米勒循環(huán)介紹及對(duì)某船用中速發(fā)動(dòng)機(jī)的影響研究

0 引言

近年來(lái)，全球環(huán)境持續(xù)惡化，NOx年排放量對(duì)自然環(huán)境以及人們生存環(huán)境造成了巨大的影響，其中內(nèi)燃機(jī)作為NOx的排放污染源之一，其排放逐漸引起人們的重視。20世紀(jì)90年代，我國(guó)就已經(jīng)開始進(jìn)行排放方面的控制工作，先后頒布了關(guān)于內(nèi)燃機(jī)怠速污染物、煙度等參數(shù)的一系列法規(guī)。在2008年10月，國(guó)際海事組織海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)MEPC(Marine Environment Protection Committee)正式通過了MARPOL公約73/78附則Ⅵ的修正案，定義了包括3個(gè)級(jí)別的IMO船用柴油機(jī)排放法規(guī)體系，分別為TierⅠ階段(當(dāng)時(shí)正在執(zhí)行的附則Ⅵ)、TierⅡ階段(2011年已全球?qū)嵤?和Tier Ⅲ階段(2016年已在排放控制區(qū)實(shí)施)標(biāo)準(zhǔn)。隨著排放法規(guī)日益嚴(yán)格，柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展也逐漸向提高熱效率和降低NOx排放這兩個(gè)方向上靠攏。對(duì)排放特性來(lái)說(shuō)，燃料和空氣的混合以及燃燒過程至關(guān)重要，一方面，需要合理組織氣流運(yùn)動(dòng)，另一方面，需要優(yōu)化匹配燃燒介質(zhì)的霧化。

降低NOx排放的相關(guān)技術(shù)和相關(guān)研究在近年來(lái)取得了非常大的進(jìn)展，按對(duì)柴油機(jī)是否進(jìn)行改制，一般分為機(jī)內(nèi)排放措施和機(jī)外排放措施。機(jī)外排放措施一般是在柴油機(jī)排氣管后附加NOx的后處理裝置(SCR)，價(jià)格比較昂貴，且需要占用很大的排氣管布置面積，在柴油機(jī)數(shù)量較多的船上尤其布置困難，因此機(jī)內(nèi)凈化措施研究的方向相對(duì)較多。目前提出的機(jī)內(nèi)排放措施，主要從NOx的生成條件入手，通過降低燃燒溫度來(lái)減少NOx的生成，主要采用高壓共軌、進(jìn)氣加濕、噴油提前角減小、摻水燃燒、缸內(nèi)均質(zhì)預(yù)混合燃燒、低溫燃燒、米勒循環(huán)等技術(shù)。其中減小噴油提前角，在一定范圍內(nèi)可以減少NOx生成，但會(huì)造成碳煙增加、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降等弊端；柴油機(jī)摻水燃燒，對(duì)于降低油耗、排溫、減少NOx及碳煙濃度都有較好的效果，但燃油摻水后，不可避免的會(huì)加劇滑油變質(zhì)，同時(shí)使燃燒室內(nèi)部分零部件生銹；其他的有關(guān)加水的方法，比如缸內(nèi)噴水、進(jìn)氣道加濕等也同樣會(huì)造成上述問題。而米勒循環(huán)僅需要優(yōu)化凸輪型線即可，無(wú)需對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行較大改動(dòng)，同時(shí)也不會(huì)惡化燃燒，反而在一定程度上提升了經(jīng)濟(jì)性，以上諸多優(yōu)點(diǎn)逐漸使米勒循環(huán)措施受到廣大學(xué)者和柴油機(jī)制造商的青睞。

1 米勒循環(huán)的提出

1882年，英國(guó)工程師James Atkinson發(fā)明阿特金森循環(huán)，將曲柄擺桿四連桿機(jī)構(gòu)和活塞連桿連接，實(shí)現(xiàn)了一種低壓縮比和高膨脹比的循環(huán)，區(qū)別于常規(guī)的壓縮比等于膨脹比的循環(huán)，增加出來(lái)膨脹行程使燃燒工質(zhì)進(jìn)一步膨脹，從而使熱效率得到提升。1947年，美國(guó)的科學(xué)工作者R.H.Miller首次發(fā)表了米勒循環(huán)這一概念，不再采用阿特金森循環(huán)非常復(fù)雜的曲柄擺桿四連桿機(jī)構(gòu)，通過對(duì)阿特金森循環(huán)理論的研究，對(duì)基于奧托循環(huán)理論的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，從而誕生了米勒循環(huán)。由于阿特金森循環(huán)和米勒循環(huán)在本質(zhì)上都是通過提高膨脹比使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高，因此兩者經(jīng)常被統(tǒng)稱為米勒循環(huán)。

