基于米勒循環(huán)的排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于米勒循環(huán)的排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)方法，通過凸輪型線設(shè)計使柴油機進氣門在活塞上行途中關(guān)閉，將氣缸內(nèi)部分氣體推入進氣管，實現(xiàn)柴油機進氣門遲閉式米勒循環(huán)工作過程；采用雙峰排氣凸輪，使排氣門在柴油機進氣行程中再開啟一次；在缸內(nèi)外壓力差的作用下，將已經(jīng)排入排氣管的廢氣，重新吸入氣缸，進行機內(nèi)廢氣再循環(huán)。本發(fā)明首次將LIVC米勒循環(huán)與EVRO-IEGR技術(shù)相結(jié)合，與傳統(tǒng)柴油機狄塞爾循環(huán)下的IEGR技術(shù)相比，具有降低絕熱壓縮后的缸內(nèi)氣體溫度的特性，有助于改善缸內(nèi)高溫環(huán)境，削弱NOx生成，起到單一IEGR技術(shù)所不能及的NOx減排效果。
【專利說明】基于米勒循環(huán)的排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于米勒循環(huán)的排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)方法，是一種將 排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)技術(shù)植入柴油機米勒循環(huán)工作過程的柴油機NOx減排 方法，屬于柴油機減排【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 諸多柴油機機內(nèi)外凈化技術(shù)的理論及應(yīng)用研究表明，廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR)是降 低氮氧化物（NOx)排放物有效措施之一。
[0003] EGR減排機理是通過往氣缸內(nèi)摻入一定比例的已燃廢氣，實現(xiàn)降低缸內(nèi)氣體的氧 氣濃度；通過已燃廢氣對缸內(nèi)氣體總熱容的增加作用，實現(xiàn)降低最高燃燒溫度的目的。發(fā)動 機氣缸內(nèi)含氧量和溫度的降低，使易于在高溫、富氧條件下生成的NOx得到抑制。
[0004] EGR分為外部和內(nèi)部兩種方式。目前的外部廢氣再循環(huán)（EEGR)技術(shù)關(guān)鍵是將經(jīng)發(fā) 動機外部冷卻后的廢氣重新送入氣缸內(nèi)與新鮮空氣混合，可同時具有降低再循環(huán)廢氣溫度 和缸內(nèi)氧氣濃度的作用；目前的內(nèi)部廢氣再循環(huán)（IEGR)技術(shù)是使部分廢氣在機內(nèi)循環(huán)，因 廢氣未經(jīng)強制冷卻，再循環(huán)過程仍保持著高溫狀態(tài)，致使IEGR減排效能無法達到EEGR的效 能。但IEGR以實施成本低，無需增加額外占位空間，工作可靠性高等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。
[0005] 傳統(tǒng)的柴油機IEGR技術(shù)，是一種在柴油機狄塞爾循環(huán)下進行的單一 IEGR技術(shù)。由 于無法降低缸內(nèi)的溫度，對NOx生成的抑制程度有限，使IEGR減排效果無法達到最大程度 的發(fā)揮。
