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摘要：设计制造了一种重型柴油机进气门早关机构，并安装到一台排量为12L的柴油机整机上，进行了整机性能实验。研究结果表明仅仅通过可变气门机构实现米勒循环时，缸内工质减小，缸内压力有所下降，但不利于热效率提升。当米勒循环与米勒强度、进气增压度，燃烧控制协同优化后，可以不牺牲燃油消耗率的同时，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.
关键词：重型柴油机;进气门早关;米勒循环
Key words： heavy-duty diesel engine;early intake valve closes;miller cycle
0 引言
随着柴油机排放法规升级，柴油机面临很多挑战[1-4]，应对这些挑战一方面是采用尾气后处理装置，另一方面是优化发动机燃烧过程，从源头控制发动机的油耗和排放。
Kazuhiro Akihama根据Kamimoto的研究，优化生成φ-T图[5]。采用改变燃烧路径的方式降低缸内NOx排放成为目前很多研究基础，其中米勒循环净化技术在柴油机上也得到了很多研究和发展。对于柴油机，降低氮氧化物排放尤为关键，目前降低氮氧化物的常用手段是采用进气节流阀，降低进气量以达到提高排温和提高后处理转化效率的目的[6]，但这种方式最大的问题是导致油耗增加，经济性变差。
如果柴油机利用可变气门技术，可以通过改变有效压缩比和优化进气量达到优化燃烧路径的目的，降低NOx排放额同时还能带来热管理效果[7]，但可变气门系统如果匹配不当也会带来充量系数下降、油耗增加的问题。本文通过对一台12L柴油机进行台架试验，研究可变气门对发动机缸内燃烧特性及发动机性能和排放的影响规律。
1 发动机及进气门早关机构
本试验采用的发动机参数如表1所示。
开发了一套基于“丢失升程”（lost motion）工作原理的进气门早关机构（该机构简称VVA），该VVA系统的工作原理如图所示，将原来的推杆替换为一个有液压活塞的液压推杆，活塞内可以充满机油，使活塞顶起来实现较高的气门型线，也可以将活塞内的机油泄掉使活塞落下，从而实现较低的气门型线，两种模式的切换通过电磁阀来精确控制，从而实现了两种气门型线的灵活调整。
该VVA系统已经完成了控制系统调试、功能性调试和一致性调试，本次实验直接拿来进行性能实验。实验中气门关闭时刻有两种，一种是原机正常气门关闭时刻，一种提前了40°CA的气门关闭时刻，于是发动机可以实现两种运行模式，采用原气门关闭时刻的实验循环称为正常循环（Normal循环），进气门早关的循环是典型的米勒循环（miller循环）。
2 性能试验结果分析
本文选取了一个典型工况点（1600rpm，1000Nm），并对其控制参数进行优化，以研究进气门早关系統在不同控制参数对于燃烧和排放及油耗的影响规律。
控制参数1如表2所示，其他控制参数相同，仅控制VVA系统的开和关。发动机相应的性能结果参数见表3，对比两个工况的性能参数，发现开启VVA后，进气量降低了90kg/h，约为9%。相应的涡轮后排温增加了36℃，BSFC升高了2g/kWh，415烟度增加了0.1FSN，NOx减少了1.2g/kWh，CO排放增加。
虽然进气门早关实现了米勒循环，但热效率并没有提高，本文又进一步分析燃烧数据，如图3所示。由于缸内冲量的降低和压缩终了缸内温度的降低，导致缸内爆压降低3（a），压力升高率在速燃期的峰值刚高3（b），是因为速燃期的瞬时放热速率有所提升所致3（c）。但根据表3的性能数据可知，发动机的燃烧重心CA50向后推迟了0.4°CA，缸内燃气做功相位推迟，会导致热效率下降。另外，CO排放增加，说明VVA导致缸内燃料燃烧不够充分，燃烧效率的降低也会导致油耗增加。
所以单纯利用可变气门系统实现米勒循环，可降低NOx排放，排温也可提高，但不做其他的硬件调整和参数优化，可能会导致热效率下降。
控制参数2如表4所示，其他控制参数相同，调整了VGT增压器开度和控制VVA系统的开和关。发动机相应的性能结果参数见表5，对比两个工况的性能参数，发现开启VVA后进气量和不开启VVA时一致，相应的涡轮后排温也基本一致，此时BSFC也相同，415烟度增加了0.025FSN，NOx减少了0.035g/kWh，HC排放有增加。 通过调整VGT增压器开度后，可以发现普通循环和米勒循环缸压、压升率和放热率一致，如图4所示，而通过VGT补偿缸内进气的方式，可以使更多的缸内进气得到中冷冷却，这也使得燃烧开始阶段缸内温度更低，而对比两个工况的性能参数，在优化进气的条件下，采用米勒循环获得了和普通循环一致的燃油消耗率，并明显降低了NOx排放。
3 结论
设计制造了一种重型柴油机进气门早关机构，并安装到一台排量为12L的柴油机整机上，进行了整机性能实验。
研究结果表明仅仅通过可变气门机构实现米勒循环时，可降低NOx排放，排温也可提高，但不做其他的硬件调整和参数优化，可能会导致热效率下降。
当米勒循环与米勒强度、进气增压度，燃烧控制协同优化后，可以不牺牲燃油消耗率的前提下降低氮氧比排放。
参考文献：
[1]Zhang H， Xi Y， Su C， et al. Lab Study of Urea Deposit Formation and Chemical Transformation Process of Diesel Aftertreatment System[C]// WcxTM 17： Sae World Congress Experience. 2017.
