基于米勒循环的排气门二次开启式机内废气再循环方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于米勒循环的排气门二次开启式机内废气再循环方法，通过凸轮型线设计使柴油机进气门在活塞上行途中关闭，将气缸内部分气体推入进气管，实现柴油机进气门迟闭式米勒循环工作过程；采用双峰排气凸轮，使排气门在柴油机进气行程中再开启一次；在缸内外压力差的作用下，将已经排入排气管的废气，重新吸入气缸，进行机内废气再循环。本发明首次将LIVC米勒循环与EVRO-IEGR技术相结合，与传统柴油机狄塞尔循环下的IEGR技术相比，具有降低绝热压缩后的缸内气体温度的特性，有助于改善缸内高温环境，削弱NOx生成，起到单一IEGR技术所不能及的NOx减排效果。
【专利说明】基于米勒循环的排气门二次开启式机内废气再循环方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于米勒循环的排气门二次开启式机内废气再循环方法，是一种将 排气门二次开启式机内废气再循环技术植入柴油机米勒循环工作过程的柴油机NOx减排 方法，属于柴油机减排【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 诸多柴油机机内外净化技术的理论及应用研究表明，废气再循环技术（EGR)是降 低氮氧化物（NOx)排放物有效措施之一。
[0003] EGR减排机理是通过往气缸内掺入一定比例的已燃废气，实现降低缸内气体的氧 气浓度；通过已燃废气对缸内气体总热容的增加作用，实现降低最高燃烧温度的目的。发动 机气缸内含氧量和温度的降低，使易于在高温、富氧条件下生成的NOx得到抑制。
[0004] EGR分为外部和内部两种方式。目前的外部废气再循环（EEGR)技术关键是将经发 动机外部冷却后的废气重新送入气缸内与新鲜空气混合，可同时具有降低再循环废气温度 和缸内氧气浓度的作用；目前的内部废气再循环（IEGR)技术是使部分废气在机内循环，因 废气未经强制冷却，再循环过程仍保持着高温状态，致使IEGR减排效能无法达到EEGR的效 能。但IEGR以实施成本低，无需增加额外占位空间，工作可靠性高等优点得到广泛应用。
[0005] 传统的柴油机IEGR技术，是一种在柴油机狄塞尔循环下进行的单一 IEGR技术。由 于无法降低缸内的温度，对NOx生成的抑制程度有限，使IEGR减排效果无法达到最大程度 的发挥。
[0006] 改善IEGR缸内温度，提升效能成为IEGR技术研究的新课题。米勒循环概念最早 由美国工程师Ralph Miller于二十世纪四十年代提出，但由于当时增压器增压比的局限性 导致该技术未能得到广泛的应用。近年来随着高增压比增压器的问世，使米勒循环又重新 进入了人们的视线，Jorge J. G. Martins、Krisztina Uzuneanu等诸多学者在热力学理论研 究上均验证了米勒循环具有降低缸内温度的功效。但基于米勒循环的机内废气再循环，用 于解决传统IEGR技术缸内温度过高的问题，目前仍未见相关报道。
【发明内容】
[0007] 本发明公开了一种基于米勒循环的排气门二次开启式机内废气再循环方法，用于 解决传统IEGR技术缸内温度过高的难题。与EEGR技术相比，其可以应用于多种复杂工况， 适用性更广，成本更低，同时能达到较好的减排效能；与传统狄塞尔循环下的IEGR技术相 t匕，该技术通过实现IEGR与米勒循环的配气相位组合,经由米勒循环所带来的机内降温效 果，能够有效提升IEGR的NOx减排效能。
[0008] 本发明技术方案是这样实现的：
[0009] 基于米勒循环的排气门二次开启式机内废气再循环方法，是一种将排气门二次开 启式机内废气再循环技术植入柴油机米勒循环工作过程的柴油机NOx减排方法；通过凸轮 型线设计使柴油机进气门在活塞上行途中关闭，将气缸内部分气体推入进气管，实现柴油 机进气门迟闭式米勒循环工作过程；采用双峰排气凸轮，使排气门在柴油机进气行程中再 开启一次；依靠缸内外压力差的作用，将已经排入排气管的废气，被重新吸入气缸，进行机 内废气再循环；其特征在于包括以下技术方案：
[0010] (A)将排气门二次开启式机内废气再循环方法植入到柴油机米勒循环工作过程 中；
[0011] (B)通过对进气凸轮气门关闭相位设置，使柴油机进气门在活塞上行途中关闭， 将气缸内部分气体被推入进气管，实现柴油机进气门迟闭式米勒循环工作过程；
[0012] (C)进行米勒循环LIVC相位与喷油正时匹配组合；
[0013] (D)甄选出NOx排放量数值最低的米勒循环LIVC相位及喷油正时组合方案。
[0014] 其中（A)中所述是指在柴油机遵循米勒循环工作的过程中，同时进行排气门二次 开启式机内废气再循环。
[0015] 其中（B)中所述的气门关闭相位设置，是根据柴油机每循环最低进气量的要求， 在LIVC 70°?100°C A范围区间内，以6°C A为间隔，设定不同LIVC相位的配气方案。
