排氣門正時對高比例甲醇 汽油混合燃料燃燒和排放的影響研究

摘要： 采用自行開發的可變氣門機構，在高壓縮比點燃式發動機上進行了試驗，研究了排氣門正時對高甲醇摻燒比甲醇 汽油發動機燃燒和性能的影響。結果發現：提前排氣門正時會使燃燒開始時刻（CA5）滯后，燃燒持續期延長，結合點火正時后，燃燒相位得到改善；在排氣門正時結合最佳點火正時下，等效有效比油耗（be）和NOx排放都得到明顯改善，在最佳點火正時下，排氣門正時前移可以使M50，M75和M100的最佳be分別降低7.39%，11.06%和18.72%，NOx排放量分別降低34.5%，19.6%和23.9%；提高甲醇添加量可以提高經濟性，降低HC排放量。

關鍵詞： 排氣門正時；甲醇；汽油；雙燃料發動機；燃油經濟性；排放

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.002

中圖分類號：TK411.5" 文獻標志碼： B" 文章編號： 1001 ２２２２（２０25）０1 ００12 ０6

隨著全球環境以及能源問題的日漸突出，實現“碳中和”和“碳達峰”的目標成了全球性的使命。在此戰略背景下，推進內燃機節能減排的進程迫在眉睫。先進的內燃機技術和可再生醇類燃料逐漸受到關注。可變氣門技術是改善發動機性能和排放的重要手段，其包含了可變氣門升程和可變氣門正時技術，能夠對氣門升程和正時進行靈活調整以適應發動機不同工況所需。其中可變氣門正時技術因具有減少發動機泵氣損失、提高發動機充氣效率等優點而在國內外受到廣泛的研究^［1］。研究發現，在氣體交換過程中，調節排氣門正時可顯著地改變缸內的殘余廢氣量^［2］，從而影響燃燒和排放。李正偉^［3］通過研究發現，合理地增加缸內廢氣量可以明顯地降低泵氣損失，改善燃油經濟性達9%。胡順堂^［4］研究發現，內部EGR有利于降低NOx排放量。王巍等^［5］研究了不同排氣門正時對汽油機冷起動排放的影響，結果表明，提前排氣門正時能夠增大缸內殘余廢氣量，有效地改善排放。調整排氣門正時影響著缸內的氣流運動，從而影響缸內的燃燒過程^［1］。

此外，醇類替代燃料在節能減排和能源安全方面展現的突出優勢使得其逐漸出現在大眾視野中。醇類替代燃料包含了甲醇、乙醇和丁醇等，其中，甲醇由于碳氫比小、沸點低、揮發性好等優點，作為單一燃料或者摻混燃料都具有突出的優勢^［6］。作為單一燃料來說，甲醇相比于汽油在中大負荷下能夠提高燃燒速度，縮短燃燒持續期，并有效地降低CO和HC排放量^［7］。A. BILGIN等^［8］的研究結果也表明燃用純甲醇的熱效率比燃用汽油更高。甲醇作為摻混燃料同樣能夠改善發動機的性能以及排放。例如高富新^［9］研究了不同甲醇汽油摻混比例下的發動機性能，結果表明M30和M40的動力性和經濟性都優于純汽油。李梁等^［10］的研究也得到了相似的結果。甲醇摻混燃燒在改善燃油消耗的同時也可降低常規污染物的排放。尹航等^［11］研究了不同摻混比例下甲醇汽油的瞬態常規污染物排放特性，結果表明隨著甲醇比例的增加，HC，CO的排放量明顯降低。另外，甲醇具有更大的辛烷值以及汽化潛熱，因此能夠適用于更高壓縮比的發動機而不會產生爆震^［12］。傳統汽油機的壓縮比范圍通常為9.5～11.5^［13］，而甲醇相比汽油能夠提高發動機壓縮比和有效熱效率，同時有效地減少CO和NO排放量^［14］。李小燕^［15］的研究表明，壓縮比從16.5增加到18.5，甲醇的CO排放量減少了6.5%左右。

