0 引言

农用车尾气排放已成为空气污染物的主要来源之一。农用车多以单缸柴油机为主，主要排放污染物是NOx，Soot等。随着环保压力的日益增加和内燃机排放法规越来越严，许多学者开展内燃机排放控制技术的研究，Miller循环技术因可以减少NOx排放而研究热度渐高。

Miller循环主要通过控制进、排气门关闭时刻使膨胀行程大于压缩行程的发动机工作循环模式[1]。与传统奥拓循环相比，一方面具有较长的做功行程，提高了发动机有效效率；另一方面，延迟进气门关闭时刻引起一个混合气回流过程，降低了有效压缩比，从而降低了缸内温度，降低燃烧温度，减少NOx生成[2-4]，还减小汽油机部分负荷的泵气损失。以VM Motori公司某款2.8 L四缸涡轮增压柴油机为例，使用Miller循环的高速直喷柴油机，发动机排放的NOx能够减少20%～30%，Soot能够减少 30%～80%[5]。

地球沿自己的轴心转动，并以24小时制式显示时间；细看下小巧的月球伴着地球，沿着轨道每29.53日完成绕地球一圈，与天上的明月无异，围着地球的精准月相运作显示是Grand Récital机心五项技术专利其中之一，运行122年只会有一天误

利夫西住在美国佐治亚州费耶特维尔市。8月中旬，他在家中叫了一份中餐外卖，总价80.60美元。当送餐员欧文把外卖送上门时，利夫西掏出一张银行储蓄卡付账，不料刷卡机不认此卡。利夫西转而掏出支票簿，写了一张支票递给欧文。欧文表示，餐馆不收支票，只能把外卖带回餐馆。然而，此时利夫西家中的另外两人已经开始吃起外卖，导致这份外卖无法退回餐馆。利夫西与欧文发生争执，升级成肢体冲突。按照欧文的说法，利夫西曾掐住他的喉咙，推他撞到屋里的冰箱上。

Miller循环有3种方式，即早期旋转气门、进气门早关和进气门晚关。本文将以农用单缸柴油机为研究对象，研究基于不同进气门延迟关闭角度的Miller循环对单缸柴油机扭矩、排放、功率和燃油经济性等综合性能的影响特性。

1 单缸柴油机仿真模型

1.1 单缸柴油机模型的建立

通过1 600r/min和2 200r/min两转速下的数据偏差图可知，在2 200r/min时，实验数据与仿真数据的燃油消耗率偏差最大，但不超过1.5%，说明仿真模型具有足够的预测精度，可以在此基础上研究Miller循环对单缸柴油机性能的影响特性。

原型单缸柴油机的进气门在348 °CA开启，578 °CA关闭。本文通过改变凸轮轴型线的轮廓来精确控制进气门关闭时刻。为防止重新设计后的凸轮在运动时对进气门冲击较大，进气门的最大升程保持不变，通过延长最大升程的维持角度来控制进气门关闭时刻[6]。该方法不仅可在原凸轮型线的基础上简化型线的设计过程，还能达到容易控制进气门延迟关闭角度的效果。为了实现5个不同程度的Miller循环，选用5种不同进气门升程曲线，相对原始气门关闭时刻的延迟曲轴角度分别为5°、10°、15°、20°、25°，相应的进气门开启（IVO,Intake Valve Opening）以及进气门关闭（IVC,Intake Valve Closing）时刻如表4所示，气门升程曲线如图3所示。

  

图1 ZS1115单缸柴油机Fig.1 ZS1115 single cylinder diesel engine

 

表1 发动机部分结构参数Tab.1 Structure parameters of engine

  

参数名称 数值缸径/mm 115缩比 17标定功率/kW 10.6排量/L 0.815连杆长度/mm 185

1.2 模型参数标定与验证

GT-power软件的计算公式并不能完整地描述发动机的工作过程，由热力学状态方程以及动量方程计算出的输出扭矩、燃油消耗率以及排放数据不能与实验测得的数据完全一致，需要基于实验数据标定模型参数使模型具有足够的预测精度。基于实验结果标定仿真模型，在1 600r/min和2 200r/min转速下实验及仿真数据分别如表2、表3所示。