[0016] 其中（C)中所述的米勒循环LIVC相位与喷油正时匹配组合，是针对LIVC 70°? 100°C A区间内，不同LIVC相位的配气方案，以上止点前2°?7°C A为喷油正时设计范围， 以燃烧率峰值与原机相同为基准，得到各LIVC相位与给定范围内喷油正时的最佳匹配方 案。
[0017] 其中（D)中所述的甄选是针对优选出的各组相位与喷油正时组合方案，再以满足 动力性及燃油经济性损失低于8%为条件，甄选出NOx排放量数值最低的米勒循环LIVC相 位及喷油正时组合方案。
[0018] 所述的排气门二次开启式废气再循环技术，本 申请人:已申请发明专利。（发明 名称：一种具有柴油机废气再循环功能的双峰凸轮设计方法申请日=20130827,申请号： 201310379446. 5)
[0019] 本发明首次将LIVC米勒循环与EVR0-IEGR技术相结合，采用本发明的柴油机，能 够实现基于米勒循环的柴油机IEGR技术，解决传统IEGR技术缸内温度过高的难题。与EEGR 技术相比，其可以应用于多种复杂工况，适用性更广，成本更低，同时能达到较好的减排效 能；与传统狄塞尔循环下的IEGR技术相比，具有降低绝热压缩后的缸内气体温度的特性， 有助于改善缸内高温环境，削弱NOx生成，起到单一 IEGR技术所不能及的NOx减排效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是排气门二次开启式IEGR配合LIVC米勒循环配气相位图；
[0021] 图2是双峰排气凸轮结构图；
[0022] 图3是排气门二次开启式IEGR过程示意图；
[0023] 图4是狄塞尔循环与米勒循环T-V图；
[0024] 图5是EVR0-IEGR排气门开启相位图；
[0025] 图6是LIVC相位对进气量和功率的影响图；
[0026] 图7是喷油正时对燃烧率和缸内最高温度影响图；
[0027] (a) LIVC 76〇C A, (b)LIVC 88〇C A, (c) LIVC 100°C A
[0028] 图8是缸内最高温度、NOx排放对比图；
[0029] 图9是动力性、经济性能对比图。
[0030] 图中：0#:原机，1#:狄塞尔循环EVR0,2#、3#、4# :分别为不同LIVC米勒循环EVR0。
【具体实施方式】
[0031] 本发明的核心是对目标机型进排气相位重新设计，以实现将排气门二次开启式机 内废气再循环技术植入柴油机米勒循环工作过程，并进行燃烧优化。下面结合实例附图来 详细说明本发明提出的具体结构及使用情况，但本实施例不能用于限制本发明，凡是采用 本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0032] 本发明配气相位图如图1所示，以此实现排气门二次开启式机内废气再循环技术 植入柴油机米勒循环工作过程。
[0033] 排气门二次开启（EVRO)的机内废气再循环（IEGR)技术，是在传统排气凸轮上增 设一副凸轮，形成如图2所示的双峰排气凸轮结构。在进气行程中，依靠双峰凸轮使排气门 在一个工作循环里第二次开启；依靠气缸内外压力差的作用，将已经排入排气管的废气，重 新吸入气缸形成IEGR，废气再循环过程如图3所示。
[0034] 米勒循环是通过配气相位的设定，使实际压缩比小于膨胀比的一种内燃机热力 循环形式。与传统柴油机狄塞尔循环不同，本发明通过在活塞上行途中滞后关闭进气门 (LIVC)的方法，将缸内部分气体推入进气管，直到进气门关闭后才真正开始压缩过程，使实 际压缩比变小，由此降低了绝热压缩后缸内气体的温度，起到降低缸内温度的作用。与狄 塞尔循环相比，米勒循环具有降低绝热压缩后的缸内气体温度的特性，可使IEGR气体燃烧 初始温度较高状况得到一定程度缓解，有助于改善缸内高温环境，削弱NOx生成，起到单一 IEGR技术所不能及的NOx减排效果。
[0035] 图4为米勒循环与狄塞尔循环的T-V图，图中abcdefa为米勒循环，ac' d' e' f' a 为狄塞尔循环，进气温度为T1。米勒循环的压缩行程分为等温非压缩段ab和绝热压缩段 be ;由于气门晚关，米勒循环从b点才开始实行真正意义上的绝热压缩；较之经历ac'绝热 压缩行程的狄塞尔循环，其绝热压缩终了的缸内温度T 2低于狄塞尔循环压缩终了 T3 ;最终 导致缸内最高温度T4低于狄塞尔循环T5。因而采用米勒循环能够有效降低压缩终点及缸 内最高温度。
[0036] 以某柴油机为例，通过对目标机型排、进气凸轮的重新设计，喷油正时重新设计， 实现本发明的既定工作过程，【具体实施方式】如下：
[0037] (A)在柴油机米勒循环工作过程中实现排气门二次开启式机内废气再循环技术： 通过排气凸轮的设计实现EVR0,其相位如图5所示，在排气凸轮上增设一副凸轮，在曲轴转 角410°C A时（根据排气门开启最大位置与排气管内压力波峰相对应设置开启角）实现排 气门小幅开启并持续ll〇°C A，副凸轮升程为2. 1_。