[0006] 改善IEGR缸內(nèi)溫度，提升效能成為IEGR技術(shù)研究的新課題。米勒循環(huán)概念最早 由美國工程師Ralph Miller于二十世紀四十年代提出，但由于當(dāng)時增壓器增壓比的局限性 導(dǎo)致該技術(shù)未能得到廣泛的應(yīng)用。近年來隨著高增壓比增壓器的問世，使米勒循環(huán)又重新 進入了人們的視線，Jorge J. G. Martins、Krisztina Uzuneanu等諸多學(xué)者在熱力學(xué)理論研 究上均驗證了米勒循環(huán)具有降低缸內(nèi)溫度的功效。但基于米勒循環(huán)的機內(nèi)廢氣再循環(huán)，用 于解決傳統(tǒng)IEGR技術(shù)缸內(nèi)溫度過高的問題，目前仍未見相關(guān)報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明公開了一種基于米勒循環(huán)的排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)方法，用于 解決傳統(tǒng)IEGR技術(shù)缸內(nèi)溫度過高的難題。與EEGR技術(shù)相比，其可以應(yīng)用于多種復(fù)雜工況， 適用性更廣，成本更低，同時能達到較好的減排效能；與傳統(tǒng)狄塞爾循環(huán)下的IEGR技術(shù)相 t匕，該技術(shù)通過實現(xiàn)IEGR與米勒循環(huán)的配氣相位組合,經(jīng)由米勒循環(huán)所帶來的機內(nèi)降溫效 果，能夠有效提升IEGR的NOx減排效能。
[0008] 本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
[0009] 基于米勒循環(huán)的排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)方法，是一種將排氣門二次開 啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)技術(shù)植入柴油機米勒循環(huán)工作過程的柴油機NOx減排方法；通過凸輪 型線設(shè)計使柴油機進氣門在活塞上行途中關(guān)閉，將氣缸內(nèi)部分氣體推入進氣管，實現(xiàn)柴油 機進氣門遲閉式米勒循環(huán)工作過程；采用雙峰排氣凸輪，使排氣門在柴油機進氣行程中再 開啟一次；依靠缸內(nèi)外壓力差的作用，將已經(jīng)排入排氣管的廢氣，被重新吸入氣缸，進行機 內(nèi)廢氣再循環(huán)；其特征在于包括以下技術(shù)方案：
[0010] (A)將排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)方法植入到柴油機米勒循環(huán)工作過程 中；
[0011] (B)通過對進氣凸輪氣門關(guān)閉相位設(shè)置，使柴油機進氣門在活塞上行途中關(guān)閉， 將氣缸內(nèi)部分氣體被推入進氣管，實現(xiàn)柴油機進氣門遲閉式米勒循環(huán)工作過程；
[0012] (C)進行米勒循環(huán)LIVC相位與噴油正時匹配組合；
[0013] (D)甄選出NOx排放量數(shù)值最低的米勒循環(huán)LIVC相位及噴油正時組合方案。
[0014] 其中（A)中所述是指在柴油機遵循米勒循環(huán)工作的過程中，同時進行排氣門二次 開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)。
[0015] 其中（B)中所述的氣門關(guān)閉相位設(shè)置，是根據(jù)柴油機每循環(huán)最低進氣量的要求， 在LIVC 70°?100°C A范圍區(qū)間內(nèi)，以6°C A為間隔，設(shè)定不同LIVC相位的配氣方案。
[0016] 其中（C)中所述的米勒循環(huán)LIVC相位與噴油正時匹配組合，是針對LIVC 70°? 100°C A區(qū)間內(nèi)，不同LIVC相位的配氣方案，以上止點前2°?7°C A為噴油正時設(shè)計范圍， 以燃燒率峰值與原機相同為基準(zhǔn)，得到各LIVC相位與給定范圍內(nèi)噴油正時的最佳匹配方 案。
[0017] 其中（D)中所述的甄選是針對優(yōu)選出的各組相位與噴油正時組合方案，再以滿足 動力性及燃油經(jīng)濟性損失低于8%為條件，甄選出NOx排放量數(shù)值最低的米勒循環(huán)LIVC相 位及噴油正時組合方案。
[0018] 所述的排氣門二次開啟式廢氣再循環(huán)技術(shù)，本 申請人:已申請發(fā)明專利。（發(fā)明 名稱：一種具有柴油機廢氣再循環(huán)功能的雙峰凸輪設(shè)計方法申請日=20130827,申請?zhí)枺?201310379446. 5)
