Miller循環汽油機稀薄燃燒及排放特性分析

尹愛勇，黃昭明 ， 王 利，沈 凱，陳偉國

（1. 銅陵職業技術學院 機械工程系，銅陵 244000，中國；2. 皖江工學院 機械工程學院，馬鞍山 243031，中國；3. 上海理工大學 機械工程學院，上海 200093，中國；4.奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程技術研發總院，蕪湖241006，中國）

節能減排已成為了汽車工業發展的必然趨勢，發動機“適型化”是目前最有前途的用來改善油耗及滿足排放法規的方法之一[1-3]。為進一步降低燃油消耗，大量新技術的應用，允許汽油機壓縮比逐漸提升，更多的爆震抑制手段使得汽油機有效熱效率向40%以上邁進。在此基礎上，高膨脹比循環、汽油機廢氣再循環（exhaust gas recirculation, EGR）技術和稀薄燃燒技術由于對爆震有抑制作用及具有良好的經濟性成為了近年來國內外研究的熱點[4-6]。

進氣門關閉 (inlet valve closed, IVC)和排氣門開啟(exhaust valve open, EVO)的相位對發動機性能有顯著影響，與進氣門晚關的Atkinson循環一樣，進氣門早關（early intake valve close, EIVC）的Miller循環的膨脹比超過壓縮比，但不同于Atkinson循環的是Miller循環可以通過增壓技術在提高內燃機效率的同時而不損失功率輸出[7]。國內外對Miller循環的研究有較多報道，除了對Miller循環本身的運行模式進行了詳細分析之外，還將多種先進的發動機技術，如可變噴嘴環渦輪增壓技術（variable nozzle turbocharging, VNT）、均質充量壓縮自燃技術、缸內缸壓多次直噴等進行技術組合研究[8-10]，為汽油發動機的深度節能減排打下了良好的基礎。

發動機再循環廢氣（EGR）含有大量的3原子分子，再次參與缸內燃燒可以降低燃燒室溫度，從而降低污染物NOx的排放[11]，此外發動機缸內燃燒溫度的降低可以有效降低終端混合氣的溫度，防止其自燃而引起爆震，因此采用EGR方式的發動機可以采用更為激進的點火提前角，優化燃燒相位從而提升發動機的熱效率。FENG Dengquan等[12]研究顯示，使用大比例低溫EGR后稀釋缸內組分，汽油機對高壓縮比的容忍度可進一步增強。B. Grandin等[13-15]將渦輪增壓與EGR技術相結合，發現EGR技術在提高平均有效壓力 （break mean effective pressure, BMEP）或壓縮比（compression ratio，CR）的同時，能有效地抑制爆震。SU Jianye等[16-18]研究了EGR對發動機熱效率的影響，結果表明：冷卻后的EGR對發動機熱效率的影響與發動機壓縮比從9.3升高到10.9的熱效率相當。此外，與EGR以廢氣作為稀釋氣不同，稀薄燃燒技術利用空氣作為稀釋氣，通過提升做功工質的絕熱指數，從理論循環的角度改善熱效率，被認為是提高發動機熱效率的有效途徑之一，同時有助于改善發動機的顆粒物排放[19]。較稀的混合氣有利于實現更充分的燃燒，降低泵氣損失和缸壁傳熱損失，從而提高整體的有效熱效率水平[20]。

為進一步明晰稀薄燃燒技術對Miller循環汽油機燃燒及排放的影響規律，本研究針對稀薄燃燒模式在不同Miller效應情況下燃燒及排放特性進行對比分析，同時搭建透明缸套的單缸發動機臺架測試系統，采用缸內火焰高速成像技術進行了相關試驗研究，進一步明晰了稀薄燃燒模式對缸內燃燒過程的影響規律及作用機理，為高效、低排放點燃式發動機的研究與開發提供基本的試驗及理論指導。

