重型柴油機進氣門早關實驗研究

摘要：設計制造了一種重型柴油機進氣門早關機構，并安裝到一臺排量為12L的柴油機整機上，進行了整機性能實驗。研究結果表明僅僅通過可變氣門機構實現米勒循環時，缸內工質減小，缸內壓力有所下降，但不利于熱效率提升。當米勒循環與米勒強度、進氣增壓度，燃燒控制協同優化后，可以不犧牲燃油消耗率的同時，降低氮氧比排放。

Abstract： An early closing mechanism for the intake valve of a heavy-duty diesel engine was designed and manufactured， and it was installed on a complete diesel engine with a displacement of 12L， and the performance experiment of the whole engine was carried out. The research results show that when the Miller cycle is realized only by the variable valve mechanism， the working fluid in the cylinder is reduced and the pressure in the cylinder is reduced， but it is not conducive to the improvement of thermal efficiency. When the Miller cycle is optimized with Miller intensity， intake pressure， and combustion control， it can reduce the effective fuel consumption rate and reduce the nitrogen-oxygen ratio emissions.

關鍵詞：重型柴油機;進氣門早關;米勒循環

Key words： heavy-duty diesel engine;early intake valve closes;miller cycle

0? 引言

隨著柴油機排放法規升級，柴油機面臨很多挑戰[1-4]，應對這些挑戰一方面是采用尾氣后處理裝置，另一方面是優化發動機燃燒過程，從源頭控制發動機的油耗和排放。

Kazuhiro Akihama根據Kamimoto的研究，優化生成φ-T圖[5]。采用改變燃燒路徑的方式降低缸內NOx排放成為目前很多研究基礎，其中米勒循環凈化技術在柴油機上也得到了很多研究和發展。對于柴油機，降低氮氧化物排放尤為關鍵，目前降低氮氧化物的常用手段是采用進氣節流閥，降低進氣量以達到提高排溫和提高后處理轉化效率的目的[6]，但這種方式最大的問題是導致油耗增加，經濟性變差。

如果柴油機利用可變氣門技術，可以通過改變有效壓縮比和優化進氣量達到優化燃燒路徑的目的，降低NOx排放額同時還能帶來熱管理效果[7]，但可變氣門系統如果匹配不當也會帶來充量系數下降、油耗增加的問題。本文通過對一臺12L柴油機進行臺架試驗，研究可變氣門對發動機缸內燃燒特性及發動機性能和排放的影響規律。

1? 發動機及進氣門早關機構

本試驗采用的發動機參數如表1所示。

開發了一套基于“丟失升程”（lost motion）工作原理的進氣門早關機構（該機構簡稱VVA），該VVA系統的工作原理如圖所示，將原來的推桿替換為一個有液壓活塞的液壓推桿，活塞內可以充滿機油，使活塞頂起來實現較高的氣門型線，也可以將活塞內的機油泄掉使活塞落下，從而實現較低的氣門型線，兩種模式的切換通過電磁閥來精確控制，從而實現了兩種氣門型線的靈活調整。

該VVA系統已經完成了控制系統調試、功能性調試和一致性調試，本次實驗直接拿來進行性能實驗。實驗中氣門關閉時刻有兩種，一種是原機正常氣門關閉時刻，一種提前了40°CA的氣門關閉時刻，于是發動機可以實現兩種運行模式，采用原氣門關閉時刻的實驗循環稱為正常循環（Normal循環），進氣門早關的循環是典型的米勒循環（miller循環）。

2? 性能試驗結果分析

本文選取了一個典型工況點（1600rpm，1000Nm），并對其控制參數進行優化，以研究進氣門早關系統在不同控制參數對于燃燒和排放及油耗的影響規律。

控制參數1如表2所示，其他控制參數相同，僅控制VVA系統的開和關。發動機相應的性能結果參數見表3，對比兩個工況的性能參數，發現開啟VVA后，進氣量降低了90kg/h，約為9%。相應的渦輪后排溫增加了36℃，BSFC升高了2g/kWh，415煙度增加了0.1FSN，NOx減少了1.2g/kWh，CO排放增加。

雖然進氣門早關實現了米勒循環，但熱效率并沒有提高，本文又進一步分析燃燒數據，如圖3所示。由于缸內沖量的降低和壓縮終了缸內溫度的降低，導致缸內爆壓降低3（a），壓力升高率在速燃期的峰值剛高3（b），是因為速燃期的瞬時放熱速率有所提升所致3（c）。但根據表3的性能數據可知，發動機的燃燒重心CA50向后推遲了0.4°CA，缸內燃氣做功相位推遲，會導致熱效率下降。另外，CO排放增加，說明VVA導致缸內燃料燃燒不夠充分，燃燒效率的降低也會導致油耗增加。

所以單純利用可變氣門系統實現米勒循環，可降低NOx排放，排溫也可提高，但不做其他的硬件調整和參數優化，可能會導致熱效率下降。

控制參數2如表4所示，其他控制參數相同，調整了VGT增壓器開度和控制VVA系統的開和關。發動機相應的性能結果參數見表5，對比兩個工況的性能參數，發現開啟VVA后進氣量和不開啟VVA時一致，相應的渦輪后排溫也基本一致，此時BSFC也相同，415煙度增加了0.025FSN，NOx減少了0.035g/kWh，HC排放有增加。

通過調整VGT增壓器開度后，可以發現普通循環和米勒循環缸壓、壓升率和放熱率一致，如圖4所示，而通過VGT補償缸內進氣的方式，可以使更多的缸內進氣得到中冷冷卻，這也使得燃燒開始階段缸內溫度更低，而對比兩個工況的性能參數，在優化進氣的條件下，采用米勒循環獲得了和普通循環一致的燃油消耗率，并明顯降低了NOx排放。

3? 結論

設計制造了一種重型柴油機進氣門早關機構，并安裝到一臺排量為12L的柴油機整機上，進行了整機性能實驗。

研究結果表明僅僅通過可變氣門機構實現米勒循環時，可降低NOx排放，排溫也可提高，但不做其他的硬件調整和參數優化，可能會導致熱效率下降。

當米勒循環與米勒強度、進氣增壓度，燃燒控制協同優化后，可以不犧牲燃油消耗率的前提下降低氮氧比排放。

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