[2]苏岭，周龙保，蒋德明，李维.柴油机排气后处理技术的现代进展[J].内燃机，2003（01）：1-4，8.
[3]Kanno Y， Hihara T， Watanabe T， et al. Low Sulfate Generation Diesel Oxidation Catalyst[C]// Sae World Congress & Exhibition. 2004.
[4]Michael， P.， Walsh. Global trends in diesel Particulate control—A 1998 update[C]. SAE paper 980186.
[5]Kitamura T， Ito T， Senda J， et al. Mechanism of smokeless diesel combustion with oxygenated fuels based on the dependence of the equivalence ration and temperature on soot particle formation[J]. International Journal of Engine Research， 2002， 3（4）：223-248.
[6]劉二喜，战强，邬斌扬，等.进气门晚关与两次喷射协同作用对柴油机中转速中等负荷的影响[J].内燃机学报，2014（06）.
[7]Dávid Kovács and Peter Eilts. Potentials of the Miller Cycle on HD Diesel Engines Regarding Performance Increase and Reduction of Emissions， SAE paper 2015-24-2440.
[8]战强，韩志强，吴松林.两模式进气门晚关系统对柴油机燃烧及排放特性的影响[J].内燃机学报，2013，31（01）：1-8.
[9]战强.重载柴油机可变气门系统的开发及实验研究[D].天津：天津大学博士学位论文，2012.
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.
关键词：重型柴油机;进气门早关;米勒循环
Key words： heavy-duty diesel engine;early intake valve closes;miller cycle
0 引言
随着柴油机排放法规升级，柴油机面临很多挑战[1-4]，应对这些挑战一方面是采用尾气后处理装置，另一方面是优化发动机燃烧过程，从源头控制发动机的油耗和排放。
Kazuhiro Akihama根据Kamimoto的研究，优化生成φ-T图[5]。采用改变燃烧路径的方式降低缸内NOx排放成为目前很多研究基础，其中米勒循环净化技术在柴油机上也得到了很多研究和发展。对于柴油机，降低氮氧化物排放尤为关键，目前降低氮氧化物的常用手段是采用进气节流阀，降低进气量以达到提高排温和提高后处理转化效率的目的[6]，但这种方式最大的问题是导致油耗增加，经济性变差。
如果柴油机利用可变气门技术，可以通过改变有效压缩比和优化进气量达到优化燃烧路径的目的，降低NOx排放额同时还能带来热管理效果[7]，但可变气门系统如果匹配不当也会带来充量系数下降、油耗增加的问题。本文通过对一台12L柴油机进行台架试验，研究可变气门对发动机缸内燃烧特性及发动机性能和排放的影响规律。
1 发动机及进气门早关机构
本试验采用的发动机参数如表1所示。
开发了一套基于“丢失升程”（lost motion）工作原理的进气门早关机构（该机构简称VVA），该VVA系统的工作原理如图所示，将原来的推杆替换为一个有液压活塞的液压推杆，活塞内可以充满机油，使活塞顶起来实现较高的气门型线，也可以将活塞内的机油泄掉使活塞落下，从而实现较低的气门型线，两种模式的切换通过电磁阀来精确控制，从而实现了两种气门型线的灵活调整。
该VVA系统已经完成了控制系统调试、功能性调试和一致性调试，本次实验直接拿来进行性能实验。实验中气门关闭时刻有两种，一种是原机正常气门关闭时刻，一种提前了40°CA的气门关闭时刻，于是发动机可以实现两种运行模式，采用原气门关闭时刻的实验循环称为正常循环（Normal循环），进气门早关的循环是典型的米勒循环（miller循环）。
2 性能试验结果分析
本文选取了一个典型工况点（1600rpm，1000Nm），并对其控制参数进行优化，以研究进气门早关系統在不同控制参数对于燃烧和排放及油耗的影响规律。