  

图2 单缸柴油机的GT-Power仿真模型Fig.2 GT-Power model for a single cylinder diesel

 

表2 1 600r/min转速下实验与仿真数据对比表Tab.2 Comparison of experiment data and simulation data at 1 600r/min

  

名称 扭矩/(N·m)燃油消耗率/(g/kW·h)NOx排放量/ppm Soot排放量/(mg/m3)实验值 74.54 247.08 639.80 58.74仿真值 74.74 246.34 647.03 58.23误差值/% 0.26 0.30 1.12 0.88

 

表3 2 200r/min转速下实验与仿真数据对比表Tab.3 Comparison of experiment data and simulation data at 2 200r/min

  

名称 扭矩/(N·m)燃油消耗率/(g/kW·h)NOx排放量/10-6 Soot排放量/(mg/m3)实验值 68.11 257.78 692.18 83.35仿真值 69.04 254.25 693.38 83.34误差值/% 1.36 1.37 0.17 0.01

如图1所示，本文基于某型单缸柴油机研究Miller循环对单缸柴油机综合性能的影响特性。该型单缸柴油机结构参数如表1所示。

基于思维品质培养的提问能激发学生的思维，引导他们学认新语言知识；训练学生的思维，引导学生理解文本并会运用知识分析问题和解决问题；拓展学生的思维，引发学生对文本内涵或其反映的问题进行批判性思考，表达自己的意见和看法。问题以学生为中心，遵循学生的认知规律以及学习需求，引导学生对文本内涵进行批判性思考，激发学生探讨问题的主动性，以怀疑和好奇的态度学习文本和深度思考，促进学生的思维在原有基础上进一步发展。

2 结果与讨论

2.1 Miller循环实现

GT-power是一款一维发动机仿真软件，虽不能准确地预测发动机尾气排放，但还是可以定性预测某个转速下的参数对发动机性能的影响趋势。根据农用柴油机的使用特点以及本身特性，本文以该柴油机最大扭矩点转速（1 600r/min）和额定功率转速（2 200r/min）为例，通过GTPower研究进气门关闭延迟角度变化来研究Miller循环对柴油机综合性能的影响。建立的原型单缸柴油机的GT-Power仿真模型如图2。利用柴油机实验排放数据标定1 600r/min和2 200r/min转速下NOx以及Soot排放预测模型参数，使排放预测具有足够的精度。

 

表4 气门开启和关闭正时Tab.4 Timings for valve opening and closure

  

简称 延迟角度 /°CA IVO/°CA IVC/°CA M0 0 348 578 M5 5 348 583 M10 10 348 588 M15 15 348 593 M20 20 348 598 M25 25 348 603

  

图3 气门升程-曲轴角度图Fig.3 Valve lift - crank angle diagram

2.2 Miller正时对柴油机燃烧性能的影响

兰州生物医药产业基地基础较好，优势凸显，但核心区空间约束严重，扩展区小园区大产业模式相对薄弱，西部药谷尚在起步，产业链薄弱环节明显，整个产业链外向性欠缺。因此，促进产业空间整合，培育产业链各环节的核心竞争力，必然能够在很大程度上突破科研、技术、工艺、服务等方面的弱势，推动生物医药产业基地的高效持续发展。当然，因为无法获取全部企业的发展大数据，产业链内部如何有效实现功能互补和优势重组，还需要全面、深入地调研和进一步分析。

为了确保DSC报警系统全天候的工作,从应急通信的层面为海上的救助提供坚强的保障，履行国家赋予海岸电台的重要职责，对海岸电台的供电系统重新的规划改造成为必要，主要是彻底完善发信台的应急供电系统，达到万无一失。设计构想是配套两个应急电源供电，当一个电源发生故障时，另外一个电源不应同时受到损坏。为了保证系统正常运行，设计的方案是在发信台保留原来的柴油发电机等供配电设备，增加配置UPS，具体配置见表1。

