米勒循环船用低速柴油机燃烧与排放试验研究
  
作者：   出处：中国船舶与海洋工程网信息中心   分类：船舶工程
   发布时间：2012/4/21 14:59:50

摘要:本文选择米勒热力循环和传统热力循环低速柴油机，根据实测气缸压力，对比分析不同热力循环柴油机缸内燃烧过程，揭示其对柴油机性能参数和有害排放物生成的影响规律，为低排放柴油机开发提供支持。关键词：米勒循环，船用低速柴油机，燃烧，性能，排放

1.引言

米勒(Miller)循环通过改变气门正时来使有效膨胀过程大于有效压缩过程，使有效压缩比减小，降低压缩终点时缸内温度和压力，从而抑制NOx排放的生成[1]。对于船用中高速柴油机，往往是通过进气门早关（EIVC）和进气门晚关（LIVC）[2]实现Miller循环，对于低速二冲程柴油机，通过排气阀晚关来实现[3]。

本文选择A型7S60MCC柴油机(传统热力循环)和B型7S60MCC柴油机(米勒热力循环)，由实测气缸压力，计算缸内燃烧放热率、气体温度、压力升高率以及累计放热率，对比分析不同热力循环7S60MCC柴油机缸内燃烧过程，揭示其对柴油机性能参数和有害排放物生成的影响规律，为低排放柴油机开发提供支持。

2 柴油机基本参数及数据处理方法

表1给出了A、B型7S60MCC柴油机基本参数。由表所示，B型7S60MCC柴油机应用米勒热力循环，其排气凸轮提前角与A型的差别很大，同时可以看到，不同负荷下实测的扫气压力，米勒循环柴油机较高。为满足性能需求，米勒循环柴油机几何压缩比较大。

试验中，气缸压力由PMI装置采集所得，压力数据为每10个循环的平均值，压力基线由实测扫气压力进行校准。

表1 柴油机基本参数

3.计算结果与分析

3.1 燃烧过程分析

图1比较了传统型和米勒循环7S60MCC柴油机25%负荷下缸内压力、燃烧放热率、缸内平均温度以及累积放热率。从图1(a)可以看到，压缩初始时刻，米勒循环柴油机气缸压力较高，这是由于扫起压力高的原因(实测数据：A型和B型7S60MCC柴油机分别为1.39bar、1.46bar)。缩着活塞的压缩上行，米勒循环柴油机气缸压力渐渐低于传统热力循环柴油机，这主要由于米勒循环柴油机排气阀关闭推迟所致，另一方面，应用米勒循环后缸内气体状态变化导致扫气阶段缸内外气体压差也发生了变化。由图可见，上死点时刻，传统型和米勒循环柴油机气缸压力分别为50.3bar、45.7bar。米勒循环柴油机爆发压力低，其有利于降低NOx排放。

图1 7S60MCC柴油机25%负荷下缸内燃烧过程分析

由图1(b) 燃烧放热率知，米勒循环柴油机缸内燃烧初始时刻推后，预混合燃烧峰值大幅度下降，燃烧过程更趋平缓，这有利于NOx排放的降低。

由图1(c)知，预混合燃烧峰值下降导致压力升高率峰值下降，这会使燃烧更趋柔和，从而降低, 柴油机燃烧噪声。

由图1(d) 缸内平均温度知，上止点时米勒循环柴油机缸内气体温度比传统柴油机的低51K，这导致缸内最高燃烧温度的下降，有利于降低NOx排放。

由图1(e) 累计放热率知，米勒循环柴油机燃烧过程略为拖后，导致其燃油消耗率会有所升高。

图2比较了传统型和米勒循环7S60MCC柴油机100%负荷下缸内压力、燃烧放热率、缸内平均温度以及累积放热率。同图2比较类似，米勒循环柴油机压缩压力与爆发压力较低，燃烧放热率峰值下降，燃烧过程拖后，缸内燃烧温度下降，这有利于NOx排放的下降。

图2 7S60MCC柴油机100%负荷下缸内燃烧过程分析

3.2 性能分析

图3、4分别比较了传统型和米勒循环7S60MCC柴油机推进特性下涡前排温和燃油消耗率。由图3知，米勒循环柴油机涡前排温较高，这主要是由于燃烧过程拖后所致(参加图1、2)，也导致了燃油消耗率的上升，这从图4可看到。

3.3 排放特性分析

图5、6分别比较了传统型和米勒循环7S60MCC柴油机推进特性下压缩上止点缸内气体温度和NOx排放。由图5知，米勒循环柴油机压缩上止点缸内气体温度较低，25%负荷尤为明显，这造成整个热力循环燃烧温度的下降，从而降低NOx排放生成，这从图6可以明显看到。由图6(b) 知，对应25%、50%、75%、100%主机负荷，以每千瓦时所产生的NOx排放质量计，米勒循环柴油机NOx排放较传统柴油机分别下降19.1%、23.3%、14.3%、7.3%。

4.结论

1）与传统热力循环比较而言，米勒循环低速柴油机压缩上止点缸内气体温度及最高燃烧平均温度低，燃烧放热率峰值和压力升高率低，燃烧过程更趋柔和，其有利于减小燃烧噪声。

2）米勒循环柴油机燃烧过程略微拖后，导致涡前排温和燃油消耗率较高。

3）低速柴油机采用米勒热力循环，压缩上止点缸内气体温度下降明显，这是引起NOx排放下降的主要原因。

图6 NOx排放