深度米勒循环背后的技术和算法

深度米勒循环是一种通过优化气门控制和燃烧过程提升热效率的发动机技术，其核心技术与算法可总结如下：

一、核心技术原理

1.过膨胀循环机制

米勒循环通过提前关闭进气门（在进气冲程未结束时关闭），使实际压缩比小于膨胀比，从而延长膨胀做功行程，提高热效率。深度米勒循环进一步扩大气门关闭时刻的控制范围，通过电动可变气门正时（VVT）或连续可变气门升程（CVVL）技术，实现更早的进气门关闭，降低泵气损失并减少进气量。

2.全工况应用

与普通米勒循环仅在部分工况使用不同，深度米勒循环要求全工况下均采用米勒循环，而非切换至奥托循环。这需通过精确的气门正时算法和硬件支持（如中置式VVT、可变截面涡轮增压）实现。

3.高压缩比与增压技术结合

通过涡轮增压（如VGT可变几何涡轮）弥补进气量减少导致的动力损失，同时实现超高压缩比（如15:1至16:1），进一步提升热效率至40%以上。奇瑞的混动专用发动机即通过16:1压缩比与深度米勒循环结合，热效率超过44%。

4.热管理与材料优化

由于米勒循环可能导致局部高温（如活塞顶部积温），需采用缸内冷却喷头、优化缸盖冷却流道，以及等离子涂层缸体等技术改善散热。

二、关键算法与控制策略

1.气门正时动态优化

• 通过电动VVT或CVVL实时调整进气门关闭相位，结合转速、负荷等参数动态匹配最优气门升程和持续时间。
• 例如，大众EA211 EVO2采用中置式VVT机构，通过算法在低转速时更早关闭进气门以提升效率，高转速时延迟关闭以平衡动力。

2.燃烧过程控制

• 实验表明，深度米勒循环需结合点火时机调整抑制爆震。通过提前点火角（如CA50控制到8°CA）优化燃烧相位，提升制动热效率。
• 低压废气再循环（EGR）与高压直喷（350Bar）技术协同，改善燃烧稳定性并降低排放。

3.涡轮增压协同控制

• 可变截面涡轮（VGT）根据工况调整增压压力，配合米勒循环实现全负荷节气门全开，减少泵气损失。
• 实验数据显示，在3000转/分钟工况下，进气提前角30°CA配合涡轮增压优化，可使制动油耗（BSFC）接近理论最优值。

三、实际应用与效果

• 热效率突破：长安1.5TGDI机型通过深度米勒循环实现40%热效率；吉利雷神智擎Hi·X的1.5TD混动发动机热效率达43.32%。
• 性能平衡：赛力斯增程器结合深度米勒循环与涡轮增压，实现41%热效率的同时，CLTC续航达1201公里。
• 排放优化：米勒循环通过降低压缩端温度减少NOx生成，配合EGR技术可减少排放约27%。

四、技术挑战与趋势

• 低转速扭矩不足：需通过混动系统电机补偿低速扭矩。
• 控制复杂度：全工况米勒循环对ECU算法要求极高，需结合AI预测模型优化动态响应。
• 材料与成本：等离子涂层、电动VVT等硬件成本较高，制约普及。

深度米勒循环代表了燃油发动机在电动化转型中的极致优化路径，其核心在于通过算法与硬件的深度协同，实现热效率与动力性能的平衡，为混动技术提供了关键支撑。

♯ 深度米勒循环中电动VVT和CVVL技术的具体工作原理及其对热效率提升的影响是什么？

深度米勒循环中电动VVT和CVVL技术的具体工作原理及其对热效率提升的影响如下：

电动VVT技术的工作原理及其对热效率的影响

电动VVT（Variable Valve Timing）技术通过电动机控制气门的开启和关闭时间，实现对进气门和排气门的精确调节。具体来说，电动VVT技术可以突破传统的起动相位限制，实现更广泛的调节范围。这种技术通过电动机直接驱动气门正时机构，从而实现对气门开启时刻的精确控制。这种精确控制使得发动机能够在不同的工况下优化进气和排气过程，减少泵气损失，提高燃烧效率。

在深度米勒循环中，电动VVT技术的应用使得进气门可以在更晚的时刻关闭，从而延长膨胀行程，提高膨胀比。这种延长膨胀行程的设计可以显著提高发动机的热效率。例如，比亚迪骁云1.5L发动机通过电动VVT技术实现了进气门晚关的效果，达到了类似米勒循环的工作模式，从而降低了油耗并提升了效率。

