重型柴油機(jī)進(jìn)氣門早關(guān)實(shí)驗(yàn)研究

摘要：設(shè)計(jì)制造了一種重型柴油機(jī)進(jìn)氣門早關(guān)機(jī)構(gòu)，并安裝到一臺排量為12L的柴油機(jī)整機(jī)上，進(jìn)行了整機(jī)性能實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明僅僅通過可變氣門機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)時(shí)，缸內(nèi)工質(zhì)減小，缸內(nèi)壓力有所下降，但不利于熱效率提升。當(dāng)米勒循環(huán)與米勒強(qiáng)度、進(jìn)氣增壓度，燃燒控制協(xié)同優(yōu)化后，可以不犧牲燃油消耗率的同時(shí)，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(guān)鍵詞：重型柴油機(jī);進(jìn)氣門早關(guān);米勒循環(huán)

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

0? 引言

隨著柴油機(jī)排放法規(guī)升級，柴油機(jī)面臨很多挑戰(zhàn)[1-4]，應(yīng)對這些挑戰(zhàn)一方面是采用尾氣后處理裝置，另一方面是優(yōu)化發(fā)動機(jī)燃燒過程，從源頭控制發(fā)動機(jī)的油耗和排放。

Kazuhiro Akihama根據(jù)Kamimoto的研究，優(yōu)化生成φ-T圖[5]。采用改變?nèi)紵窂降姆绞浇档透變?nèi)NOx排放成為目前很多研究基礎(chǔ)，其中米勒循環(huán)凈化技術(shù)在柴油機(jī)上也得到了很多研究和發(fā)展。對于柴油機(jī)，降低氮氧化物排放尤為關(guān)鍵，目前降低氮氧化物的常用手段是采用進(jìn)氣節(jié)流閥，降低進(jìn)氣量以達(dá)到提高排溫和提高后處理轉(zhuǎn)化效率的目的[6]，但這種方式最大的問題是導(dǎo)致油耗增加，經(jīng)濟(jì)性變差。

如果柴油機(jī)利用可變氣門技術(shù)，可以通過改變有效壓縮比和優(yōu)化進(jìn)氣量達(dá)到優(yōu)化燃燒路徑的目的，降低NOx排放額同時(shí)還能帶來熱管理效果[7]，但可變氣門系統(tǒng)如果匹配不當(dāng)也會帶來充量系數(shù)下降、油耗增加的問題。本文通過對一臺12L柴油機(jī)進(jìn)行臺架試驗(yàn)，研究可變氣門對發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒特性及發(fā)動機(jī)性能和排放的影響規(guī)律。

1? 發(fā)動機(jī)及進(jìn)氣門早關(guān)機(jī)構(gòu)

本試驗(yàn)采用的發(fā)動機(jī)參數(shù)如表1所示。

開發(fā)了一套基于“丟失升程”（lost motion）工作原理的進(jìn)氣門早關(guān)機(jī)構(gòu)（該機(jī)構(gòu)簡稱VVA），該VVA系統(tǒng)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(nèi)可以充滿機(jī)油，使活塞頂起來實(shí)現(xiàn)較高的氣門型線，也可以將活塞內(nèi)的機(jī)油泄掉使活塞落下，從而實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了兩種氣門型線的靈活調(diào)整。

該VVA系統(tǒng)已經(jīng)完成了控制系統(tǒng)調(diào)試、功能性調(diào)試和一致性調(diào)試，本次實(shí)驗(yàn)直接拿來進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中氣門關(guān)閉時(shí)刻有兩種，一種是原機(jī)正常氣門關(guān)閉時(shí)刻，一種提前了40°CA的氣門關(guān)閉時(shí)刻，于是發(fā)動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)行模式，采用原氣門關(guān)閉時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)循環(huán)稱為正常循環(huán)（Normal循環(huán)），進(jìn)氣門早關(guān)的循環(huán)是典型的米勒循環(huán)（miller循環(huán)）。

2? 性能試驗(yàn)結(jié)果分析

本文選取了一個典型工況點(diǎn)（1600rpm，1000Nm），并對其控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以研究進(jìn)氣門早關(guān)系統(tǒng)在不同控制參數(shù)對于燃燒和排放及油耗的影響規(guī)律。

控制參數(shù)1如表2所示，其他控制參數(shù)相同，僅控制VVA系統(tǒng)的開和關(guān)。發(fā)動機(jī)相應(yīng)的性能結(jié)果參數(shù)見表3，對比兩個工況的性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)開啟VVA后，進(jìn)氣量降低了90kg/h，約為9%。相應(yīng)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(jìn)氣門早關(guān)實(shí)現(xiàn)了米勒循環(huán)，但熱效率并沒有提高，本文又進(jìn)一步分析燃燒數(shù)據(jù)，如圖3所示。由于缸內(nèi)沖量的降低和壓縮終了缸內(nèi)溫度的降低，導(dǎo)致缸內(nèi)爆壓降低3（a），壓力升高率在速燃期的峰值剛高3（b），是因?yàn)樗偃计诘乃矔r(shí)放熱速率有所提升所致3（c）。但根據(jù)表3的性能數(shù)據(jù)可知，發(fā)動機(jī)的燃燒重心CA50向后推遲了0.4°CA，缸內(nèi)燃?xì)庾龉ο辔煌七t，會導(dǎo)致熱效率下降。另外，CO排放增加，說明VVA導(dǎo)致缸內(nèi)燃料燃燒不夠充分，燃燒效率的降低也會導(dǎo)致油耗增加。

所以單純利用可變氣門系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)，可降低NOx排放，排溫也可提高，但不做其他的硬件調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化，可能會導(dǎo)致熱效率下降。

控制參數(shù)2如表4所示，其他控制參數(shù)相同，調(diào)整了VGT增壓器開度和控制VVA系統(tǒng)的開和關(guān)。發(fā)動機(jī)相應(yīng)的性能結(jié)果參數(shù)見表5，對比兩個工況的性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)開啟VVA后進(jìn)氣量和不開啟VVA時(shí)一致，相應(yīng)的渦輪后排溫也基本一致，此時(shí)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(diào)整VGT增壓器開度后，可以發(fā)現(xiàn)普通循環(huán)和米勒循環(huán)缸壓、壓升率和放熱率一致，如圖4所示，而通過VGT補(bǔ)償缸內(nèi)進(jìn)氣的方式，可以使更多的缸內(nèi)進(jìn)氣得到中冷冷卻，這也使得燃燒開始階段缸內(nèi)溫度更低，而對比兩個工況的性能參數(shù)，在優(yōu)化進(jìn)氣的條件下，采用米勒循環(huán)獲得了和普通循環(huán)一致的燃油消耗率，并明顯降低了NOx排放。

3? 結(jié)論

設(shè)計(jì)制造了一種重型柴油機(jī)進(jìn)氣門早關(guān)機(jī)構(gòu)，并安裝到一臺排量為12L的柴油機(jī)整機(jī)上，進(jìn)行了整機(jī)性能實(shí)驗(yàn)。

研究結(jié)果表明僅僅通過可變氣門機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)時(shí)，可降低NOx排放，排溫也可提高，但不做其他的硬件調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化，可能會導(dǎo)致熱效率下降。

當(dāng)米勒循環(huán)與米勒強(qiáng)度、進(jìn)氣增壓度，燃燒控制協(xié)同優(yōu)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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