1 試驗裝置和試驗條件

1.1 試驗用發動機和測控系統

研究中采用1臺匹配35 MPa高壓供油系統的四缸直噴渦輪增壓汽油發動機，發動機控制邊界參數均采用INCA進行在線調控，采用的發動機測控系統主要由AVL 電力測功機、HORIBA 7400DEGR排氣分析儀、AVL 489顆粒物數量分析儀、AVL Indicom燃燒分析儀、AVL 735s油耗儀、Kistler 6052c缸壓傳感器、Kistler 6124B光電編碼器、高效空氣過濾器等組成。圖1為試驗臺架示意。

圖1 發動機試驗臺架及測試系統

為探明發動機燃燒控制系統參數對燃燒發生、發展過程和氣體及顆粒污染物生成的影響機理，試驗中搭建了1臺裝配高壓燃油直噴噴射系統的透明單缸發動機，利用發動機進氣溫度、進氣壓力及流量可控單元實現發動機四缸機的增壓過程模擬再現，同時采用發動機可控編程時序單元實現噴油正時、噴射流量以及點火正時的精確控制。四缸發動機與單缸透明發動機主要參數如表1所示。

表1 四缸發動機和單缸透明發動機主要參數

1.2 發動機光學測控平臺

研究中采用的單缸透明發動機測控系統主要包括透明發動機、AVL PUMA瞬態測功機、AVL 515進氣模擬增壓系統、AVL 577油水恒溫控制單元及時序控制單元等系統組件。采用奇石樂 6054型壓電晶體缸壓傳感器采集缸內爆發壓力，采用AVL 365C型角標儀為四缸機與單缸機提供初始時序控制信號，利用AVL Indicom系統對基于曲軸轉角的缸內爆發壓力數據采樣，分辨率為曲柄轉角（crank angle, CA）0.5°，每個運行工況點取70個循環平均值。

試驗中采用相機對缸內火焰傳播過程圖像進行高速攝影（圖2）。試驗中以單缸機透明玻璃缸套為中心，從多角度、多方位布置8盞根據發動機曲軸轉角（CA）時序信號控制的頻閃LED燈，可通過PWM信號調制控制LED的亮度與頻閃時間，保證缸內高速攝影的高質量、高清晰度。高速相機為日本Photron High Speed Star Z系列CMOS相機，采樣速度為2萬幀/s，達到了試驗研究的精度需求。

圖2 單缸機試驗臺架示意圖

1.3 數據分析方法與研究方案

試驗中保持發動機潤滑油溫度及冷卻液體溫度設定在88 ℃，分別以燃料總量10%燃燒完成對應的曲軸轉角CA和燃料總量90%燃燒完成對應的曲軸轉角CA為燃燒始點(CA10)與燃燒終點(CA90)。本文選取實際駕駛循環中常用的典型工況點2 750 r/min，平均有效壓力（BMEP）為1.1 MPa進行試驗研究，不同狀態下噴油時刻保持不變，點火時刻設置為最大制動扭矩正時（maximum brake torque timing，MBT）。對于透明單缸發動機，受限于石英玻璃缸套的耐久性與可靠性，無法長時間在較高負荷工況下穩定運轉，試驗中選取2 000 r/min，平均指示壓力（indicated mean efftive pressure，IMEP）約為0.35 MPa進行對比研究。

2 試驗結果及分析

2.1 不同EIVC下汽油機稀薄燃燒的影響

對于直噴式汽油機，通過采用進氣門提前關閉的方式實現Miller循環燃燒過程，在幾何壓縮比不變的情況下降低有效壓縮比，有效改善爆震傾向，同時保持相同的膨脹比，強化混合氣做功能力，進而改善燃燒過程，提升燃燒熱效率。為明確進氣門提前關閉所帶來的Miller效應對直噴汽油機稀薄燃燒過程的影響，研究中選取3種不同凸輪包角大小的進氣凸輪軸方案，對比不同進氣門關閉相位（IVC）對稀薄燃燒過程的影響。為保證試驗結果的可比性，試驗中保持3種凸輪軸方案的進氣門開啟時刻（IVO）不變，進氣凸輪包角越小代表進氣門關閉時刻越提前，相應Miller效應逐步增強，即Miller效應由強到弱依次為：IVC CA 70° BBDC (before bottom of dead center，下止點前 )＞IVC CA 50° BBDC＞IVC CA 33° BBDC。強Miller效應下，進氣門關閉時刻提前量較大，發動機有效壓縮比相對較低。不同凸輪方案所對應的配氣相位如圖3所示。

