摘要： 采用自行開發(fā)的可變氣門機(jī)構(gòu)，在高壓縮比點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了排氣門正時(shí)對(duì)高甲醇摻燒比甲醇 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：提前排氣門正時(shí)會(huì)使燃燒開始時(shí)刻（CA5）滯后，燃燒持續(xù)期延長，結(jié)合點(diǎn)火正時(shí)后，燃燒相位得到改善；在排氣門正時(shí)結(jié)合最佳點(diǎn)火正時(shí)下，等效有效比油耗（be）和NOx排放都得到明顯改善，在最佳點(diǎn)火正時(shí)下，排氣門正時(shí)前移可以使M50，M75和M100的最佳be分別降低7.39%，11.06%和18.72%，NOx排放量分別降低34.5%，19.6%和23.9%；提高甲醇添加量可以提高經(jīng)濟(jì)性，降低HC排放量。

關(guān)鍵詞： 排氣門正時(shí)；甲醇；汽油；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；燃油經(jīng)濟(jì)性；排放

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.002

中圖分類號(hào)：TK411.5" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B" 文章編號(hào)： 1001 ２２２２（２０25）０1 ００12 ０6

隨著全球環(huán)境以及能源問題的日漸突出，實(shí)現(xiàn)“碳中和”和“碳達(dá)峰”的目標(biāo)成了全球性的使命。在此戰(zhàn)略背景下，推進(jìn)內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排的進(jìn)程迫在眉睫。先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)和可再生醇類燃料逐漸受到關(guān)注?？勺儦忾T技術(shù)是改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的重要手段，其包含了可變氣門升程和可變氣門正時(shí)技術(shù)，能夠?qū)忾T升程和正時(shí)進(jìn)行靈活調(diào)整以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況所需。其中可變氣門正時(shí)技術(shù)因具有減少發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失、提高發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率等優(yōu)點(diǎn)而在國內(nèi)外受到廣泛的研究^［1］。研究發(fā)現(xiàn)，在氣體交換過程中，調(diào)節(jié)排氣門正時(shí)可顯著地改變缸內(nèi)的殘余廢氣量^［2］，從而影響燃燒和排放。李正偉^［3］通過研究發(fā)現(xiàn)，合理地增加缸內(nèi)廢氣量可以明顯地降低泵氣損失，改善燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)9%。胡順堂^［4］研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部EGR有利于降低NOx排放量。王巍等^［5］研究了不同排氣門正時(shí)對(duì)汽油機(jī)冷起動(dòng)排放的影響，結(jié)果表明，提前排氣門正時(shí)能夠增大缸內(nèi)殘余廢氣量，有效地改善排放。調(diào)整排氣門正時(shí)影響著缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)，從而影響缸內(nèi)的燃燒過程^［1］。

此外，醇類替代燃料在節(jié)能減排和能源安全方面展現(xiàn)的突出優(yōu)勢(shì)使得其逐漸出現(xiàn)在大眾視野中。醇類替代燃料包含了甲醇、乙醇和丁醇等，其中，甲醇由于碳?xì)浔刃?、沸點(diǎn)低、揮發(fā)性好等優(yōu)點(diǎn)，作為單一燃料或者摻混燃料都具有突出的優(yōu)勢(shì)^［6］。作為單一燃料來說，甲醇相比于汽油在中大負(fù)荷下能夠提高燃燒速度，縮短燃燒持續(xù)期，并有效地降低CO和HC排放量^［7］。A. BILGIN等^［8］的研究結(jié)果也表明燃用純甲醇的熱效率比燃用汽油更高。甲醇作為摻混燃料同樣能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能以及排放。例如高富新^［9］研究了不同甲醇汽油摻混比例下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，結(jié)果表明M30和M40的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都優(yōu)于純汽油。李梁等^［10］的研究也得到了相似的結(jié)果。甲醇摻混燃燒在改善燃油消耗的同時(shí)也可降低常規(guī)污染物的排放。尹航等^［11］研究了不同摻混比例下甲醇汽油的瞬態(tài)常規(guī)污染物排放特性，結(jié)果表明隨著甲醇比例的增加，HC，CO的排放量明顯降低。另外，甲醇具有更大的辛烷值以及汽化潛熱，因此能夠適用于更高壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)而不會(huì)產(chǎn)生爆震^［12］。傳統(tǒng)汽油機(jī)的壓縮比范圍通常為9.5～11.5^［13］，而甲醇相比汽油能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比和有效熱效率，同時(shí)有效地減少CO和NO排放量^［14］。李小燕^［15］的研究表明，壓縮比從16.5增加到18.5，甲醇的CO排放量減少了6.5%左右。

