高原環(huán)境下米勒循環(huán)對柴油機燃燒效率和排放的影響

［摘 要］在高原地區(qū)，由于空氣稀薄和極端天氣的影響，導致內(nèi)燃機的性能受到了影響，其中燃燒效率和排放問題更加突出。近年來，隨著排放法規(guī)的嚴格要求及柴油機動力性能的影響，米勒循環(huán)逐漸引發(fā)工業(yè)界和學術(shù)界的廣泛關(guān)注。文章針對高原環(huán)境下柴油機運用米勒循環(huán)的實際效果進行了深入探討，通過對比高海拔地區(qū)（3 000～5 000 m）和低海拔地區(qū)（0～2 000 m）下柴油機的運行數(shù)據(jù)可知，米勒循環(huán)在高海拔地區(qū)能有效改善柴油機的燃油經(jīng)濟性，同時可以顯著降低NOx 等有害排放物的生成，對于高原地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

［關(guān)鍵詞］高原環(huán)境；米勒循環(huán)；柴油機；燃燒效率；排放

［中圖分類號］TK401 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0141–03

我國國土面積較大，地理環(huán)境復雜，海拔高度超過2 000 m 的高原地區(qū)占全部國土面積的1/3，高海拔地區(qū)具有氣壓低、空氣稀薄等特點，導致汽油發(fā)動機燃燒惡劣，不適合其發(fā)展。柴油機作為全球廣泛采用的動力源，具有較高的熱效率和扭矩特性，能夠更好地適應高原地區(qū)低溫、低壓、低氧環(huán)境，因此，柴油機在我國高原地區(qū)得到了廣泛應用。為了應對環(huán)境污染和法律法規(guī)的問題，在這種背景下，如何改善高原柴油機的性能，成為了亟需解決的問題。米勒循環(huán)作為一種先進的燃燒技術(shù)，通過改變進氣過程來優(yōu)化燃燒效率和控制排放，已被證明在平原地區(qū)具有顯著效果。但米勒循環(huán)在高原環(huán)境下的應用效果及潛力尚未得到充分的研究和驗證，文章對此展開研究。

1 高原環(huán)境對柴油機的影響

1.1 氣壓和溫度變化對燃燒過程的影響

在高原地區(qū)，由于海拔的升高，氣壓顯著降低。空氣密度減小，氧氣含量降低，導致進入發(fā)動機氣缸的空氣量減少，從而影響燃油的燃燒效率。燃油在氣缸中不能充分燃燒，這直接導致發(fā)動機的輸出功率下降。此外，低氣壓還會使燃油蒸發(fā)速度變慢，進一步影響燃燒過程。

同時，高原地區(qū)的氣溫變化較大。溫度的變化對柴油機的潤滑系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等都會產(chǎn)生不利的影響。在寒冷條件下，潤滑油變稠，增加了發(fā)動機啟動和運行的阻力；而在高溫條件下，過熱可能導致機油氧化，降低潤滑效果。

1.2 高原環(huán)境對燃油經(jīng)濟性和排放的影響

高原環(huán)境對柴油機燃油經(jīng)濟性有顯著影響，如空氣稀薄導致需更多燃油維持相同的輸出功率，增加了燃油消耗。而不完全燃燒會產(chǎn)生更多的碳煙和未燃燒烴類物質(zhì)，降低燃油經(jīng)濟性并加劇環(huán)境污染。高原地區(qū)特有的環(huán)境條件還加劇了排放問題，增加了NOx、HC 和PM 等有害物質(zhì)的排放，既污染環(huán)境又影響人類健康。

1.3 高原環(huán)境對柴油機性能的影響

高原環(huán)境使得柴油機性能下降，需采取相應的策略解決該問題，具體而言：①改進進氣系統(tǒng)。如安裝渦輪增壓器，增加進氣量，改善燃燒效率。②優(yōu)化燃油噴射系統(tǒng)。如采用高精度噴油嘴，提升燃油霧化效果，促進充分燃燒。③運用先進排放控制技術(shù)。如顆粒捕捉器（DPF）和選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)，可減少有害物質(zhì)排放。

2 米勒循環(huán)在柴油機中的應用

2.1 米勒循環(huán)的工作原理

米勒循環(huán)通過提前關(guān)閉或延后關(guān)閉進氣閥，改變了氣缸內(nèi)部的壓縮比。在提前關(guān)閉進氣閥的情況下，氣缸內(nèi)部的有效壓縮比降低，而擴張比增加。這種改變有助于降低壓縮末期的溫度，從而減少NOx 的生成。同時，增加的擴張比能更有效地利用燃燒后的高溫氣體，提高熱效率。