2 米勒循環(huán)的原理

米勒循環(huán)柴油機(jī)通過調(diào)節(jié)配氣相位(主要分為提前關(guān)閉進(jìn)氣門和延遲關(guān)閉進(jìn)氣門兩種)，使得柴油機(jī)的實(shí)際工作循環(huán)和常規(guī)的循環(huán)相比發(fā)生了改變。其中提前關(guān)閉進(jìn)氣門的循環(huán)又稱狹義上的米勒循環(huán)，延遲關(guān)閉進(jìn)氣門的循環(huán)又稱阿特金森循環(huán)，二者都屬于米勒循環(huán)系統(tǒng)。如圖1所示。

課本里的文字段落都是經(jīng)過作者、編者精心安排，每一段都有它的作用。在引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)某些句段特殊用法的時(shí)候，可以讓學(xué)生試著刪除課文某一段落，看看有什么變化。

米勒循環(huán)柴油機(jī)的進(jìn)氣門關(guān)閉角提前到下止點(diǎn)之前，當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉后，缸內(nèi)工質(zhì)的進(jìn)一步膨脹以及壓縮過程的初始階段基本上可看作低溫等熵過程，膨脹比大于有效壓縮比，工質(zhì)進(jìn)一步膨脹后，相對(duì)較少的消耗功提高了柴油機(jī)的熱效率。同時(shí)，缸內(nèi)工質(zhì)經(jīng)過額外的膨脹后冷卻，缸內(nèi)燃燒的壓力和溫度降低。同時(shí)，進(jìn)氣門早關(guān)減少了空氣量，因而需要增壓系統(tǒng)進(jìn)行配合，如果沒有增壓系統(tǒng)，新鮮空氣壓力較低，進(jìn)氣門早關(guān)后進(jìn)氣量減少，噴油前缸內(nèi)湍流強(qiáng)度較弱，不利于油氣混合和后續(xù)的充分燃燒。

韓指導(dǎo)員走過來(lái),親切地說(shuō):“大家請(qǐng)稍息吧。我叫韓經(jīng)泰,是咱們七連的指導(dǎo)員。我是江蘇人,畢業(yè)于中國(guó)人民解放軍海軍學(xué)院……”

如圖2所示，為理想奧托循環(huán)、阿特金森循環(huán)和米勒循環(huán)P-V圖和T-S圖。其中理想奧托循環(huán)為1-2-3-4O-1，阿特金森循環(huán)為1-2-3-4A-1，米勒循環(huán)為1-2-3-4M-1。

常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)，又稱理想奧托循環(huán)，是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作的基本循環(huán)，奧托循環(huán)的一個(gè)工作周期由吸氣、壓縮、膨脹做功和排氣四個(gè)沖程構(gòu)成，四個(gè)沖程的活塞行程都保持一致，是定容加熱的理想熱力循環(huán)。壓縮比是壓縮行程中活塞運(yùn)行至下止點(diǎn)的氣缸容積與活塞在上止點(diǎn)時(shí)的氣缸容積比值，而膨脹比是指在膨脹做功沖程結(jié)束時(shí)氣缸容積與膨脹做功沖程開始時(shí)的氣缸容積的比值。奧托循環(huán)中膨脹比等于壓縮比，如圖3所示。在做功結(jié)束后，缸內(nèi)壓力比大氣壓力高得多，說(shuō)明介質(zhì)燃燒后放出的能量對(duì)活塞做功結(jié)束后部分熱量流失，沒有被充分利用，從而浪費(fèi)了較多的能量，熱效率較低。

而阿特金森循環(huán)在做功沖程結(jié)束后，膨脹到4A點(diǎn)，這時(shí)候缸內(nèi)壓力和大氣壓力基本相同，說(shuō)明介質(zhì)燃燒后放出的能量基本可以完全轉(zhuǎn)化為曲軸的機(jī)械功，因此熱效率比常規(guī)的理想奧托循環(huán)要高。米勒循環(huán)和阿特金森循環(huán)雖然進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻不同，但都能實(shí)現(xiàn)過膨脹循環(huán)，即膨脹比都大于壓縮比，如圖4所示。

權(quán)值矩陣W中連接權(quán)重wii′表示像素間空間和光譜測(cè)度的相關(guān)性，wii′≠ 0表明像素i與i′間存在某種程度的相似關(guān)系，反之，兩者無(wú)關(guān).設(shè)wii′=Eii′sii′，當(dāng)像素i與i′不連接(Eii′=0)時(shí)，連接權(quán)重wii′=0，當(dāng)像素i與i′相連(Eii′=1)時(shí)，連接權(quán)重wii′=sii′，其中，sii′為像素i與i′間光譜測(cè)度的相似度，滿足對(duì)稱性si′i=sii′，并定義為，