圖3 不同凸輪軸方案配氣相位示意圖

圖4展示了化學計量空燃比燃燒模式下不同效應的燃燒示功圖。由圖中可以看出，相同負荷工況條件下，Miller效應增強，缸壓峰值有所降低。其主要原因在于強Miller效應下，進氣門提前關閉，缸內工質在活塞繼續下行過程中經歷近似絕熱膨脹過程，且不存在質量傳遞，活塞經過下止點后上行至氣門關閉時刻缸內壓力水平時，開始近似的絕熱壓縮過程，對應的有效壓縮比降低，缸壓峰值降低。為保證循環內相同指示功水平，強Miller效應進氣壓力有所升高，試驗所選負荷工況條件下，IVC CA 33° BBDC較IVC CA 70°BBDC進氣壓力提升約11%，泵氣損失進一步降低約27%。表明Miller效應的增強，需要增壓壓力的提升，以保證同等的做功能力。

圖4 不同Miller效應下燃燒過程示功圖

為進一步研究不同Miller效應下汽油機燃油消耗的變化規律，試驗中針對不同過量空氣系數（λ）協同不同Miller效應條件下有效燃油消耗率（brake specific fuel consumption，BSFC）進行對比分析，如圖5所示。

圖5 進氣Miller效應對汽油機稀燃油耗率的影響

由圖可知，汽油機通過增大λ，提高缸內工質比熱比，提高理論熱效率水平，可有效降低燃油消耗率，且在一定范圍內存在油耗率最低值；繼續增大λ后油耗率均有所升高，但不同Miller效應條件下，隨λ增大，油耗率變化程度存在明顯差異。對比不同Miller效應條件下有效燃油消耗率隨λ的變化規律可以發現，對于弱Miller效應情況，λ為1.55時，相比于當量燃燒模式有效燃油消耗率降低約7%；對于強Miller效應情況，當λ為1.35時，油耗率達到最低值，此時較當量燃燒模式油耗率降低僅為3%，λ進一步增大，油耗率顯著升高。主要原因在于，過度增大λ會導致缸內局部空間混合氣過稀，部分過稀混合氣達到汽油燃料著火稀限，不利于火焰的進一步傳播，導致燃燒循環變動增大，做功能力有所下降，油耗率升高。此時，為保證相當的做功能力，需要提高進氣壓力，但在稀薄燃燒模式下，發動機運行所需的進氣量相比當量燃燒模式顯著升高，此時進一步提高進氣壓力受限于增壓系統的增壓能力，因此，導致強Miller效應情況下空燃比擴展能力受到限制，稀燃對油耗率的改善程度減小。

不同Miller效應情況下稀薄燃燒過程燃燒特征參數對比如圖6所示，可以看出，稀薄燃燒模式下滯燃期（SA-CA05）及燃燒持續期（CA10-90）均明顯增加。隨λ增大，一方面，缸內進氣壓力升高，使得點火前火花塞電極間工質密度增大，電極間隙工質擊穿難度增大，出現個別循環點火困難，引起滯燃期延長；另一方面，當火花塞電極間隙擊穿后，由于局部空間流速相對較低，火焰發展趨向于層流火焰方式傳播，過高的λ會使得初始火核周圍混合氣中氧化劑占比提高，可燃成分等還原劑占比降低，火焰傳播速率降低，并在部分循環火焰發展初期出現局部失火導致滯燃期相應延長。同時，對于強Miller效應情況，通過減小進氣凸輪包角使進氣門關閉時刻提前，為保證配氣機構合理的運動學特性，使得進氣門升程減小，進氣過程工質流動慣性減弱，導致缸內滾流比降低，湍動能減弱，點火后湍流火焰傳播速度減緩，燃燒持續期延長。此外，從圖6中還可以看出，試驗所選負荷工況下，對于不同Miller效應情況，λ增加初期，滯燃期與燃燒持續期均存在一定的線性相關關系，近似可以認為滯燃期每延長1°，10% ～ 90%燃燒持續期對應延長 1°。隨λ進一步增大，燃燒持續期的延長幅度開始小于滯燃期的延長幅度，且強Miller效應情況下變化趨勢更為明顯。表明稀薄燃燒模式下，隨λ升高，工質稀釋對滯燃期的影響逐漸占主導作用，有必要對點火及燃燒初期階段進行進一步優化控制。