綜上所述，先前的研究更多地集中在純甲醇或者低摻混比甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和性能上，高比例甲醇摻混對(duì)汽油機(jī)燃燒和排放的影響鮮有報(bào)道；同時(shí)可變氣門正時(shí)技術(shù)作為一種重要的節(jié)能減排的手段，在甲醇摻混發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究也較少。因此，為更好地達(dá)到節(jié)能減排的目的，本研究對(duì)比研究了高比例甲醇 汽油混合燃料在高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)中，應(yīng)用可變氣門正時(shí)技術(shù)時(shí)的燃燒、性能及排放。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置及參數(shù)定義

本研究基于一臺(tái)單缸柴油機(jī)進(jìn)行改裝，將原有的噴油器安裝位置改為火花塞安裝位置，在進(jìn)氣道上安裝了噴油器和節(jié)氣門，并在缸蓋位置安裝了自行研發(fā)的可變氣門機(jī)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

在試驗(yàn)臺(tái)架（見圖1）中，開放ECU控制單元能夠靈活調(diào)控點(diǎn)火、噴油、節(jié)氣門和進(jìn)排氣門正時(shí)。燃油質(zhì)量由DF 2420質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液由閉環(huán)控制系統(tǒng)控制在（80±5） ℃。A 8020 AVL氣體分析儀用于分析氣體排放，包括一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化物（NOx）。使用AVL 398Z01測(cè)量曲軸角度，并以1°的分辨率收集200個(gè)連續(xù)循環(huán)的壓力數(shù)據(jù)后被燃燒分析儀采集，燃燒分析儀AVL 602 6020用于計(jì)算缸內(nèi)壓力、放熱率（HRR）和其他燃燒數(shù)據(jù)，同時(shí)，將指示平均有效壓力（pi）在200個(gè)連續(xù)燃燒循環(huán)的變化系數(shù)視為燃燒過程的循環(huán)變化，計(jì)算公式如下：

COVpi=σpipi×100%。（1）

由于甲醇和汽油的低熱值不同，引入了等效有效比油耗（be）的概念，以更好地比較甲醇比例對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響。be計(jì)算公式如下：

be=mF/Pe。（1）

式中：mF為甲醇 汽油混合燃料的質(zhì)量；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效輸出功。

本研究采用自行開發(fā)的可變氣門機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)氣門正時(shí)的調(diào)節(jié)?？勺儦忾T升程機(jī)構(gòu)的原理與文獻(xiàn)［16］一致，可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)利用電機(jī)帶動(dòng)蝸輪、蝸桿旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過一系列從動(dòng)件，最終能夠單獨(dú)改變正時(shí)凸輪凸尖與壓縮上止點(diǎn)的相對(duì)位置，從而改變進(jìn)氣門正時(shí)或者排氣門正時(shí)。

