升程下的滾流比除以氣門最大升程時的滾流比，即得到圖中縱軸所示的當量化的滾流比。該值為正即為正向滾流，為負則為負向滾流，且絕對值越大，表示滾流強度越大。從圖中可以看出，在進氣門升程小于4 mm時，進氣門遮蔽罩明顯增加了反向滾流的強度。而在大升程時，缸內氣流運動以正向滾流為主，此時的遮蔽罩由于阻礙了靠近排氣一側的氣流運動，從而減弱了正向滾流的強度。綜上所述，進氣門遮蔽罩有效地增加了小負荷下米勒循環（通過小升程實現）的滾流強度，有助于充分挖掘米勒循環的節油潛力。同時，對于大負荷（使用大升程）下進氣門遮蔽罩減弱滾流強度的情況，則需要考慮其對最大扭矩的影響，特別是對于自然吸氣發動機。

圖2 利用連續可變進氣門升程曲線實現不同程度的米勒循環［5］

圖3 （a） 米勒循環時（小氣門升程）利用進氣門遮蔽罩增加反向滾流［5］ （b） 位于進氣道的進氣門遮蔽罩的三維設計圖［5］ （c） 位于進氣道的進氣門遮蔽罩實物圖［5］

圖4 無進氣門遮蔽罩和有進氣門遮蔽罩條件下的滾流對比［5］

2.2 利用進氣門遮蔽罩增強正向滾流

圖5為MAHLE在一自然吸氣單缸汽油機（配有進氣道噴射和缸內直噴燃油系統）上匹配了可變進氣門升程機構后的氣門升程曲線［6］。和上述的MultiAir系統類似，也通過小進氣門升程實現米勒循環。為了提高小氣門升程時米勒循環的缸內氣流運動，設計了如圖6所示的環繞進氣道180?的進氣門遮蔽罩［6］。和上述增強反向滾流的遮蔽罩位置相反，圖6的遮蔽罩位于靠近進氣側缸壁的一側。因此，加強的是正向滾流。如圖7所示［6］，增加進氣門遮蔽罩的高度可以明顯增加滾流，但同時也導致流量系數下降，如圖8所示［6］。流量系數的下降會犧牲最大扭矩，特別是對于自然吸氣發動機。綜合來看，2.2mm的遮蔽罩高度是兼顧了滾流和流量系數，是比較好的方案。

圖5 利用連續可變進氣門升程曲線實現不同程度的米勒循環［6］

圖6 位于進氣道的進氣門遮蔽罩實物圖（右側進氣道的斜線示意了遮蔽罩的區域） ［6］

圖7 進氣門遮蔽罩高度對滾流比的影響［6］

圖8 進氣門遮蔽罩高度對流量系數的影響［6］

3.總結

米勒循環由于其在改善汽油機部分負荷油耗方面的潛力而受到了越來越多的重視，但同時也會導致缸內氣流運動強度的下降，這對油耗改善是不利的。因此，為了充分挖掘米勒循環的節油潛力，需要增加缸內的氣流運動強度。位于進氣道的進氣門遮蔽罩即是一種有效提高缸內氣流運動強度的方法。本文介紹了兩種提高缸內反向滾流和正向滾流的遮蔽罩方法，并用實測數據證明了其有效性。同時需要指出的是，進氣門遮蔽罩也會導致充氣效率的下降，因此，需要在增強滾流和充氣效率下降之間做優化，并仔細評估其對發動機最大扭矩的影響。