CVVL技术的工作原理及其对热效率的影响

CVVL（Continuously Variable Valve Lift）技术通过控制轴集成式设计和无刷直流电机驱动，实现气门升程的连续可调。与传统的VVT技术相比，CVVL技术不仅调节气门的开启时刻，还调节气门的升程高度。这种连续可调的设计使得CVVL技术在调节范围和广度上远大于VVT技术，能够更灵活地应对不同的工况需求。

在深度米勒循环中，CVVL技术通过进一步提前进气门关闭时刻，实现更彻底的气门关闭时刻控制。这种控制不仅减少了泵气损失，还提高了膨胀比，从而进一步提升了热效率。例如，长城汽车的4N20发动机采用了CVVL技术，在低中负荷条件下实现了米勒循环，显著降低了油耗。

对热效率提升的具体影响

1. 减少泵气损失：通过精确控制气门的开启和关闭时间，电动VVT和CVVL技术可以有效减少泵气损失。例如，比亚迪骁云1.5L发动机通过电动VVT技术实现了进气门晚关的效果，减少了泵气损失，提高了燃烧效率。
2. 提高膨胀比：深度米勒循环通过电动VVT和CVVL技术实现了更晚的进气门关闭时刻和更彻底的气门关闭时刻控制，从而延长了膨胀行程，提高了膨胀比。这种设计可以显著提高发动机的热效率。例如，长城汽车的4N20发动机通过CVVL技术实现了米勒循环，在低中负荷条件下显著降低了油耗。
3. 优化燃烧过程：通过精确控制气门的开启和关闭时间，电动VVT和CVVL技术可以优化燃烧过程，提高燃烧效率。例如，比亚迪骁云1.5L发动机通过电动VVT技术实现了类似米勒循环的工作模式，从而降低了油耗并提升了效率。

综上所述，电动VVT和CVVL技术在深度米勒循环中的应用通过精确控制气门的开启和关闭时间，减少泵气损失，提高膨胀比，优化燃烧过程，从而显著提升了发动机的热效率。

♯ 如何通过算法优化深度米勒循环中的气门正时和点火时机，以实现最佳燃烧效率和动力性能？

通过算法优化深度米勒循环中的气门正时和点火时机，以实现最佳燃烧效率和动力性能，可以从以下几个方面进行详细探讨：

1.气门正时的优化：

• 深度米勒循环的核心在于进气门关闭时刻的提前，这有助于实现更高的膨胀比和压缩比，从而提高热效率。然而，进气门关闭时刻的提前需要与可变气门正时系统（VVT）紧密配合，以确保在不同工况下都能实现最佳的燃烧效果。
• 根据研究，当进气提前角为25°CA时，在3000转/分钟、10巴压力和8°CA的进气延迟角下，可以达到最佳的燃烧效果。此外，进气提前角的变化对最佳点火时刻（CA50）有显著影响，当进气提前角大于8°CA时，最佳点火时刻会相应提前。
• 在实际应用中，可以通过优化VVT系统，调整进气门关闭时刻，以适应不同的发动机负荷和转速。例如，在高负荷条件下，可以适当延迟进气门关闭时刻，以减少过膨胀现象，提高燃烧效率。

2.点火时机的优化：

• 深度米勒循环中的点火时机需要根据进气提前角和压缩比的变化进行调整。研究表明，随着深度米勒循环的加深，点火延迟期逐渐增加，这会延缓燃烧起始阶段，导致最大缸压下降。
• 在低负荷条件下，点火时机可以适当提前，以减少敲击倾向并提高燃烧效率。例如，在3000转/分钟、10巴压力和8°CA的进气延迟角下，提前点火时机可以有效抑制敲击倾向。
• 在高负荷条件下，点火时机需要适当延迟，以避免过度压缩导致的燃烧不稳定。例如，在3000转/分钟、10巴压力和25°CA的进气提前角下，最佳点火时刻为27.75°CA。

3.综合优化策略：

• 通过建立1D CFD模型，可以模拟不同工况下的进气和排气气门正时变化对燃烧过程的影响。研究表明，随着深度米勒循环效果的加深，发动机的敲击倾向减少，可以进一步提前点火时机。
• 在实际应用中，可以通过电子控制单元（ECU）实时调整气门正时和点火时机。现代汽车普遍采用电子点火系统，利用微处理器根据实时数据计算出最佳点火时机。
• 优化后的气门正时可以显著提高热效率。例如，在2500 r/min负荷中时，优化后的气门正时将有效热效率（BTE）从38.8%提高到40.7%。