綜上所述，先前的研究更多地集中在純甲醇或者低摻混比甲醇發動機的燃燒和性能上，高比例甲醇摻混對汽油機燃燒和排放的影響鮮有報道；同時可變氣門正時技術作為一種重要的節能減排的手段，在甲醇摻混發動機中的應用研究也較少。因此，為更好地達到節能減排的目的，本研究對比研究了高比例甲醇 汽油混合燃料在高壓縮比發動機中，應用可變氣門正時技術時的燃燒、性能及排放。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置及參數定義

本研究基于一臺單缸柴油機進行改裝，將原有的噴油器安裝位置改為火花塞安裝位置，在進氣道上安裝了噴油器和節氣門，并在缸蓋位置安裝了自行研發的可變氣門機構，發動機關鍵參數如表1所示。

在試驗臺架（見圖1）中，開放ECU控制單元能夠靈活調控點火、噴油、節氣門和進排氣門正時。燃油質量由DF 2420質量流量計測量。發動機冷卻液由閉環控制系統控制在（80±5） ℃。A 8020 AVL氣體分析儀用于分析氣體排放，包括一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）和氮氧化物（NOx）。使用AVL 398Z01測量曲軸角度，并以1°的分辨率收集200個連續循環的壓力數據后被燃燒分析儀采集，燃燒分析儀AVL 602 6020用于計算缸內壓力、放熱率（HRR）和其他燃燒數據，同時，將指示平均有效壓力（pi）在200個連續燃燒循環的變化系數視為燃燒過程的循環變化，計算公式如下：

COVpi=σpipi×100%。（1）

由于甲醇和汽油的低熱值不同，引入了等效有效比油耗（be）的概念，以更好地比較甲醇比例對經濟性的影響。be計算公式如下：

be=mF/Pe。（1）

式中：mF為甲醇 汽油混合燃料的質量；Pe為發動機的有效輸出功。

本研究采用自行開發的可變氣門機構，可以實現氣門正時的調節。可變氣門升程機構的原理與文獻［16］一致，可變氣門正時機構利用電機帶動蝸輪、蝸桿旋轉，經過一系列從動件，最終能夠單獨改變正時凸輪凸尖與壓縮上止點的相對位置，從而改變進氣門正時或者排氣門正時。

1.2 試驗燃油及工況

為研究不同甲醇摻混比下排氣門正時對燃燒和排放的影響，選取1 000 r/min，40%負荷作為研究工況，本研究試驗燃油有3種，根據甲醇摻混比分別記為M50，M75，M100。可變氣門正時分別選取上止點前360°，370°，380°，390°，400°。點火正時選取為當前工況的最佳點火正時（MBT），在此基礎上按2°，-2°，-4°的幅度進行調整，分別記為MBT+2，MBT-2，MBT-4。通過調節節氣門開度來保證過量空氣系數為1，進排氣門的升程選取7 mm，定義壓縮上止點為TDC，壓縮上止點前為BTDC，壓縮上止點后為ATDC。

2 結果與討論

2.1 不同甲醇摻混比和排氣門正時下的燃燒和性能

圖2示出在不同比例甲醇 汽油混合燃料下，最佳點火正時和缸內壓力隨排氣門正時的變化。最佳點火正時是扭矩最大時對應的最小的點火正時。由圖2可知，隨著排氣門正時的提前，最佳點火正時逐漸提前。這是由于排氣門正時提前，壓縮上止點前的缸內壓力升高（見圖2b），而在壓縮過程缸內壓力的增加代表著缸內工質的增加，也就代表著缸內殘余廢氣量的增加^［17］。缸內殘余廢氣量的增加帶來了大量的非活性氣體成分，降低了缸內燃燒溫度和氧濃度，燃燒過程受到抑制。為彌補排氣門正時提前對燃燒的抑制作用，最佳點火正時提前。在相同的排氣門正時下，隨著甲醇摻混比例的增加，最佳點火正時推遲。例如排氣正時推遲40°時，M100的最佳點火正時相比M50推遲了2°。這是由于甲醇具有比汽油更快的層流燃燒速度。