2.2 米勒循環(huán)對柴油機性能的改善

由于高原地區(qū)空氣稀薄，傳統(tǒng)柴油機的燃燒效率受到了影響。而米勒循環(huán)通過降低壓縮比，使得燃燒過程更為平穩(wěn)，減少了未燃燒燃油的排放，從而提高了燃油的利用率。此外，米勒循環(huán)還能降低發(fā)動機的工作溫度，減少熱損失，進一步提升能效。

2.3 米勒循環(huán)在不同類型柴油機中的應用案例分析

（1）重型卡車柴油機的改進。在一款常用于高原地區(qū)的重型卡車中，采用了改進的米勒循環(huán)柴油機。該車型在海拔3 000 m 以上的地區(qū)運行，原有柴油機的平均燃油消耗率約為0.45 L/ km。改進后，采用米勒循環(huán)的新型柴油機，其燃油消耗率降低到約0.4 L/ km。同時，NOx 排放量從6.5 g/km 降低到5.8 g/km。這一改進顯著提升了燃油經(jīng)濟性，同時降低了環(huán)境污染。

（2）小型柴油發(fā)電機組的應用。在引入米勒循環(huán)技術(shù)之前，一個標準的5 kW 柴油發(fā)電機組在海拔3 500 m 的環(huán)境下，燃油消耗量約為2.5 L/h。采用米勒循環(huán)后，其燃油消耗量降至約2.1 L/h。此外，碳煙排放也顯著下降，從0.3 g/h 降低到0.2 g/h。這一改進不僅提高了發(fā)電效率，也減輕了對高原環(huán)境的影響。

這兩個案例展示了米勒循環(huán)在不同類型柴油機中的應用效果，數(shù)據(jù)對比突顯了其在高原環(huán)境中提高燃燒效率和減少環(huán)境污染方面的優(yōu)勢。

3 研究方法和試驗設計

3.1 試驗設備和測試環(huán)境的搭建

為了精確評估米勒循環(huán)在高原環(huán)境下對柴油機性能的影響，在專門設計的高海拔測試站進行了一系列細致的試驗。測試站位于海拔約4 000 m 的地區(qū)，能夠模擬高原地區(qū)的特殊環(huán)境條件，其中包括降低的氣壓和波動的氣溫，這些條件對柴油機的性能有著顯著的影響。

實驗室內(nèi)部配備了1 臺標準配置的柴油機，用于測試和對比分析。為了實現(xiàn)米勒循環(huán)，對柴油機進行了專門的改裝，安裝了米勒循環(huán)改裝套件。這套裝置包括高級進氣控制系統(tǒng)，能夠調(diào)整進氣閥的開閉時機，從而改變氣缸內(nèi)部的壓縮比和燃燒過程。

此外，實驗室配備了先進的燃油消耗和排放測試系統(tǒng)，實時監(jiān)測記錄柴油機運行狀況，包括燃油消耗率、排放物種類和量及發(fā)動機運行參數(shù)。為增強試驗準確性，引入數(shù)據(jù)收集與分析系統(tǒng)，包含高精度傳感器和專業(yè)數(shù)據(jù)記錄儀器。

3.2 數(shù)據(jù)收集和分析方法

在試驗過程中，應重視數(shù)據(jù)的精確收集和分析。使用的傳感器和儀器應能夠?qū)崟r監(jiān)測發(fā)動機的各種運行參數(shù)，如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速及排放物的組成和量。這些數(shù)據(jù)通過高級數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄，確保了數(shù)據(jù)的完整性和準確性。

為了確保試驗結(jié)果的可靠性，每項測試至少重復進行3 次，這樣做可以有效減少偶然誤差，確保結(jié)果的穩(wěn)定性和可重復性。收集到的數(shù)據(jù)隨后通過專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件進行處理。使用先進的統(tǒng)計和分析方法，如方差分析和回歸分析，來評估不同變量之間的關(guān)系和影響。

3.3 試驗方案和參數(shù)設置

試驗分為兩部分：①在標準環(huán)境條件下，對比改裝前后柴油機性能，獲取基準數(shù)據(jù)；②在模擬的高原環(huán)境下，進行相同的對比試驗。

為模擬高原環(huán)境，實驗室內(nèi)調(diào)整氣壓和溫度參數(shù)，覆蓋海拔3 000～5 000 m 的環(huán)境特征，確保試驗結(jié)果貼近實際高原環(huán)境。除了標準運行條件，還特別關(guān)注了米勒循環(huán)對發(fā)動機在不同工況（如起動、加速、持續(xù)運行）下的影響，模擬實際駕駛中可能遇到的情況，全面評估米勒循環(huán)在實際應用中的表現(xiàn)。