然而在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和使用過程中，介質(zhì)燃燒后在燃燒室膨脹做功結(jié)束后，缸內(nèi)壓力等于大氣壓力不一定有利。首先，膨脹比大會(huì)導(dǎo)致膨脹沖程加長(zhǎng)，這樣活塞與氣缸套壁間的摩擦增大，摩擦損失增加，加長(zhǎng)的沖程會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的高度，從而增加重量；其次，介質(zhì)在燃燒室燃燒，膨脹做功結(jié)束后，如果缸內(nèi)壓力和大氣壓力如果基本相等，則無(wú)法形成壓力差，排氣門開啟后基本無(wú)法進(jìn)行自由排氣，這樣排氣損失反而會(huì)增大，這導(dǎo)致阿特金森循環(huán)的理論熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)會(huì)低的多。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際熱力循環(huán)會(huì)接近米勒循環(huán)。盡管做功結(jié)束后缸內(nèi)壓力4M點(diǎn)的壓力高于大氣壓力，但是米勒循環(huán)比奧托循環(huán)輸出功多了1-4O-4M-5-1所圍成的面積。

3 米勒循環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 米勒循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)

按上述原理，一方面，米勒循環(huán)可以提升柴油機(jī)的熱效率。對(duì)于非米勒循環(huán)的柴油機(jī)，壓縮比和膨脹比相等。而具有米勒循環(huán)配置的柴油機(jī)，可以通過控制進(jìn)氣門的關(guān)閉時(shí)刻可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的實(shí)際壓縮比小于理論壓縮比，即實(shí)際壓縮比小于膨脹比，這樣膨脹行程增加，燃燒的氣體可以繼續(xù)膨脹做功產(chǎn)生能量。因此柴油機(jī)的熱效率更高，油耗更低，經(jīng)濟(jì)性更佳。

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首先是低速工況下輸出扭矩較小，柴油機(jī)響應(yīng)較慢。米勒循環(huán)柴油機(jī)在低速工況下，進(jìn)氣充量相比常規(guī)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)減小，進(jìn)氣流量對(duì)應(yīng)慣性也減小，缸內(nèi)實(shí)際進(jìn)氣量減少，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出低速扭矩小，不能滿足船用柴油機(jī)低速條件下的合排工況以及加速性要求。實(shí)際使用中，為保證足夠的進(jìn)氣充量，可以采用壓比較大的增壓系統(tǒng)滿足低速的進(jìn)氣量需求。

3.2 米勒循環(huán)的缺點(diǎn)

其次是高速工況下運(yùn)行能力較差。米勒循環(huán)柴油機(jī)幾何壓縮比一般比常規(guī)循環(huán)大，缸徑?jīng)_程比相對(duì)更小，較長(zhǎng)的膨脹行程雖然能夠提高熱效率，進(jìn)而提升經(jīng)濟(jì)性，但活塞的往復(fù)慣性力更大，這樣轉(zhuǎn)速無(wú)法升的太高，加速能力受限。

不同的是米勒循環(huán)膨脹做功過程結(jié)束后，缸內(nèi)壓力依然大于大氣壓力，所以米勒循環(huán)理論上循環(huán)熱效率低于阿特金森循環(huán)。圖1中5-4M-4A-5為阿特金森循環(huán)比米勒循環(huán)多做的功。如圖5所示為奧托循環(huán)和米勒循環(huán)的實(shí)際對(duì)比圖。

另一方面，米勒循環(huán)使NOx排放下降。由于膨脹行程增加，做功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能量增加，減少了熱量的散發(fā)，因此缸內(nèi)溫度更低。而NOx的產(chǎn)生環(huán)境為高溫和富氧，因此缸內(nèi)溫度降低有利于減少NOx產(chǎn)生。同時(shí)燃燒工質(zhì)的膨脹體積增大，缸內(nèi)的燃燒壓力也會(huì)相應(yīng)降低，對(duì)柴油機(jī)的平穩(wěn)工作、減少爆燃的發(fā)生也有裨益。

米勒循環(huán)柴油機(jī)雖然能夠擁有高熱效率，低NOx排放，但也有很多不足之處。

4 米勒循環(huán)在某船用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用案例

由圖6，進(jìn)氣門延遲30°CA關(guān)閉后，發(fā)動(dòng)機(jī)排溫基本一致，油耗率降低了5-7g/kWh。

該系統(tǒng)涉及多個(gè)部門使用，可用于地震應(yīng)急評(píng)估信息、地震應(yīng)急專題圖件、地震綜合國(guó)情信息的推送與查看，系統(tǒng)為C/S架構(gòu)，由移動(dòng)端設(shè)備、應(yīng)急信息發(fā)布服務(wù)器、PC操縱端組成，采用安卓系統(tǒng)作為地震應(yīng)急信息推送和展示的前端設(shè)備，配合PC端地震應(yīng)急信息上傳完成地震應(yīng)急信息推送與發(fā)布。