圖6 稀薄燃燒模式下燃燒特征參數對比

為保證對NOx、CO及HC較高的催化轉化效率，傳統三效催化轉換器（three-way catalyst，TWC）需要汽油機工作在當量燃燒模式下，稀薄燃燒模式下由于缸內燃燒過程為過量氧燃燒，排氣中含有大量未參與燃燒反應的氧氣組分，仍具有較高的氧化性，不利于TWC中對NOx的還原過程。圖7對比了不同Miller效應情況下機外原始排放污染物隨λ的變化趨勢。從圖7中可以看出，隨著λ開始升高，由于缸內富氧的作用，NOx排放量先升高，但λ進一步升高后，由于缸內燃燒溫度下降，NOx排放量降低，對于IVC CA 33°BBDC，λ達到1.65后相比當量燃燒模式下NOx排放降低約96%。對比不同Miller效應情況下NOx排放量可以看出，強Miller效應情況下，λ增加不大時，NOx排放相對較低。當λ＞1.3后，不同Miller效應燃燒后NOx排放情況基本相當，表明λ增加較小情況下，NOx排放主要受缸內局部火焰燃燒溫度的影響，隨空燃比繼續增大，缸內整體燃燒溫度下降，不同Miller效應情況下NOx排放差異逐漸縮小。

圖7 稀薄燃燒模式下氣態污染物排放對比

對比CO及THC排放情況可知，稀燃模式下，當發動機未出現明顯失火時，THC排放整體趨于穩定，λ對THC的影響不明顯。由于CO受氧含量的變化更為敏感，使得隨λ增大，CO排放顯著降低。

2.2 稀燃與EGR協同作用對油耗率的影響

由于參與再循環燃燒的廢氣中含有大量CO2及H2O等高比熱容組分和惰性N2，當隨新鮮充量引入缸內后，使得燃燒過程氧分壓降低，抑制燃燒化學反應速率，可有效改善汽油機爆震傾向，當與Miller效應協同應用時，能夠允許發動機采用更大的幾何壓縮比，有助于進一步提高發動機燃燒熱效率水平。本文為進一步評價Miller循環汽油機EGR對稀薄燃燒的影響程度，通過改變進氣引入再循環廢氣量，并結合λ調整，試驗研究了EGR協同稀薄燃燒對Miller循環汽油機燃油消耗率的影響。

由圖8不同λ及EGR率對有效燃油消耗率 （BSFC）的影響關系中可以看出：增大EGR率及提高λ均可以有效降低燃油消耗率，且當量燃燒模式下EGR率為14%與稀薄燃燒模式下λ= 1.35對油耗率的貢獻程度相當。當保持EGR率14%不變，結合稀薄燃燒，使λ達到1.27時相比當量燃燒模式下油耗率降低可達7.5%。當降低EGR率至7%左右，同時λ達到1.45附近時，可實現相同的油耗率降幅。