[0019] 本發(fā)明首次將LIVC米勒循環(huán)與EVR0-IEGR技術(shù)相結(jié)合，采用本發(fā)明的柴油機，能 夠?qū)崿F(xiàn)基于米勒循環(huán)的柴油機IEGR技術(shù)，解決傳統(tǒng)IEGR技術(shù)缸內(nèi)溫度過高的難題。與EEGR 技術(shù)相比，其可以應(yīng)用于多種復(fù)雜工況，適用性更廣，成本更低，同時能達到較好的減排效 能；與傳統(tǒng)狄塞爾循環(huán)下的IEGR技術(shù)相比，具有降低絕熱壓縮后的缸內(nèi)氣體溫度的特性， 有助于改善缸內(nèi)高溫環(huán)境，削弱NOx生成，起到單一 IEGR技術(shù)所不能及的NOx減排效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是排氣門二次開啟式IEGR配合LIVC米勒循環(huán)配氣相位圖；
[0021] 圖2是雙峰排氣凸輪結(jié)構(gòu)圖；
[0022] 圖3是排氣門二次開啟式IEGR過程示意圖；
[0023] 圖4是狄塞爾循環(huán)與米勒循環(huán)T-V圖；
[0024] 圖5是EVR0-IEGR排氣門開啟相位圖；
[0025] 圖6是LIVC相位對進氣量和功率的影響圖；
[0026] 圖7是噴油正時對燃燒率和缸內(nèi)最高溫度影響圖；
[0027] (a) LIVC 76〇C A, (b)LIVC 88〇C A, (c) LIVC 100°C A
[0028] 圖8是缸內(nèi)最高溫度、NOx排放對比圖；
[0029] 圖9是動力性、經(jīng)濟性能對比圖。
[0030] 圖中：0#:原機，1#:狄塞爾循環(huán)EVR0,2#、3#、4# :分別為不同LIVC米勒循環(huán)EVR0。

【具體實施方式】
[0031] 本發(fā)明的核心是對目標(biāo)機型進排氣相位重新設(shè)計，以實現(xiàn)將排氣門二次開啟式機 內(nèi)廢氣再循環(huán)技術(shù)植入柴油機米勒循環(huán)工作過程，并進行燃燒優(yōu)化。下面結(jié)合實例附圖來 詳細說明本發(fā)明提出的具體結(jié)構(gòu)及使用情況，但本實施例不能用于限制本發(fā)明，凡是采用 本發(fā)明的相似方法及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護范圍。
[0032] 本發(fā)明配氣相位圖如圖1所示，以此實現(xiàn)排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)技術(shù) 植入柴油機米勒循環(huán)工作過程。
[0033] 排氣門二次開啟（EVRO)的機內(nèi)廢氣再循環(huán)（IEGR)技術(shù)，是在傳統(tǒng)排氣凸輪上增 設(shè)一副凸輪，形成如圖2所示的雙峰排氣凸輪結(jié)構(gòu)。在進氣行程中，依靠雙峰凸輪使排氣門 在一個工作循環(huán)里第二次開啟；依靠氣缸內(nèi)外壓力差的作用，將已經(jīng)排入排氣管的廢氣，重 新吸入氣缸形成IEGR，廢氣再循環(huán)過程如圖3所示。
[0034] 米勒循環(huán)是通過配氣相位的設(shè)定，使實際壓縮比小于膨脹比的一種內(nèi)燃機熱力 循環(huán)形式。與傳統(tǒng)柴油機狄塞爾循環(huán)不同，本發(fā)明通過在活塞上行途中滯后關(guān)閉進氣門 (LIVC)的方法，將缸內(nèi)部分氣體推入進氣管，直到進氣門關(guān)閉后才真正開始壓縮過程，使實 際壓縮比變小，由此降低了絕熱壓縮后缸內(nèi)氣體的溫度，起到降低缸內(nèi)溫度的作用。與狄 塞爾循環(huán)相比，米勒循環(huán)具有降低絕熱壓縮后的缸內(nèi)氣體溫度的特性，可使IEGR氣體燃燒 初始溫度較高狀況得到一定程度緩解，有助于改善缸內(nèi)高溫環(huán)境，削弱NOx生成，起到單一 IEGR技術(shù)所不能及的NOx減排效果。