圖3示出在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，燃燒開始時刻和燃燒持續期隨排氣門正時的變化規律。定義燃燒開始時刻（CA5）為累計放熱量5%對應的曲軸轉角，定義燃燒持續期為燃燒質量分數從5%到90%對應的曲軸轉角。由圖3a至圖3c可知，在相同燃油和相同排氣門正時下，隨著點火正時的提前，CA5靠近壓縮上止點。隨著排氣門正時的前移，CA5呈現了滯后的趨勢。這是由于排氣門正時提前使缸內殘余廢氣量升高，降低了缸內溫度和氧濃度。在相同的排氣門正時下，隨著甲醇摻混比例的增加，CA5出現時刻提前。在排氣門正時為380°BTDC時，M100的CA5相比M50提前了0.55°。這是甲醇更快的層流燃燒速度造成的。另外，可以看到M100的CA5隨著排氣門正時的變化程度比M50的小，這說明缸內殘余廢氣對汽油的影響比甲醇更敏感。

由圖3d至圖3f可知，在相同的燃料下，隨著點火正時的提前，燃燒持續期呈現了縮短的趨勢。而隨著排氣門正時的提前，燃燒持續期呈現了延長的趨勢。這是由于缸內殘余廢氣的增加降低了燃燒溫度和氧濃度，燃燒速度減慢，燃燒持續期增加。隨著甲醇比例的增加，燃燒持續期逐漸縮短。另外，M100的燃燒持續期隨著排氣門正時的變化相比M50的更小。這可以歸因于甲醇本身含氧且具有較快的層流燃燒速度。

圖4示出在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，pi隨排氣門正時的變化規律。由圖4可以看出，以M50為燃料時，在相同的排氣門正時下，點火正時從MBT靠近壓縮上止點后，不同氣門正時下的pi變化趨勢不同。這是因為點火正時后移會導致燃燒過程遠離壓縮上止點，使排氣溫度升高，排氣過程能量損失增大，pi降低。而當點火正時繼續后移，降低的燃燒速度使缸內最大溫度降低，這可能導致換熱損失減少，使pi稍有增加。當點火正時從MBT前移后，pi降低，這是因為點火正時前移使燃燒速度加快，在壓縮比較大的條件下，發動機爆震傾向增加。此外，更快的燃燒速度會使缸內燃燒溫度升高，增加了傳熱損失。隨著排氣門正時前移，pi呈現一直增長的趨勢。當排氣門正時從360°BTDC前移到400°BTDC后，MBT下的pi增加了0.073 MPa。

隨著混合燃料中甲醇添加比例的增加，相同正時下的pi升高，這是因為甲醇更快的層流燃燒速度促進了燃燒過程。以在排氣正時400°BTDC下為例，M100的pi最大值可達到0.549 MPa，M75和M50的pi最大值分別為0.520 MPa和0.521 MPa。這是兩方面原因造成的：首先，M100相比M50具有更短的燃燒持續期，使得其傳熱損失小；其次，甲醇的汽化潛熱大，能夠進一步降低缸內燃燒溫度，減小傳熱損失。

圖5示出了在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，be隨排氣門正時的變化規律，圖中各排氣門正時下最低的be用圓圈標出。由圖5可以看出，在相同的排氣門正時下，隨著點火正時前移，be先降低后升高。隨著排氣門正時的提前，最佳點火正時下的be逐漸減小。排氣門正時由360°提前到400°時，M100，M75和M50的最佳be分別改善了7.39%，11.06%和18.72%。排氣門正時的提前增加了缸內殘余廢氣量，使得燃燒溫度降低，傳熱損失減小， be減小。而隨著甲醇摻混比例的增加，最佳點火正時對應的be逐漸降低，這說明提高混合燃料中甲醇的添加量可以有效地提高經濟性。排氣門正時在360°BTDC時，最佳點火正時下，相比于M50，M75和M100的be分別降低了14.25%和22.54%。

