米勒循环柴油机换气过程优化设计及试验研究

米勒循环柴油机换气过程优化设计及试验研究

李翔，王新权，黄立，张文正

（中国船舶重工集团公司第711研究所，上海201108）

摘要：米勒循环换气过程通过改变进气门关闭时刻，实现缸内最高燃烧温度的降低，从而有效降低发动机的NOx排放。由于米勒循环柴油机的换气过程与常规柴油机有明显不同，需要专门加以研究。本文针对米勒循环换气过程的特点，以高指标船用柴油机为研究对象，采用先进的工作过程仿真分析软件，对进气门关闭时刻、气门重叠角以及凸轮型线的最大升程、丰满系数等进行了仿真分析和优化设计，并在单缸机上进行试验验证，掌握了米勒循环柴油机换气过程设计方法。试验表明在不显著提高油耗率和排气温度的情况下，通过优化设计米勒循环换气过程可以降低NOx排放30%左右。

关键词：米勒循环；NOx；换气过程；凸轮型线设计；船用柴油机

主要软件：A VL BOOST、A VL EXCITE

0 概述

自从米勒循环理论1947年第一次被Miller提出后，其理论基础被广泛接受。作为一种降低缸内燃烧温度的发动机特殊工作过程，米勒循环理论基于进气门提前关闭的方式，以期通过缩短压缩冲程来对进气终了时缸内混合气的温度进行内部冷却，从而降低缸内最高燃烧温度，达到降低NOx排放、改善柴油机燃烧性能的目的。由于进气门提前关闭造成进气充量的减少，Miller和Lieberhern后来又提出通过提高进气压力来补偿米勒循环工作过程造成的进气充量的不足，对于增压柴油机来说则意味着提高增压器的压比。过去由于增压器压比的局限，不能有效弥补米勒循环工作过程下进气充量的不足，故米勒正时技术并未得到广泛的运用。近年来随着高压比增压器的问世，适用于高速柴油机的单级涡轮增压器的压比最高可达5.8[1]，为实际中应用米勒循环技术提供了可能。

本文利用先进的柴油机工作过程仿真软件对高Pe高速大功率柴油机应用米勒循环进行数值模拟计算分析，针对此型柴油机的经济性、动力性和NOx排放性能进行预测性研究，得出米勒循环工作过程对高速大功率柴油机的影响规律；进而应用配气凸轮型线设计软件对不同米勒正时（miller timing）下凸轮型线的最大升程和丰满系数进行了优化设计，从而确定了优化后的米勒循环试验方案并在单缸机上进行了试验验证。

1 米勒循环仿真计算分析

1.1 仿真模型搭建

根据柴油机的结构布局参数，运用AWS BOOST软件搭建了一个带涡轮增压器和中冷器的高速大功率柴油机仿真模型，如图1所示。

图1 米勒循环工作过程计算模型

1.2 仿真计算分析

针对发动机额定转速（1500rpm）全负荷的工况进行模拟仿真计算，计算结果如图2所示。模拟仿真计算中，循环喷油量保持不变，运用BOOST自带的模化程序只对进气门关闭正时做调整。首先调节不同气门正时相对应的涡轮增压器的压比。这里选取了进气门关闭角为535deg、525deg、515deg三种不同的米勒正时。随着米勒正时的变化，计算结果中的过量空气系数也相应变化。如图2所示，为了使米勒正时下的仿真计算结果和原机有可比性，这里假定增压器的压比最高可以达到5.5，通过调节增压器的压比等参数使计算结果中的过量空气系数和原机基本一致，即表示对不同米勒正时下的进气充量补偿到和原机一致，借此来对比应用米勒循环对柴油机性能参数的影响。进而在保证过量空气系数一致的情况下，对比不同米勒正时对发动机功率和油耗的影响。

图2 不同米勒正时对应的增压器的压比

1.2.1 米勒正时仿真分析

进气门关闭角是米勒循环工作过程的关键参数，原机的进气门关闭角为585deg。在涡轮增压器能够提供的最大压比限定的条件下，不同的进气门关闭角对应不同的压比。首先分析单纯运用米勒循环对发动机性能的影响。

图3不同米勒正时的最高燃烧温度和压缩始点温度

高速大功率柴油机的NOx生成中热力NOx生成占主导地位，即在高温燃烧下空气中的O2和N2反应生成NOx。当发动机采用米勒循环工作过程时，进气冲程活塞运行到下止点前进气门提前关闭，由于活塞继续向下运动，进气充量经过一个膨胀降温过程之后才开始压缩，从而使压缩冲程终了的进气充量的温度降低，进而降低了最高燃烧温度，有利于减少热力NOx的生成。从图3中可以看出，随着米勒正时的提前，缸内最高燃烧温度和缸内压缩始点的温度同比下降，其中最高燃烧温度直接影响NOx的生成。这种趋势在图4中得到体现,随着米勒正时的提前，NOx的生成逐步减少，相比原机降低了1.8g/kWh。计算结果表明采用米勒循环作为发动机NOx排放机内净化的措施，在不影响功率和油耗的前提下可以降低缸内燃烧温度，有效减少NOx的生成。

图4 不同米勒正时的NOx和有效功率

从图5中可以看出不同米勒循环对最高爆发压力（爆压）的影响。爆压随着进气门关闭角的提前而降低，相比原机降低了12.6bar，（进气门关闭角为515deg时），这种趋势表明米勒循环对爆压的抑制作用较为明显。

图5 不同米勒正时的最高爆发压力

米勒循环之所以能够抑制爆压是因为进气门在活塞运行到下止点前关闭，致使实际的压缩比小于膨胀比，压缩始点缸内的初始压力和温度降低，从而使活塞运行到上止点时的缸内的压力和温度随之降低（见图6）。

图6不同米勒正时压缩上止点缸内压力和温度

再由图7可见，采用米勒循环工作过程的燃烧初始阶段的压力升高率dp

d 相对较低，这

就使得最高爆发压力随着米勒正时的提前而逐步降低。而爆压和压力升高率的降低有利于改善发动机的工作条件，减少发动机的机械负荷，降低振动和噪声，提高发动机的可靠性和使用寿命[4]。

图7 不同米勒正时上止点附近的压力升高率

1.2.2 气门重叠角仿真分析

图8 不同气阀重叠角下的油耗率和NOx

气阀重叠角的大小决定换气过程中的泵气损失、充气效率和扫气效果，对爆发压力、排气温度、油耗率和NOx’均有一定影响，通过计算分析不同气阀重叠角对米勒循环工作过程的影响规律。

图9 不同气阀重叠角下的爆发压力和排气温度

如图8、图9所示，通过仿真分析可以看出不同气阀重叠角对爆发力和排气温度有比较显著的影响，缩短气阀重叠角会使爆压压力降低、排气温度升高，反之亦然；缩短气阀重叠角同样会使油耗率有一定降低。