4.实验验证与调整：

• 通过实验验证不同工况下的气门正时和点火时机对燃烧效率和动力性能的影响。例如，在增压直接喷射（DI）汽油发动机中，通过测试优化基准的可变气门正时（VVT），可以进一步提高制动热效率。
• 在实际应用中，需要不断调整和优化气门正时和点火时机，以适应不同的发动机负荷和转速。例如，在增程器应用中，深度米勒循环技术已经能够将压缩比做到15:1甚至更高，但需要对VVT系统进行精确调节。

通过算法优化深度米勒循环中的气门正时和点火时机，可以显著提高燃烧效率和动力性能。

♯ 深度米勒循环在不同工况下的应用策略和技术挑战有哪些？

深度米勒循环在不同工况下的应用策略和技术挑战主要体现在以下几个方面：

应用策略

1.增程式电动车中的应用：

• 岚图FREE采用1.5T深度米勒循环增程器，通过功率跟随的增程最优工况控制策略，实现全域运行在高效区（线性跟随）。这种策略使得车辆在不同工况下都能保持较高的燃油经济性和动力性能。
• 在日常使用中，利用双VVT技术，采用深度米勒循环，提高了实际热效率。这种策略不仅提升了燃油经济性，还优化了发动机的响应速度和动力输出。

2.传统内燃机中的应用：

• 大众EA211 EVO 2.0T发动机通过改进的深度米勒循环，提前打开进气门并延后关闭，增加燃烧效率，降低油耗。这种策略使得发动机在全工况大功率输出状态下，燃烧更加充分，提高了燃油经济性。
• 在奇瑞鲲鹏DHT混动技术中，通过双可变气门正时控制系统实现深度米勒循环，发动机达到16:1的超高压缩比，进一步提升了热效率。

3.高性能发动机中的应用：

• 深度米勒循环在高性能发动机中通过优化进气和燃烧过程，减少泵气损失，提高膨胀比，从而实现更高的热效率和动力输出。

技术挑战

1.进气系统的优化：

• 深度米勒循环要求进气系统能够适应更早的进气门关闭时刻和更晚的进气门关闭时刻。这需要对进气导管、气道等进行优化设计，以确保空气流动的高效性和均匀性。

2.燃烧室设计：

• 深度米勒循环对燃烧室的设计提出了更高的要求。例如，大众EA211 EVO 2.0T发动机通过优化活塞顶部形状和喷油时机，确保燃烧效果更好，降低油耗。

3.涡轮增压器的匹配：

• 深度米勒循环对涡轮增压器的要求更高，需要匹配可变截面涡轮增压器（VGT），以应对米勒循环的庞大进气需求。这种技术的应用不仅提高了热效率，还优化了发动机的动力输出。

4.ECU控制策略：

• 深度米勒循环对ECU的控制策略提出了更高的要求。需要精确控制进气门的开启和关闭时刻，以及喷油时机，以确保燃烧过程的高效性和稳定性。

5.排放控制：

• 深度米勒循环可能会带来额外的排放挑战。例如，如果进气系统的优化不当，可能会导致混合气比例失衡，从而影响排放性能。

6.成本和制造难度：

• 深度米勒循环的技术实现需要更高的制造精度和成本投入。例如，可变截面涡轮增压器和先进的进气系统设计都需要较高的制造成本。

♯ 高压缩比和涡轮增压技术在深度米勒循环中的协同作用机制是什么？

高压缩比和涡轮增压技术在深度米勒循环中的协同作用机制主要体现在以下几个方面：

1.提高热效率：

深度米勒循环通过改变进气门的关闭时间，使发动机在进气阶段的进气量减少，从而实现实际压缩比小于物理压缩比。这种设计不仅提高了燃烧效率，还显著提升了热效率。例如，深度米勒循环优化后的发动机在3000转/分钟和10 bar压力下的内燃机体积效率接近80.5%。此外，高压缩比进一步提升了燃烧效率，因为更高的压缩比意味着更大的动能利用率。

2.降低泵气损失：

深度米勒循环通过减小节气门在负荷调节过程中的作用占比，提高了进气压力并降低了泵气损失。高压缩比的设计使得膨胀比大于压缩比，从而减少了泵气损失，进一步提高了发动机的整体效率。