控制参数1如表2所示，其他控制参数相同，仅控制VVA系统的开和关。发动机相应的性能结果参数见表3，对比两个工况的性能参数，发现开启VVA后，进气量降低了90kg/h，约为9%。相应的涡轮后排温增加了36℃，BSFC升高了2g/kWh，415烟度增加了0.1FSN，NOx减少了1.2g/kWh，CO排放增加。
虽然进气门早关实现了米勒循环，但热效率并没有提高，本文又进一步分析燃烧数据，如图3所示。由于缸内冲量的降低和压缩终了缸内温度的降低，导致缸内爆压降低3（a），压力升高率在速燃期的峰值刚高3（b），是因为速燃期的瞬时放热速率有所提升所致3（c）。但根据表3的性能数据可知，发动机的燃烧重心CA50向后推迟了0.4°CA，缸内燃气做功相位推迟，会导致热效率下降。另外，CO排放增加，说明VVA导致缸内燃料燃烧不够充分，燃烧效率的降低也会导致油耗增加。
所以单纯利用可变气门系统实现米勒循环，可降低NOx排放，排温也可提高，但不做其他的硬件调整和参数优化，可能会导致热效率下降。
控制参数2如表4所示，其他控制参数相同，调整了VGT增压器开度和控制VVA系统的开和关。发动机相应的性能结果参数见表5，对比两个工况的性能参数，发现开启VVA后进气量和不开启VVA时一致，相应的涡轮后排温也基本一致，此时BSFC也相同，415烟度增加了0.025FSN，NOx减少了0.035g/kWh，HC排放有增加。 通过调整VGT增压器开度后，可以发现普通循环和米勒循环缸压、压升率和放热率一致，如图4所示，而通过VGT补偿缸内进气的方式，可以使更多的缸内进气得到中冷冷却，这也使得燃烧开始阶段缸内温度更低，而对比两个工况的性能参数，在优化进气的条件下，采用米勒循环获得了和普通循环一致的燃油消耗率，并明显降低了NOx排放。
3 结论
设计制造了一种重型柴油机进气门早关机构，并安装到一台排量为12L的柴油机整机上，进行了整机性能实验。
研究结果表明仅仅通过可变气门机构实现米勒循环时，可降低NOx排放，排温也可提高，但不做其他的硬件调整和参数优化，可能会导致热效率下降。
当米勒循环与米勒强度、进气增压度，燃烧控制协同优化后，可以不牺牲燃油消耗率的前提下降低氮氧比排放。
参考文献：
[1]Zhang H， Xi Y， Su C， et al. Lab Study of Urea Deposit Formation and Chemical Transformation Process of Diesel Aftertreatment System[C]// WcxTM 17： Sae World Congress Experience. 2017.
[2]苏岭，周龙保，蒋德明，李维.柴油机排气后处理技术的现代进展[J].内燃机，2003（01）：1-4，8.
[3]Kanno Y， Hihara T， Watanabe T， et al. Low Sulfate Generation Diesel Oxidation Catalyst[C]// Sae World Congress & Exhibition. 2004.
[4]Michael， P.， Walsh. Global trends in diesel Particulate control—A 1998 update[C]. SAE paper 980186.
[5]Kitamura T， Ito T， Senda J， et al. Mechanism of smokeless diesel combustion with oxygenated fuels based on the dependence of the equivalence ration and temperature on soot particle formation[J]. International Journal of Engine Research， 2002， 3（4）：223-248.
[6]劉二喜，战强，邬斌扬，等.进气门晚关与两次喷射协同作用对柴油机中转速中等负荷的影响[J].内燃机学报，2014（06）.
[7]Dávid Kovács and Peter Eilts. Potentials of the Miller Cycle on HD Diesel Engines Regarding Performance Increase and Reduction of Emissions， SAE paper 2015-24-2440.
[8]战强，韩志强，吴松林.两模式进气门晚关系统对柴油机燃烧及排放特性的影响[J].内燃机学报，2013，31（01）：1-8.
[9]战强.重载柴油机可变气门系统的开发及实验研究[D].天津：天津大学博士学位论文，2012.