1.2 試驗(yàn)燃油及工況

為研究不同甲醇摻混比下排氣門正時(shí)對(duì)燃燒和排放的影響，選取1 000 r/min，40%負(fù)荷作為研究工況，本研究試驗(yàn)燃油有3種，根據(jù)甲醇摻混比分別記為M50，M75，M100?？勺儦忾T正時(shí)分別選取上止點(diǎn)前360°，370°，380°，390°，400°。點(diǎn)火正時(shí)選取為當(dāng)前工況的最佳點(diǎn)火正時(shí)（MBT），在此基礎(chǔ)上按2°，-2°，-4°的幅度進(jìn)行調(diào)整，分別記為MBT+2，MBT-2，MBT-4。通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度來保證過量空氣系數(shù)為1，進(jìn)排氣門的升程選取7 mm，定義壓縮上止點(diǎn)為TDC，壓縮上止點(diǎn)前為BTDC，壓縮上止點(diǎn)后為ATDC。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同甲醇摻混比和排氣門正時(shí)下的燃燒和性能

圖2示出在不同比例甲醇 汽油混合燃料下，最佳點(diǎn)火正時(shí)和缸內(nèi)壓力隨排氣門正時(shí)的變化。最佳點(diǎn)火正時(shí)是扭矩最大時(shí)對(duì)應(yīng)的最小的點(diǎn)火正時(shí)。由圖2可知，隨著排氣門正時(shí)的提前，最佳點(diǎn)火正時(shí)逐漸提前。這是由于排氣門正時(shí)提前，壓縮上止點(diǎn)前的缸內(nèi)壓力升高（見圖2b），而在壓縮過程缸內(nèi)壓力的增加代表著缸內(nèi)工質(zhì)的增加，也就代表著缸內(nèi)殘余廢氣量的增加^［17］。缸內(nèi)殘余廢氣量的增加帶來了大量的非活性氣體成分，降低了缸內(nèi)燃燒溫度和氧濃度，燃燒過程受到抑制。為彌補(bǔ)排氣門正時(shí)提前對(duì)燃燒的抑制作用，最佳點(diǎn)火正時(shí)提前。在相同的排氣門正時(shí)下，隨著甲醇摻混比例的增加，最佳點(diǎn)火正時(shí)推遲。例如排氣正時(shí)推遲40°時(shí)，M100的最佳點(diǎn)火正時(shí)相比M50推遲了2°。這是由于甲醇具有比汽油更快的層流燃燒速度。

圖3示出在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，燃燒開始時(shí)刻和燃燒持續(xù)期隨排氣門正時(shí)的變化規(guī)律。定義燃燒開始時(shí)刻（CA5）為累計(jì)放熱量5%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，定義燃燒持續(xù)期為燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%到90%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。由圖3a至圖3c可知，在相同燃油和相同排氣門正時(shí)下，隨著點(diǎn)火正時(shí)的提前，CA5靠近壓縮上止點(diǎn)。隨著排氣門正時(shí)的前移，CA5呈現(xiàn)了滯后的趨勢(shì)。這是由于排氣門正時(shí)提前使缸內(nèi)殘余廢氣量升高，降低了缸內(nèi)溫度和氧濃度。在相同的排氣門正時(shí)下，隨著甲醇摻混比例的增加，CA5出現(xiàn)時(shí)刻提前。在排氣門正時(shí)為380°BTDC時(shí)，M100的CA5相比M50提前了0.55°。這是甲醇更快的層流燃燒速度造成的。另外，可以看到M100的CA5隨著排氣門正時(shí)的變化程度比M50的小，這說明缸內(nèi)殘余廢氣對(duì)汽油的影響比甲醇更敏感。

由圖3d至圖3f可知，在相同的燃料下，隨著點(diǎn)火正時(shí)的提前，燃燒持續(xù)期呈現(xiàn)了縮短的趨勢(shì)。而隨著排氣門正時(shí)的提前，燃燒持續(xù)期呈現(xiàn)了延長的趨勢(shì)。這是由于缸內(nèi)殘余廢氣的增加降低了燃燒溫度和氧濃度，燃燒速度減慢，燃燒持續(xù)期增加。隨著甲醇比例的增加，燃燒持續(xù)期逐漸縮短。另外，M100的燃燒持續(xù)期隨著排氣門正時(shí)的變化相比M50的更小。這可以歸因于甲醇本身含氧且具有較快的層流燃燒速度。