圖8 EGR與稀薄燃燒對油耗率的影響

圖9是EGR率結合稀薄燃燒對燃燒相位 （CA50°）的作用對比。可以看出，EGR與稀薄燃燒對油耗率的改善機理存在一定差異。當量燃燒模式下，EGR的引入有助于抑制化學反應速率，降低爆震傾向，使得燃燒相位有所提前，缸內工質做功能力改善。但是，在稀薄燃燒模式下，隨空燃比增大，燃燒相位變化不大，缸內工質絕熱指數升高，理論循環熱效率提升，油耗率降低。

圖9 EGR協同稀薄燃燒對燃燒相位的影響對比

2.3 稀薄燃燒模式下缸內燃燒可視化分析

為進一步明晰稀薄燃燒對缸內燃燒過程的影響機理，研究中利用透明發動機對缸內燃燒過程進行可視化分析。圖10為不同λ下，透明發動機50個循環缸內平均壓力及缸壓峰值統計對比。由圖10可知：過度增大λ會導致燃燒循環變動增大，缸壓峰值離散度增大。

圖10 稀燃模式下透明發動機缸內平均壓力及缸壓峰值統計對比

圖11中呈現了不同λ條件下透明發動機缸內燃燒過程，其中SA（spark angle）代表點火角。由圖11中的對比結果可以看出，由于稀薄燃燒模式化學反應速率受抑制，為保證燃燒穩定性，隨λ增大點火角相應提前。同時，稀混合氣條件下，自火花塞跳火至形成可見的初期火焰區域所需要的時間明顯延長，表明稀燃模式下增大λ會使滯燃期明顯延長。對比不同λ下缸內火焰發展情況可知，初期火核形成后，稀燃過量空氣系數同樣對火焰面的擴展產生影響，當λ達到1.6時，即使在火花塞跳火后CA 15°，缸內仍難以觀察到明顯的湍流火焰面的形成。而對于當量燃燒模式，火花塞跳火后CA 3°即形成穩定的初期火核，隨后火焰面繼續向缸內周圍空間進行拓展。

圖11 不同λ條件下透明發動機缸內燃燒過程對比

3 結 論

本文針對稀薄燃燒過程對增壓Miller循環直噴汽油機燃燒及排放的影響進行了試驗研究，分析了稀薄燃燒協同廢氣再循環（EGR）對汽油機油耗率的影響規律，同時利用燃燒可視化的研究手段對稀薄燃燒缸內燃燒過程進行深入分析。研究結果表明：稀燃模式下，燃油消耗率能夠明顯降低。同時Miller效應也能有效降低燃油消耗率。主要結論如下：

1） Miller效應增強，缸壓峰值有所降低，為保證循環內相同指示功水平，強Miller效應進氣壓力有所升高，試驗所選負荷工況條件下，進氣門關閉時刻由CA 33°BBDC提前至CA 70°BBDC，進氣壓力提升約11%，泵氣損失進一步降低約27%。

2） 試驗所選負荷工況，通過采用稀薄燃燒模式可有效降低燃油消耗率，當λ= 1.55時，油耗率降低約7%，繼續增大λ油耗率均有所升高。

3） 對于強Miller效應情況，為保證相當的做功能力，需要提高進氣壓力，但在稀薄燃燒模式下，發動機運行所需的進氣量相比當量燃燒模式顯著升高，此時進一步提高進氣壓力受限于增壓系統的增壓能力，因此導致強Miller效應情況下空燃比擴展能力受到限制，稀燃對油耗率的改善程度減小。

4） 稀薄燃燒模式下，λ增加初期，滯燃期與燃燒持續期均存在一定的線性相關關系，近似可以認為滯燃期每延長CA 1°，10% ～ 90%燃燒持續期對應延長CA 1°。隨λ進一步增大，滯燃期的延長幅度逐漸小于燃燒持續期的延長幅度。

5） 增大EGR率及提高λ均可以有效降低燃油消耗率，且當量燃燒模式下EGR率為14%與稀薄燃燒模式下λ= 1.35對油耗率的貢獻程度相當。當保持EGR率14%不變，結合稀薄燃燒，使λ達到1.27時，相比當量燃燒模式下油耗率降低可達7.5%。