米勒循环介绍及对某船用中速发动机的影响研究

0 引言

近年来，全球环境持续恶化，NOx年排放量对自然环境以及人们生存环境造成了巨大的影响，其中内燃机作为NOx的排放污染源之一，其排放逐渐引起人们的重视。20世纪90年代，我国就已经开始进行排放方面的控制工作，先后颁布了关于内燃机怠速污染物、烟度等参数的一系列法规。在2008年10月，国际海事组织海洋环境保护委员会MEPC(Marine Environment Protection Committee)正式通过了MARPOL公约73/78附则Ⅵ的修正案，定义了包括3个级别的IMO船用柴油机排放法规体系，分别为TierⅠ阶段(当时正在执行的附则Ⅵ)、TierⅡ阶段(2011年已全球实施)和Tier Ⅲ阶段(2016年已在排放控制区实施)标准。随着排放法规日益严格，柴油机技术的发展也逐渐向提高热效率和降低NOx排放这两个方向上靠拢。对排放特性来说，燃料和空气的混合以及燃烧过程至关重要，一方面，需要合理组织气流运动，另一方面，需要优化匹配燃烧介质的雾化。

降低NOx排放的相关技术和相关研究在近年来取得了非常大的进展，按对柴油机是否进行改制，一般分为机内排放措施和机外排放措施。机外排放措施一般是在柴油机排气管后附加NOx的后处理装置(SCR)，价格比较昂贵，且需要占用很大的排气管布置面积，在柴油机数量较多的船上尤其布置困难，因此机内净化措施研究的方向相对较多。目前提出的机内排放措施，主要从NOx的生成条件入手，通过降低燃烧温度来减少NOx的生成，主要采用高压共轨、进气加湿、喷油提前角减小、掺水燃烧、缸内均质预混合燃烧、低温燃烧、米勒循环等技术。其中减小喷油提前角，在一定范围内可以减少NOx生成，但会造成碳烟增加、动力性和经济性下降等弊端；柴油机掺水燃烧，对于降低油耗、排温、减少NOx及碳烟浓度都有较好的效果，但燃油掺水后，不可避免的会加剧滑油变质，同时使燃烧室内部分零部件生锈；其他的有关加水的方法，比如缸内喷水、进气道加湿等也同样会造成上述问题。而米勒循环仅需要优化凸轮型线即可，无需对柴油机进行较大改动，同时也不会恶化燃烧，反而在一定程度上提升了经济性，以上诸多优点逐渐使米勒循环措施受到广大学者和柴油机制造商的青睐。

1 米勒循环的提出

1882年，英国工程师James Atkinson发明阿特金森循环，将曲柄摆杆四连杆机构和活塞连杆连接，实现了一种低压缩比和高膨胀比的循环，区别于常规的压缩比等于膨胀比的循环，增加出来膨胀行程使燃烧工质进一步膨胀，从而使热效率得到提升。1947年，美国的科学工作者R.H.Miller首次发表了米勒循环这一概念，不再采用阿特金森循环非常复杂的曲柄摆杆四连杆机构，通过对阿特金森循环理论的研究，对基于奥托循环理论的机构进行了改进，从而诞生了米勒循环。由于阿特金森循环和米勒循环在本质上都是通过提高膨胀比使发动机热效率提高，因此两者经常被统称为米勒循环。

2 米勒循环的原理

米勒循环柴油机通过调节配气相位(主要分为提前关闭进气门和延迟关闭进气门两种)，使得柴油机的实际工作循环和常规的循环相比发生了改变。其中提前关闭进气门的循环又称狭义上的米勒循环，延迟关闭进气门的循环又称阿特金森循环，二者都属于米勒循环系统。如图1所示。

课本里的文字段落都是经过作者、编者精心安排，每一段都有它的作用。在引导学生体会某些句段特殊用法的时候，可以让学生试着删除课文某一段落，看看有什么变化。

米勒循环柴油机的进气门关闭角提前到下止点之前，当进气门提前关闭后，缸内工质的进一步膨胀以及压缩过程的初始阶段基本上可看作低温等熵过程，膨胀比大于有效压缩比，工质进一步膨胀后，相对较少的消耗功提高了柴油机的热效率。同时，缸内工质经过额外的膨胀后冷却，缸内燃烧的压力和温度降低。同时，进气门早关减少了空气量，因而需要增压系统进行配合，如果没有增压系统，新鲜空气压力较低，进气门早关后进气量减少，喷油前缸内湍流强度较弱，不利于油气混合和后续的充分燃烧。