圖4示出在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，pi隨排氣門正時(shí)的變化規(guī)律。由圖4可以看出，以M50為燃料時(shí)，在相同的排氣門正時(shí)下，點(diǎn)火正時(shí)從MBT靠近壓縮上止點(diǎn)后，不同氣門正時(shí)下的pi變化趨勢(shì)不同。這是因?yàn)辄c(diǎn)火正時(shí)后移會(huì)導(dǎo)致燃燒過程遠(yuǎn)離壓縮上止點(diǎn)，使排氣溫度升高，排氣過程能量損失增大，pi降低。而當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)繼續(xù)后移，降低的燃燒速度使缸內(nèi)最大溫度降低，這可能導(dǎo)致?lián)Q熱損失減少，使pi稍有增加。當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)從MBT前移后，pi降低，這是因?yàn)辄c(diǎn)火正時(shí)前移使燃燒速度加快，在壓縮比較大的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向增加。此外，更快的燃燒速度會(huì)使缸內(nèi)燃燒溫度升高，增加了傳熱損失。隨著排氣門正時(shí)前移，pi呈現(xiàn)一直增長的趨勢(shì)。當(dāng)排氣門正時(shí)從360°BTDC前移到400°BTDC后，MBT下的pi增加了0.073 MPa。

隨著混合燃料中甲醇添加比例的增加，相同正時(shí)下的pi升高，這是因?yàn)榧状几斓膶恿魅紵俣却龠M(jìn)了燃燒過程。以在排氣正時(shí)400°BTDC下為例，M100的pi最大值可達(dá)到0.549 MPa，M75和M50的pi最大值分別為0.520 MPa和0.521 MPa。這是兩方面原因造成的：首先，M100相比M50具有更短的燃燒持續(xù)期，使得其傳熱損失??；其次，甲醇的汽化潛熱大，能夠進(jìn)一步降低缸內(nèi)燃燒溫度，減小傳熱損失。

圖5示出了在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，be隨排氣門正時(shí)的變化規(guī)律，圖中各排氣門正時(shí)下最低的be用圓圈標(biāo)出。由圖5可以看出，在相同的排氣門正時(shí)下，隨著點(diǎn)火正時(shí)前移，be先降低后升高。隨著排氣門正時(shí)的提前，最佳點(diǎn)火正時(shí)下的be逐漸減小。排氣門正時(shí)由360°提前到400°時(shí)，M100，M75和M50的最佳be分別改善了7.39%，11.06%和18.72%。排氣門正時(shí)的提前增加了缸內(nèi)殘余廢氣量，使得燃燒溫度降低，傳熱損失減小， be減小。而隨著甲醇摻混比例的增加，最佳點(diǎn)火正時(shí)對(duì)應(yīng)的be逐漸降低，這說明提高混合燃料中甲醇的添加量可以有效地提高經(jīng)濟(jì)性。排氣門正時(shí)在360°BTDC時(shí)，最佳點(diǎn)火正時(shí)下，相比于M50，M75和M100的be分別降低了14.25%和22.54%。

2.2 排氣門正時(shí)耦合點(diǎn)火正時(shí)下的排放

圖6示出在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，HC排放量隨排氣門正時(shí)的變化規(guī)律?？梢钥闯?，在同種燃料下，排氣門正時(shí)對(duì)HC排放量的影響不敏感。在最佳點(diǎn)火正時(shí)下，排氣門正時(shí)由360°BTDC提前到400°BTDC時(shí)，M100的HC排放量增加了35.9×10^-6。這是因?yàn)榕艢忾T正時(shí)提前，缸內(nèi)廢氣量增加，降低了燃燒溫度，導(dǎo)致燃料蒸發(fā)混合困難，另外，COVpi隨著排氣門正時(shí)的推遲而增加，燃燒穩(wěn)定性降低，HC排放量增加。隨著甲醇摻混比例的增加，HC排放量呈現(xiàn)明顯減小的趨勢(shì)。當(dāng)排氣門正時(shí)在390°BTDC時(shí)， M100，M75，M50最佳點(diǎn)火正時(shí)下的HC排放量分別為37×10^-6，282×10^-6和453×10^-6。排氣門正時(shí)在400°BTDC時(shí)，相比于M50，M100的HC排放量降低了10.7%。這是因?yàn)榧状嫉奶兼湼唵?sup>［^18］，并且甲醇更快的層流火焰速度使缸內(nèi)燃燒溫度升高，排氣過程更高的溫度會(huì)促進(jìn)HC的氧化。