3.优化燃烧过程：

深度米勒循环通过控制进气过程的结束时刻，使膨胀比大于压缩比，从而利用废气能量进行做功，减少了燃料消耗。高压缩比的设计使得燃烧过程更加充分，提高了燃烧效率和动力输出。

4.涡轮增压的协同作用：

涡轮增压技术在深度米勒循环中起到了关键作用。涡轮增压器通过提高进气压力，使得发动机能够在较低的转速下实现更高的进气量，从而提高燃烧效率和动力输出。同时，涡轮增压器还可以通过调节混合气的比例，进一步优化燃烧过程。

5.减少排放：

深度米勒循环结合高压缩比和涡轮增压技术，可以有效减少氮氧化物（NOx）的排放。例如，问界M9增程式发动机采用深度米勒循环燃烧系统，通过EGR废气再循环系统抑制爆震倾向，降低泵气损失，提高热效率，同时减少NOx排放。

6.提升动力输出：

高压缩比和涡轮增压技术的结合使得发动机在提升动力的同时，还能保持较高的热效率。例如，问界M9增程式发动机采用15:1的高压缩比和涡轮增压技术，实现了112kW的功率输出。这种设计不仅提升了动力性能，还降低了燃油消耗和排放。

高压缩比和涡轮增压技术在深度米勒循环中的协同作用机制主要通过提高热效率、降低泵气损失、优化燃烧过程、减少排放和提升动力输出等方面实现。

♯ 深度米勒循环技术的成本效益分析：其硬件成本与燃油经济性提升之间的平衡点在哪里？

深度米勒循环技术的成本效益分析主要集中在硬件成本与燃油经济性提升之间的平衡点。以下是详细的分析：

1.硬件成本

深度米勒循环技术的实现需要对发动机进行一系列的改进，包括但不限于以下方面：

• 高压直喷系统：如奇瑞星纪元ET 2025款增程版四驱Max车型配备了350Bar高压直喷系统，以提升燃油雾化效果和燃烧效率。
• 可变截面涡轮增压（VGT）：BJ30车型采用了VGT技术，使发动机响应时间缩短45%，进一步优化了燃油经济性。
• 轻量化设计：BJ30车型通过轻量化车身设计（轻量化系数≥2.7kg/m³）减轻自重，从而节省燃油消耗。
• 高压缩比发动机：如BJ30车型的发动机气缸达到了13.25超高压缩比，进一步提升了燃油经济性。

这些技术的引入不仅增加了发动机的复杂性，还可能带来额外的制造和维护成本。例如，高压直喷系统和VGT技术需要更高的制造精度和更复杂的控制系统，这可能会增加生产成本。

2.燃油经济性提升

深度米勒循环技术通过优化燃烧过程，显著提升了燃油经济性。具体表现如下：

• 燃油消耗降低：奇瑞星纪元ET 2025款增程版四驱Max车型的WLTC馈电油耗低至5.9L/100km。BJ30车型在高速实测中油耗仅为4.89L/100km。
• 热效率提升：BJ30车型的发动机热效率提升至41%，而奇瑞星纪元ET 2025款增程版四驱Max车型的热效率为44.5%。
• 动力性能：尽管采用了高压缩比和深度米勒循环技术，BJ30车型的动力表现不输3.0T传统燃油车，最大功率301kW，最大扭矩650N·m，零到百公里加速仅需5秒。

3.成本与效益的平衡点

为了找到成本与效益的平衡点，需要综合考虑以下因素：

• 技术成熟度：深度米勒循环技术虽然能显著提升燃油经济性，但其应用范围和技术成熟度仍需进一步验证。例如，米勒循环在柴油发动机中的燃油经济性影响较小，保持了基准发动机的BSFC。
• 系统级有效性：米勒循环与其他发动机技术（如电气进气凸轮相位、可变膨胀提升控制、冷却EGR等）的结合可以进一步优化性能和效率。
• 市场接受度：消费者对高燃油经济性和低排放的需求推动了深度米勒循环技术的应用。例如，上汽通用的插混系统通过深度米勒高效燃烧系统提升了11%的燃油经济性。

4.结论

深度米勒循环技术在硬件成本和燃油经济性提升之间存在一个平衡点。虽然其硬件成本较高，但通过优化燃烧过程和提升热效率，能够显著降低燃油消耗并提高动力性能。在市场接受度和技术成熟度的支持下，深度米勒循环技术有望在未来成为主流的节能技术。

综上所述，深度米勒循环技术的成本效益分析需要综合考虑硬件成本、燃油经济性提升以及市场接受度等因素。