  

图4 进气门延迟关闭角对燃烧起点的影响Fig.4 Effects of intake valve closure timings on combustion start-points

图8是进气门关闭时刻和燃油消耗率的关系图。由图8知，转速为1 600r/min和2 200r/min时，燃油消耗率都随着进气门延迟关闭角度增大而增大，虽然转速为2 200r/min时有细微的减小，但几乎可以忽略不计。主要原因是随着进气门关闭延迟，有效压缩比减小。进气质量的减少，燃烧恶化，降低了燃烧效率，滞燃期增加，爆发压力下降，增大了燃油消耗率。

图4为不同进气门关闭时刻与发动机燃烧起点的关系曲线。由图4知，当转速为1 600r/min时，燃烧起点随着进气门关闭延迟角度的增大而推迟；当转速为2 200r/min时，燃烧起点随着进气门关闭延迟角度的增大而先提前后推迟，且在进气门关闭延迟5 °CA时最靠前，此时燃烧起始点为-4.16 °CA。这是因为低转速时，随着进气门关闭延迟角度的增大，缸内进气质量减小，使缸内燃油混合更不均匀，缸内喷油时刻的缸内气体平均温度和压力也会逐渐降低，滞燃期加长，所以缸内燃烧始点会逐渐推迟且缸内最高平均温度以及压力都会有所降低。当转速较高时，进气气体本身惯性增大，细微增加缸内进气质量，抑制缸内混合气的燃烧恶化，故在刚开始增加推迟角时可能反而会促进缸内完全燃烧，但因柴油机滞燃期的延迟，其促进燃烧作用几乎可忽略不计。图5、图6分别为进气门关闭延迟角与缸内最高平均温度以及压力的关系曲线。

  

图5 进气门关闭延迟角度-缸内最高平均温度Fig.5 Effects of intake valve closure timings on peak in-cylinder average temperature

  

图6 进气门关闭延迟角度-扭矩Fig.6 Intake valve closing delay angle and torque

  

图7 进气门关闭延迟角度-进气质量Fig.7 Intake valve closing delay angle - air quality

2.3 Miller正时对发动机经济性的影响

图6为不同的进气门关闭角度与扭矩的关系曲线图。由图可知，当转速为1 600r/min时，发动机输出扭矩随着进气门关闭延迟角而减小，在进气门关闭角度为25 °CA时，输出扭矩降低了1.65%。在转速为2 200r/min时，输出扭矩随着进气门关闭角的延迟先增大后减小且变化幅度基本可以忽略不计。这主要由三种原因造成：（1）进气质量的变化对柴油机的缸内燃油混合起着关键作用；（2）滞燃期；（3）有效压缩比的变化。原型单缸柴油机在下止点后38 °CA才关闭，属于一款进气门关闭较晚的发动机。进气门关闭时刻活塞正从下止点往上止点行驶，在低转速时，进气气体惯性较小。随着进气门关闭延迟角度的增加，有效压缩比减小，越来越多的新鲜空气被活塞挤出气缸，缸内新鲜进气量会有所减少，缸内燃烧恶化。喷油时刻对应的缸内混合气平均温度和平均压力均逐渐降低，缸内燃烧滞燃期增加。当转速较高时，进气气体惯性增大，相对于低转速被活塞挤出的新鲜气体质量减少，甚至在小幅度增大进气门关闭延迟角度时增加缸内进气质量。但随着进气门关闭角度超过某一定值时，发动机的性能变化趋势与发动机在低转速下的变化趋势一样。此外，有效压缩比的减小也会降低整个内燃机的燃烧效率。不同进气门关闭角度对内燃机缸内新鲜空气质量的关系曲线如图7所示。

  