[0035] 圖4為米勒循環(huán)與狄塞爾循環(huán)的T-V圖，圖中abcdefa為米勒循環(huán)，ac' d' e' f' a 為狄塞爾循環(huán)，進氣溫度為T1。米勒循環(huán)的壓縮行程分為等溫非壓縮段ab和絕熱壓縮段 be ;由于氣門晚關(guān)，米勒循環(huán)從b點才開始實行真正意義上的絕熱壓縮；較之經(jīng)歷ac'絕熱 壓縮行程的狄塞爾循環(huán)，其絕熱壓縮終了的缸內(nèi)溫度T 2低于狄塞爾循環(huán)壓縮終了 T3 ;最終 導(dǎo)致缸內(nèi)最高溫度T4低于狄塞爾循環(huán)T5。因而采用米勒循環(huán)能夠有效降低壓縮終點及缸 內(nèi)最高溫度。
[0036] 以某柴油機為例，通過對目標(biāo)機型排、進氣凸輪的重新設(shè)計，噴油正時重新設(shè)計， 實現(xiàn)本發(fā)明的既定工作過程，【具體實施方式】如下：
[0037] (A)在柴油機米勒循環(huán)工作過程中實現(xiàn)排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)技術(shù)： 通過排氣凸輪的設(shè)計實現(xiàn)EVR0,其相位如圖5所示，在排氣凸輪上增設(shè)一副凸輪，在曲軸轉(zhuǎn) 角410°C A時（根據(jù)排氣門開啟最大位置與排氣管內(nèi)壓力波峰相對應(yīng)設(shè)置開啟角）實現(xiàn)排 氣門小幅開啟并持續(xù)ll〇°C A，副凸輪升程為2. 1_。
[0038] (B)實現(xiàn)米勒循環(huán)的進氣門關(guān)閉（LIVC)相位設(shè)置方法：由于米勒循環(huán)對柴油機 進氣量與缸內(nèi)溫度有直接影響，因此，進氣門晚關(guān)（LIVC)相位設(shè)置是本發(fā)明成功設(shè)計的關(guān) 鍵。
[0039] 進行米勒循環(huán)LIVC相位對進氣量和功率影響分析。由圖6可見，當(dāng)LIVC大于 70°C A時，缸內(nèi)空氣通過仍開啟的進氣門回流進氣道，使進氣量開始下降，出現(xiàn)壓縮比減小 的典型米勒循環(huán)特征；在進氣量減少的同時，伴隨著柴油機功率下降。根據(jù)柴油機每循環(huán)最 低進氣量的要求，在70°?100°C A之間確定具體LIVC相位值。以6°C A為間隔，設(shè)定六組 不同 LIVC 相位的配氣方案：LIVC70°C A、LIVC76°C A、LIVC82°C A、LIVC88°C A、LIVC94°C A 和 LIVCIOO。。A。
[0040] (C)米勒循環(huán)Live相位與噴油正時匹配組合方法：米勒循環(huán)所產(chǎn)生的壓縮上止 點溫度降低作用，使缸內(nèi)工質(zhì)燃燒初始條件發(fā)生變化。分別取LIVC70°C A、LIVC76°C A、 LIVC82°C A、LIVC88°C A、LIVC94°C A 和 LIVC100°C A 六組相位，研究上止點前（BTDC) 2° ? 7°C A噴油正時對燃燒率及缸內(nèi)最高溫度的影響規(guī)律，尋找與LIVC相位相適應(yīng)的噴油正 時。由圖7所示，隨著噴油提前角減小，滯燃期縮短，燃燒率峰值及缸內(nèi)最高溫度隨之降低。 通過對進氣晚關(guān)相位與噴油正時的匹配研究，以原機燃燒率峰值與原機相同為基準(zhǔn)，得到 LIVC76°C A 與 BTDC6°C A、LIVC88°C A 與 BTDC5°C A、LIVC100°C A 與 BTDC3°C A 匹配時，燃燒 率峰值相同于原機數(shù)值〇. 17/CA，表明在這種相位與噴油正時組合下，缸內(nèi)燃燒狀況可達到 原機燃燒優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。
[0041] (D)發(fā)動機整機性能分析：針對優(yōu)先選取的幾組相位與噴油正時組合方案，進行 發(fā)動機整機性能分析。如表1所示，由上述步驟所得三組本發(fā)明配氣方案，以及原機和狄塞 爾循環(huán)下EVR0-IEGR配氣方案，共計五組方案，進行柴油機性能分析。綜合比較本發(fā)明的優(yōu) 化效果，以及優(yōu)選出最終方案。