4 研究結(jié)果

米勒循環(huán)對燃燒效率的影響見表1。

米勒循環(huán)對排放的影響見表2。

引入米勒循環(huán)顯著提升了柴油機在高原環(huán)境下的適應性，尤其是在冷啟動和低溫條件下，改裝后的柴油機展現(xiàn)出更穩(wěn)定的性能。此外，由于燃油消耗率的降低，改裝柴油機在高原環(huán)境下的運行成本較傳統(tǒng)柴油機更為經(jīng)濟。同時，減少的有害氣體排放對于保護高原脆弱的生態(tài)環(huán)境具有顯著意義，為實現(xiàn)高原地區(qū)的環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供了重要支撐。

5 試驗結(jié)果分析

（1）米勒循環(huán)在高原環(huán)境下的優(yōu)化策略。米勒循環(huán)通過調(diào)整進氣閥關(guān)閉時機優(yōu)化了燃燒效率和排放性能。在高原環(huán)境中，需采取進一步優(yōu)化策略，如使用渦輪增壓器補償空氣稀薄，提高燃油燃燒效率。同時，優(yōu)化燃油噴射系統(tǒng)，如調(diào)整噴射時機和壓力，也對高原環(huán)境下燃燒效率有顯著影響。

（2）技術(shù)限制和潛在的改進方向。盡管米勒循環(huán)在高原環(huán)境下展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢，但仍存在一些技術(shù)限制。例如，米勒循環(huán)可能會導致發(fā)動機在某些工作條件下的動力輸出下降，尤其是在高負荷和高速運行時。因此，未來的研究應集中在如何平衡燃燒效率與動力輸出之間的關(guān)系，以及如何進一步優(yōu)化米勒循環(huán)以適應更廣泛的運行條件。

（3）米勒循環(huán)應用的經(jīng)濟性和環(huán)境效益分析。米勒循環(huán)可提升燃燒效率，減少有害排放，對高原環(huán)保意義重大。初期成本雖高，但長期看來，燃油經(jīng)濟性提升與維護成本降低，總體運營成本將下降。減排對減輕環(huán)境壓力、改善空氣質(zhì)量作用重大，對高原可持續(xù)發(fā)展貢獻顯著。

6 結(jié)束語

綜上所述，高原環(huán)境下米勒循環(huán)對柴油機燃燒效率和排放的影響十分顯著。試驗結(jié)果表明，米勒循環(huán)有效降低了燃油消耗率并減少了有害排放物，尤其是在模擬的高原環(huán)境中，其改善效果更為顯著。這一發(fā)現(xiàn)不僅為高原地區(qū)的柴油機優(yōu)化提供了重要的技術(shù)支持，也對于推動該地區(qū)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。盡管存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)和限制，但通過進一步的研究和優(yōu)化，米勒循環(huán)有望成為高原環(huán)境下提升柴油機性能和環(huán)境友好性的有效手段。

參考文獻

[1] 施磊，魏明亮，毛瑞卿. 非道路增壓柴油機海拔性能變化及適應性研究[J]. 拖拉機與農(nóng)用運輸車，2023，50（6）：10-14，22.

[2] 韓雷，任洪娟. 米勒循環(huán)與EGR 耦合對增壓柴油機性能的影響[J]. 上海工程技術(shù)大學學報，2022，36（3）：238-242.

[3] 郭瓊琳，姜峰，李靜. 米勒循環(huán)對柴油機燃用生物柴油的性能研究[J]. 機械設計與制造，2023（16）：1-8.

[4] 王英乾. 米勒循環(huán)降低船用中速柴油機NOx 排放研究[J].船舶職業(yè)教育，2023，11（6）：57-59.

[5] 莫清烈，胡杰，曹文通，等. 米勒循環(huán)下不同配比生物柴油對柴油機性能的影響[J]. 廣西科技大學學報，2022，33（4）：91-99.

[6] 主國強，齊鯤鵬，王紀松，等. 不同電增壓方式對米勒循環(huán)柴油機性能影響的模擬研究[J]. 內(nèi)燃機工程，2022，43（4）：40-47.

[7] 吳成成. 米勒循環(huán)船用高速柴油機工作過程仿真與優(yōu)化研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學，2022.

[8] 彭益源，李青，陳貴升，等. 變海拔下米勒循環(huán)對柴油機及DPF 性能的影響[J]. 汽車工程學報，2022，12（2）：180-190.