[0038] (B)实现米勒循环的进气门关闭（LIVC)相位设置方法：由于米勒循环对柴油机 进气量与缸内温度有直接影响，因此，进气门晚关（LIVC)相位设置是本发明成功设计的关 键。
[0039] 进行米勒循环LIVC相位对进气量和功率影响分析。由图6可见，当LIVC大于 70°C A时，缸内空气通过仍开启的进气门回流进气道，使进气量开始下降，出现压缩比减小 的典型米勒循环特征；在进气量减少的同时，伴随着柴油机功率下降。根据柴油机每循环最 低进气量的要求，在70°?100°C A之间确定具体LIVC相位值。以6°C A为间隔，设定六组 不同 LIVC 相位的配气方案：LIVC70°C A、LIVC76°C A、LIVC82°C A、LIVC88°C A、LIVC94°C A 和 LIVCIOO。。A。
[0040] (C)米勒循环Live相位与喷油正时匹配组合方法：米勒循环所产生的压缩上止 点温度降低作用，使缸内工质燃烧初始条件发生变化。分别取LIVC70°C A、LIVC76°C A、 LIVC82°C A、LIVC88°C A、LIVC94°C A 和 LIVC100°C A 六组相位，研究上止点前（BTDC) 2° ? 7°C A喷油正时对燃烧率及缸内最高温度的影响规律，寻找与LIVC相位相适应的喷油正 时。由图7所示，随着喷油提前角减小，滞燃期缩短，燃烧率峰值及缸内最高温度随之降低。 通过对进气晚关相位与喷油正时的匹配研究，以原机燃烧率峰值与原机相同为基准，得到 LIVC76°C A 与 BTDC6°C A、LIVC88°C A 与 BTDC5°C A、LIVC100°C A 与 BTDC3°C A 匹配时，燃烧 率峰值相同于原机数值〇. 17/CA，表明在这种相位与喷油正时组合下，缸内燃烧状况可达到 原机燃烧优化标准。
[0041] (D)发动机整机性能分析：针对优先选取的几组相位与喷油正时组合方案，进行 发动机整机性能分析。如表1所示，由上述步骤所得三组本发明配气方案，以及原机和狄塞 尔循环下EVR0-IEGR配气方案，共计五组方案，进行柴油机性能分析。综合比较本发明的优 化效果，以及优选出最终方案。
[0042] 表1 :不同方案设置参数
[0043]
【权利要求】
1. 基于米勒循环的排气门二次开启式机内废气再循环方法，是一种将排气门二次开启 式机内废气再循环技术植入柴油机米勒循环工作过程的柴油机NOx减排方法；通过凸轮型 线设计使柴油机进气门在活塞上行途中关闭，将气缸内部分气体推入进气管，实现柴油机 进气门迟闭式米勒循环工作过程；采用双峰排气凸轮，使排气门在柴油机进气行程中再开 启一次；在缸内外压力差的作用下，将已经排入排气管的废气，被重新吸入气缸，实现机内 废气再循环；其特征在于包括以下技术方案： (A) 将排气门二次开启式机内废气再循环方法植入到柴油机米勒循环工作过程中； (B) 通过对进气凸轮气门关闭相位设置，使柴油机进气门在活塞上行途中关闭，将气 缸内部分气体被推入进气管，实现柴油机进气门迟闭式米勒循环工作过程； (C) 进行米勒循环LIVC相位与喷油正时匹配组合； (D) 甄选出NOx排放量数值最低的米勒循环LIVC相位及喷油正时组合方案。
2. 根据权利要求1所述的基于米勒循环的排气门二次开启式机内废气再循环方法，其 特征在于：(A)中所述是指在柴油机遵循米勒循环工作的过程中，同时进行排气门二次开 启式机内废气再循环。
3. 根据权利要求1所述的基于米勒循环的排气门二次开启式机内废气再循环方法， 其特征在于：(B)中所述的气门关闭相位设置，是根据柴油机每循环最低进气量的要求，在 LIVC 70°?100°C A范围区间内，以6°C A为间隔，设定不同LIVC相位的配气方案。
4. 根据权利要求1所述的基于米勒循环的排气门二次开启式机内废气再循环方法， 其特征在于：（C)中所述的米勒循环LIVC相位与喷油正时匹配组合，是针对LIVC 70°? 100°C A区间内，不同LIVC相位的配气方案，以上止点前2°?7°C A为喷油正时设计范围， 以燃烧率峰值与原机相同为基准，得到各LIVC相位与给定范围内喷油正时的最佳匹配方 案。
5. 根据权利要求1所述的基于米勒循环的排气门二次开启式机内废气再循环方法，其 特征在于：(D)中所述的甄选是针对优选出的各组相位与喷油正时组合方案，再以满足动 力性及燃油经济性损失低于8%为条件，甄选出NOx排放量数值最低的米勒循环LIVC相位 及喷油正时组合方案。
【文档编号】F02B47/08GK104329162SQ201410489961
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】褚超美, 洪佳骏, 王成润, 申震 申请人:上海理工大学