2.2 排氣門正時耦合點火正時下的排放

圖6示出在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，HC排放量隨排氣門正時的變化規律。可以看出，在同種燃料下，排氣門正時對HC排放量的影響不敏感。在最佳點火正時下，排氣門正時由360°BTDC提前到400°BTDC時，M100的HC排放量增加了35.9×10^-6。這是因為排氣門正時提前，缸內廢氣量增加，降低了燃燒溫度，導致燃料蒸發混合困難，另外，COVpi隨著排氣門正時的推遲而增加，燃燒穩定性降低，HC排放量增加。隨著甲醇摻混比例的增加，HC排放量呈現明顯減小的趨勢。當排氣門正時在390°BTDC時， M100，M75，M50最佳點火正時下的HC排放量分別為37×10^-6，282×10^-6和453×10^-6。排氣門正時在400°BTDC時，相比于M50，M100的HC排放量降低了10.7%。這是因為甲醇的碳鏈更簡單^［18］，并且甲醇更快的層流火焰速度使缸內燃燒溫度升高，排氣過程更高的溫度會促進HC的氧化。

圖7示出在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，NOx排放量隨排氣門正時的變化規律。由圖7可知，隨著點火正時的提前，3種燃料的NOx排放量均呈現了增加的趨勢。根據Zeldovich理論，影響NOx排放的主要因素是燃燒溫度和氣缸中的氧氣濃度。點火正時提前使得缸內燃燒溫度增加，從而增加了NOx排放量。對于3種燃料，隨著排氣門正時的前移，缸內高比熱容的殘余廢氣增加，降低了缸內燃燒溫度和氧濃度，抑制了NOx的產生，因此NOx排放量降低。在排氣門正時從360°BTDC提前到400°BTDC時，M50的NOx排放量最多降低了34.5%，而M75和M100的NOx排放量最多分別降低了19.6%和23.9%。

3 結論

a） 對于高比例甲醇 汽油混合燃料，隨著排氣門正時前移，CA5滯后，燃燒持續期延長，結合點火正時可以改善排氣門正時引起的燃燒滯后；隨著混合燃料中甲醇比例的升高，燃燒持續期縮短，相同排氣門正時下的最佳點火正時前移；

b） 提前排氣門正時有助于降低be，在最佳點火正時下，改變排氣門正時可以使M50，M75和M100的be分別降低7.39%，11.06%和18.72%；提高混合燃料中甲醇的體積比同樣具有降低be的潛力，當排氣門正時在360°BTDC時，相比M50，M75和M100的be分別降低了14.25%和22.54%；

c） 排氣門正時前移可以改善甲醇 汽油混合燃料的NOx排放，當排氣門正時從360°BTDC前移到400°BTDC時，M50，M75，M100的NOx排放量分別降低了34.5%，19.6%和23.9%；提高混合燃料中甲醇的體積比對HC排放改善明顯，在排氣正時390°BTDC時，最佳點火正時下M100，M75，M50的HC排放量分別為37×10^-6，282×10^-6和453×10^-6。

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Effect of Exhaust Valve Timing on Combustion and Emissions of High Proportional Methanol Gasoline Blends

GONG Yanfeng1，QIAN Dingchao1，MA Heyang1，LIU Mingli1，XIE Fangxi2，MENG Xianglong2

（1.FAW Research and Development Institute，Changchun 130000，China;2.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130025，China）

Abstract： The experiment was conducted on a high compression ratio spark ignition engine by using a self developed variable valve mechanism and the effect of exhaust valve timing on the combustion and performance of methanol/gasoline engines with high volume methanol content was studied. It was found that early timing of exhaust valve would cause CA5 to lag and prolong the combustion duration. Combined with optimal ignition timing，the combustion phase improved. Under the combination of exhaust valve timing and optimal ignition timing， both be and NOx emissions significantly improved. Under the optimal ignition timing， shifting the exhaust valve timing forward could reduce the optimal be of M50， M75， and M100 by 7.39%， 11.06%， and 18.72% respectively and NOx emissions by 34.5%， 19.6%， and 23.9% respectively. Increasing the amount of methanol could also improve fuel economy and reduce HC emissions.

Key words： exhaust valve timing;methanol;gasoline;dual fuel engine;fuel economy;emission

［編輯： 姜曉博］