图8 进气门关闭延迟角度-燃油消耗率Fig.8 Intake valve closing delay angle and fuel consumption rate

2.4 Miller正时对发动机尾气排放的影响

图9为不同进气门关闭时刻与NOx排放量的关系曲线图。由图9知，当转速为1 600r/min时，NOx排放随着进气门关闭延迟角度的增大快速下降。当转速为2 200r/min时，NOx排放随着进气门关闭延迟角度的增大先有微弱上升，在延迟5 ℃A时NOx排放达到最大值，之后NOx排放随着进气门关闭延迟角增大而下降。在低转速时，缸内最高温度和新鲜空气质量随着进气门关闭延迟角度的增加逐渐减小，抑制NOx的生长。在高转速时，进气门关闭延迟角度较小时，缸内进气质量反而增加，促进燃烧并增加了NOx生成量，但增加幅度较小。随着延迟关闭角度的进一步增大，缸内进气质量和有效压缩比逐渐减小，峰值燃烧温度下降,NOx生成量逐渐下降。

  

图9 进气门延迟关闭角度-NOx排放关系图Fig.9 Intake valve closing delay angle -NOx emission diagram

图10是不同进气门关闭时刻与Soot排放量的关系曲线图。当转速为1 600r/min时，Soot排放随着进气门关闭延迟角度的增大呈幂级增长。当转速为2 200r/min时，Soot排放随着进气门关闭延迟角度的增大先有细微下降，在延迟5 ℃A时Soot排放达到最小值，之后又开始上升。这主要因为在低转速时，随着进气门关闭延迟角度的增大，缸内净的进气量减少，燃油和空气混合更加不均匀，燃烧效率下降，Soot增加；而在高转速时，随着进气门关闭延迟角的增加，缸内净进气量先有微量增加后缓慢下降，缸内混合气均匀度和燃烧效率先有微弱改善然后开始下降，所以Soot先微弱下降后逐渐增加，但比低转速下的增长速度慢。

  

图10 进气门关闭延迟角度-Soot排放关系图Fig.10 Intake valve closing delay angle -Soot emission diagram

综合对比Miller循环对柴油机综合性能的影响发现，当进气门关闭延迟角度为5 ℃A时，1 600r/min转速下NOx有明显下降且下降率达到10.56%，但输出扭矩有所减少，Soot排放和燃油消耗率有所增加，且Soot排放的增长率超过27.9%。所以本文综合考虑农用单缸柴油机的动力性能、燃油经济性、NOx和Soot排放，且考虑到农用柴油机大多工作转速不高，确定最佳的进气门关闭延迟角为5 °。

3 结论

基于建立的原型单缸柴油机的GT-Power仿真模型，本章基于GT-Power仿真模型深入研究了Miller循环开展对发动机综合性能影响的机理，主要结论有：

（1）整体而言，随着进气门关闭时刻的推迟，扭矩和燃油经济性有所下降，NOx排放快速下降，Soot排放逐渐增长，但不同转速下情况有较小差异。

（2）综合考虑农用单缸柴油机的综合性能需求和大部分工作与低转速的特点，确定适合农用单缸柴油机的最佳进气门关闭延迟角为5 °。

（3）在2200r/min转速时，NOx和燃油消耗率有所上升，Soot排放和扭矩有所下降，但变化幅度都不大。

参考文献

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[2]刘鑫,魏胜利,冷先银,等.米勒循环模式的柴油机性能及NOx排放的数值研究[J].广西大学学报:自然科学版,2015(2):397-404.

[3]袁文华,何爽,田江平,等.大功率中速米勒循环柴油机NO_x排放特性数值模拟[J].中南大学学报:自然科学版,2014(1):84-90.

[4]孙秀英,姜斌.小型柴油机降低排放性能的试验研究[J].农业装备与车辆工程,2012,50(1):61-63.

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[6]Tavakoli S,Jazayeri S A,Fathi M,et al.Miller cycle application to improve lean burn gas engine performance[J].Energy,2016,109:190-200.