韩指导员走过来,亲切地说:“大家请稍息吧。我叫韩经泰,是咱们七连的指导员。我是江苏人,毕业于中国人民解放军海军学院……”

如图2所示，为理想奥托循环、阿特金森循环和米勒循环P-V图和T-S图。其中理想奥托循环为1-2-3-4O-1，阿特金森循环为1-2-3-4A-1，米勒循环为1-2-3-4M-1。

常规的发动机循环，又称理想奥托循环，是四冲程发动机工作的基本循环，奥托循环的一个工作周期由吸气、压缩、膨胀做功和排气四个冲程构成，四个冲程的活塞行程都保持一致，是定容加热的理想热力循环。压缩比是压缩行程中活塞运行至下止点的气缸容积与活塞在上止点时的气缸容积比值，而膨胀比是指在膨胀做功冲程结束时气缸容积与膨胀做功冲程开始时的气缸容积的比值。奥托循环中膨胀比等于压缩比，如图3所示。在做功结束后，缸内压力比大气压力高得多，说明介质燃烧后放出的能量对活塞做功结束后部分热量流失，没有被充分利用，从而浪费了较多的能量，热效率较低。

而阿特金森循环在做功冲程结束后，膨胀到4A点，这时候缸内压力和大气压力基本相同，说明介质燃烧后放出的能量基本可以完全转化为曲轴的机械功，因此热效率比常规的理想奥托循环要高。米勒循环和阿特金森循环虽然进气门关闭时刻不同，但都能实现过膨胀循环，即膨胀比都大于压缩比，如图4所示。

权值矩阵W中连接权重wii′表示像素间空间和光谱测度的相关性，wii′≠ 0表明像素i与i′间存在某种程度的相似关系，反之，两者无关.设wii′=Eii′sii′，当像素i与i′不连接(Eii′=0)时，连接权重wii′=0，当像素i与i′相连(Eii′=1)时，连接权重wii′=sii′，其中，sii′为像素i与i′间光谱测度的相似度，满足对称性si′i=sii′，并定义为，

然而在实际发动机设计和使用过程中，介质燃烧后在燃烧室膨胀做功结束后，缸内压力等于大气压力不一定有利。首先，膨胀比大会导致膨胀冲程加长，这样活塞与气缸套壁间的摩擦增大，摩擦损失增加，加长的冲程会增加发动机的高度，从而增加重量；其次，介质在燃烧室燃烧，膨胀做功结束后，如果缸内压力和大气压力如果基本相等，则无法形成压力差，排气门开启后基本无法进行自由排气，这样排气损失反而会增大，这导致阿特金森循环的理论热力学优势会低的多。因此，发动机的实际热力循环会接近米勒循环。尽管做功结束后缸内压力4M点的压力高于大气压力，但是米勒循环比奥托循环输出功多了1-4O-4M-5-1所围成的面积。

3 米勒循环的优缺点

3.1 米勒循环的优点

按上述原理，一方面，米勒循环可以提升柴油机的热效率。对于非米勒循环的柴油机，压缩比和膨胀比相等。而具有米勒循环配置的柴油机，可以通过控制进气门的关闭时刻可以实现柴油机的实际压缩比小于理论压缩比，即实际压缩比小于膨胀比，这样膨胀行程增加，燃烧的气体可以继续膨胀做功产生能量。因此柴油机的热效率更高，油耗更低，经济性更佳。

朋友圈里的她和每一个爱美的女孩没有什么不同，画着口红，不吝惜每一个笑容。谁也不曾想到，她吃靶向药剧烈呕吐，面对一碗碗的中药难以下口，看到头发慢慢变白脱落也做好了戴帽子的准备，不想头发的生命力顽强，新的头发也不断地长出来。脸上长了很多的斑，就开始研究中药面膜，每天晚上必贴面膜，曾经下广州去寻药方，在德州练气功……当有人留言给她说，你的生活真精致和美好啊。她笑了，她愿意给人看到她美好的一面。“如果一个人不曾为自己寻找借口倒下，或许没有什么能够将你真正的击倒。”这是她治愈自己的办法，尽量让自己活得美好一些。

首先是低速工况下输出扭矩较小，柴油机响应较慢。米勒循环柴油机在低速工况下，进气充量相比常规循环发动机减小，进气流量对应惯性也减小，缸内实际进气量减少，导致发动机实际输出低速扭矩小，不能满足船用柴油机低速条件下的合排工况以及加速性要求。实际使用中，为保证足够的进气充量，可以采用压比较大的增压系统满足低速的进气量需求。