阿特金森循環(huán)柴油機(jī)的進(jìn)氣門關(guān)閉角比傳統(tǒng)循環(huán)關(guān)閉時(shí)刻更延遲，使進(jìn)氣時(shí)間延長(zhǎng)，氣門重疊角增大，通過進(jìn)氣道進(jìn)入燃燒室的一部分氣體從排氣門排出，這樣膨脹行程加長(zhǎng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的做功行程加大，發(fā)動(dòng)機(jī)的做功量進(jìn)而加大，能夠明顯的改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。但是，這時(shí)候如果有增壓系統(tǒng)，進(jìn)氣壓力相對(duì)較大，這時(shí)候進(jìn)氣門晚關(guān)會(huì)導(dǎo)致大量的新鮮空氣流失，從而使效率下降。因此米勒循環(huán)適用于增壓機(jī)型，而阿特金森循環(huán)在自然吸氣的機(jī)型上應(yīng)用較多。在船用的大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)上多為增壓機(jī)型，因此米勒循環(huán)得到普遍的應(yīng)用。

試驗(yàn)過程中其他零件，比如活塞、燃油系統(tǒng)、增壓器等均未改變，測(cè)量?jī)煞N進(jìn)氣門關(guān)閉角下的發(fā)動(dòng)機(jī)排溫(°C)、油耗率(g/kWh)來(lái)判斷米勒循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的影響(見圖6)，測(cè)量實(shí)際進(jìn)氣量(kg/h)和NOx的濃度(ppm)來(lái)判斷米勒循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響(見圖7)。

在某大缸徑中速船用發(fā)動(dòng)機(jī)上，嘗試使用延遲進(jìn)氣門關(guān)閉的米勒循環(huán)方式優(yōu)化D2排放循環(huán)，將該發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門關(guān)閉角由原來(lái)的556°CA改至586°CA，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，研究米勒循環(huán)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的優(yōu)化趨勢(shì)。該發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1。

10月25日，福布斯發(fā)布了最新的2018福布斯中國(guó)400富豪榜。馬云自2014年以來(lái)首次回歸榜首，但財(cái)富比一年前縮水40億美元。

由圖7，進(jìn)氣門延遲30°CA關(guān)閉后，發(fā)動(dòng)機(jī)各工況進(jìn)氣量基本一致，但實(shí)測(cè)的NOx的濃度下降明顯，實(shí)際計(jì)算出的各工況點(diǎn)的NOx比排放量(g/kWh)見圖8。

由圖8，進(jìn)氣門延遲30°CA關(guān)閉后，各工況的NOx比排放量下降明顯，最終按各工況比例計(jì)算得到的NOx綜合比排放量由原機(jī)的11.02g/kWh下降至8.59g/kWh,較原機(jī)相比下降了22%，最終滿足TierⅡ的要求。

由此可見，米勒循環(huán)可以在保持排溫等性能參數(shù)不嚴(yán)重惡化的前提下，經(jīng)濟(jì)性得到優(yōu)化，同時(shí)排放水平得到提高。

5 結(jié)論

米勒循環(huán)通過控制柴油機(jī)的配氣相位，改變了柴油機(jī)的工作循環(huán)，其中提前關(guān)閉進(jìn)氣門的循環(huán)稱為狹義上的米勒循環(huán)，推遲關(guān)閉進(jìn)氣門的循環(huán)為廣義上的米勒循環(huán)，又稱阿特金森循環(huán)。

對(duì)于設(shè)置除鐵除錳濾池的地下水廠和氨氮輕度污染的地下水原水而言，鐵、錳的存在會(huì)影響對(duì)氨氮的去除［5］，因此處理工藝需根據(jù)地下水水質(zhì)特點(diǎn)及主要的水質(zhì)問題進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，從而得到合理有效的方案。

米勒循環(huán)的膨脹比大于壓縮比，降低了缸內(nèi)的燃燒溫度，從而最終提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低了NOx的生成，是提高經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)化排放的成本較低的手段，但在船用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，由于有低速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和帶動(dòng)螺旋槳的齒輪箱有合排工況，以及低速時(shí)的其他突加負(fù)荷需求，米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通常表現(xiàn)不佳，可以通過增加增壓器壓比以及適當(dāng)在低速段通過增壓空氣補(bǔ)氣的方式進(jìn)行優(yōu)化。綜合而言，米勒循環(huán)是一種比較經(jīng)濟(jì)且有效的排放升級(jí)措施，也可以和其他機(jī)內(nèi)凈化方式(比如EGR等)聯(lián)合使用，以達(dá)到最佳的降排效果。

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