[0042] 表1 :不同方案設(shè)置參數(shù)
[0043]

【權(quán)利要求】
1. 基于米勒循環(huán)的排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)方法，是一種將排氣門二次開啟 式機內(nèi)廢氣再循環(huán)技術(shù)植入柴油機米勒循環(huán)工作過程的柴油機NOx減排方法；通過凸輪型 線設(shè)計使柴油機進氣門在活塞上行途中關(guān)閉，將氣缸內(nèi)部分氣體推入進氣管，實現(xiàn)柴油機 進氣門遲閉式米勒循環(huán)工作過程；采用雙峰排氣凸輪，使排氣門在柴油機進氣行程中再開 啟一次；在缸內(nèi)外壓力差的作用下，將已經(jīng)排入排氣管的廢氣，被重新吸入氣缸，實現(xiàn)機內(nèi) 廢氣再循環(huán)；其特征在于包括以下技術(shù)方案： (A) 將排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)方法植入到柴油機米勒循環(huán)工作過程中； (B) 通過對進氣凸輪氣門關(guān)閉相位設(shè)置，使柴油機進氣門在活塞上行途中關(guān)閉，將氣 缸內(nèi)部分氣體被推入進氣管，實現(xiàn)柴油機進氣門遲閉式米勒循環(huán)工作過程； (C) 進行米勒循環(huán)LIVC相位與噴油正時匹配組合； (D) 甄選出NOx排放量數(shù)值最低的米勒循環(huán)LIVC相位及噴油正時組合方案。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米勒循環(huán)的排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)方法，其 特征在于：(A)中所述是指在柴油機遵循米勒循環(huán)工作的過程中，同時進行排氣門二次開 啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米勒循環(huán)的排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)方法， 其特征在于：(B)中所述的氣門關(guān)閉相位設(shè)置，是根據(jù)柴油機每循環(huán)最低進氣量的要求，在 LIVC 70°?100°C A范圍區(qū)間內(nèi)，以6°C A為間隔，設(shè)定不同LIVC相位的配氣方案。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米勒循環(huán)的排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)方法， 其特征在于：（C)中所述的米勒循環(huán)LIVC相位與噴油正時匹配組合，是針對LIVC 70°? 100°C A區(qū)間內(nèi)，不同LIVC相位的配氣方案，以上止點前2°?7°C A為噴油正時設(shè)計范圍， 以燃燒率峰值與原機相同為基準(zhǔn)，得到各LIVC相位與給定范圍內(nèi)噴油正時的最佳匹配方 案。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于米勒循環(huán)的排氣門二次開啟式機內(nèi)廢氣再循環(huán)方法，其 特征在于：(D)中所述的甄選是針對優(yōu)選出的各組相位與噴油正時組合方案，再以滿足動 力性及燃油經(jīng)濟性損失低于8%為條件，甄選出NOx排放量數(shù)值最低的米勒循環(huán)LIVC相位 及噴油正時組合方案。
【文檔編號】F02B47/08GK104329162SQ201410489961
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】褚超美, 洪佳駿, 王成潤, 申震 申請人:上海理工大學(xué)