3.2 米勒循环的缺点

其次是高速工况下运行能力较差。米勒循环柴油机几何压缩比一般比常规循环大，缸径冲程比相对更小，较长的膨胀行程虽然能够提高热效率，进而提升经济性，但活塞的往复惯性力更大，这样转速无法升的太高，加速能力受限。

不同的是米勒循环膨胀做功过程结束后，缸内压力依然大于大气压力，所以米勒循环理论上循环热效率低于阿特金森循环。图1中5-4M-4A-5为阿特金森循环比米勒循环多做的功。如图5所示为奥托循环和米勒循环的实际对比图。

另一方面，米勒循环使NOx排放下降。由于膨胀行程增加，做功转化为机械能的能量增加，减少了热量的散发，因此缸内温度更低。而NOx的产生环境为高温和富氧，因此缸内温度降低有利于减少NOx产生。同时燃烧工质的膨胀体积增大，缸内的燃烧压力也会相应降低，对柴油机的平稳工作、减少爆燃的发生也有裨益。

米勒循环柴油机虽然能够拥有高热效率，低NOx排放，但也有很多不足之处。

4 米勒循环在某船用发动机上的应用案例

由图6，进气门延迟30°CA关闭后，发动机排温基本一致，油耗率降低了5-7g/kWh。

该系统涉及多个部门使用，可用于地震应急评估信息、地震应急专题图件、地震综合国情信息的推送与查看，系统为C/S架构，由移动端设备、应急信息发布服务器、PC操纵端组成，采用安卓系统作为地震应急信息推送和展示的前端设备，配合PC端地震应急信息上传完成地震应急信息推送与发布。

阿特金森循环柴油机的进气门关闭角比传统循环关闭时刻更延迟，使进气时间延长，气门重叠角增大，通过进气道进入燃烧室的一部分气体从排气门排出，这样膨胀行程加长，使发动机的做功行程加大，发动机的做功量进而加大，能够明显的改进发动机的性能。但是，这时候如果有增压系统，进气压力相对较大，这时候进气门晚关会导致大量的新鲜空气流失，从而使效率下降。因此米勒循环适用于增压机型，而阿特金森循环在自然吸气的机型上应用较多。在船用的大缸径发动机上多为增压机型，因此米勒循环得到普遍的应用。

试验过程中其他零件，比如活塞、燃油系统、增压器等均未改变，测量两种进气门关闭角下的发动机排温(°C)、油耗率(g/kWh)来判断米勒循环对发动机性能参数的影响(见图6)，测量实际进气量(kg/h)和NOx的浓度(ppm)来判断米勒循环对发动机排放的影响(见图7)。

在某大缸径中速船用发动机上，尝试使用延迟进气门关闭的米勒循环方式优化D2排放循环，将该发动机的进气门关闭角由原来的556°CA改至586°CA，通过对发动机的各项测试参数进行对比，研究米勒循环对该发动机性能和排放的优化趋势。该发动机参数见表1。

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由图7，进气门延迟30°CA关闭后，发动机各工况进气量基本一致，但实测的NOx的浓度下降明显，实际计算出的各工况点的NOx比排放量(g/kWh)见图8。

由图8，进气门延迟30°CA关闭后，各工况的NOx比排放量下降明显，最终按各工况比例计算得到的NOx综合比排放量由原机的11.02g/kWh下降至8.59g/kWh,较原机相比下降了22%，最终满足TierⅡ的要求。

由此可见，米勒循环可以在保持排温等性能参数不严重恶化的前提下，经济性得到优化，同时排放水平得到提高。

5 结论

米勒循环通过控制柴油机的配气相位，改变了柴油机的工作循环，其中提前关闭进气门的循环称为狭义上的米勒循环，推迟关闭进气门的循环为广义上的米勒循环，又称阿特金森循环。

对于设置除铁除锰滤池的地下水厂和氨氮轻度污染的地下水原水而言，铁、锰的存在会影响对氨氮的去除［5］，因此处理工艺需根据地下水水质特点及主要的水质问题进行全面系统的研究，从而得到合理有效的方案。

米勒循环的膨胀比大于压缩比，降低了缸内的燃烧温度，从而最终提高发动机的热效率，降低了NOx的生成，是提高经济性、优化排放的成本较低的手段，但在船用发动机领域，由于有低速时发动机和带动螺旋桨的齿轮箱有合排工况，以及低速时的其他突加负荷需求，米勒循环发动机通常表现不佳，可以通过增加增压器压比以及适当在低速段通过增压空气补气的方式进行优化。综合而言，米勒循环是一种比较经济且有效的排放升级措施，也可以和其他机内净化方式(比如EGR等)联合使用，以达到最佳的降排效果。

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