圖7示出在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，NOx排放量隨排氣門正時(shí)的變化規(guī)律。由圖7可知，隨著點(diǎn)火正時(shí)的提前，3種燃料的NOx排放量均呈現(xiàn)了增加的趨勢(shì)。根據(jù)Zeldovich理論，影響NOx排放的主要因素是燃燒溫度和氣缸中的氧氣濃度。點(diǎn)火正時(shí)提前使得缸內(nèi)燃燒溫度增加，從而增加了NOx排放量。對(duì)于3種燃料，隨著排氣門正時(shí)的前移，缸內(nèi)高比熱容的殘余廢氣增加，降低了缸內(nèi)燃燒溫度和氧濃度，抑制了NOx的產(chǎn)生，因此NOx排放量降低。在排氣門正時(shí)從360°BTDC提前到400°BTDC時(shí)，M50的NOx排放量最多降低了34.5%，而M75和M100的NOx排放量最多分別降低了19.6%和23.9%。

3 結(jié)論

a） 對(duì)于高比例甲醇 汽油混合燃料，隨著排氣門正時(shí)前移，CA5滯后，燃燒持續(xù)期延長，結(jié)合點(diǎn)火正時(shí)可以改善排氣門正時(shí)引起的燃燒滯后；隨著混合燃料中甲醇比例的升高，燃燒持續(xù)期縮短，相同排氣門正時(shí)下的最佳點(diǎn)火正時(shí)前移；

b） 提前排氣門正時(shí)有助于降低be，在最佳點(diǎn)火正時(shí)下，改變排氣門正時(shí)可以使M50，M75和M100的be分別降低7.39%，11.06%和18.72%；提高混合燃料中甲醇的體積比同樣具有降低be的潛力，當(dāng)排氣門正時(shí)在360°BTDC時(shí)，相比M50，M75和M100的be分別降低了14.25%和22.54%；

c） 排氣門正時(shí)前移可以改善甲醇 汽油混合燃料的NOx排放，當(dāng)排氣門正時(shí)從360°BTDC前移到400°BTDC時(shí)，M50，M75，M100的NOx排放量分別降低了34.5%，19.6%和23.9%；提高混合燃料中甲醇的體積比對(duì)HC排放改善明顯，在排氣正時(shí)390°BTDC時(shí)，最佳點(diǎn)火正時(shí)下M100，M75，M50的HC排放量分別為37×10^-6，282×10^-6和453×10^-6。

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Effect of Exhaust Valve Timing on Combustion and Emissions of High Proportional Methanol Gasoline Blends

GONG Yanfeng1，QIAN Dingchao1，MA Heyang1，LIU Mingli1，XIE Fangxi2，MENG Xianglong2

（1.FAW Research and Development Institute，Changchun 130000，China;2.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130025，China）

Abstract： The experiment was conducted on a high compression ratio spark ignition engine by using a self developed variable valve mechanism and the effect of exhaust valve timing on the combustion and performance of methanol/gasoline engines with high volume methanol content was studied. It was found that early timing of exhaust valve would cause CA5 to lag and prolong the combustion duration. Combined with optimal ignition timing，the combustion phase improved. Under the combination of exhaust valve timing and optimal ignition timing， both be and NOx emissions significantly improved. Under the optimal ignition timing， shifting the exhaust valve timing forward could reduce the optimal be of M50， M75， and M100 by 7.39%， 11.06%， and 18.72% respectively and NOx emissions by 34.5%， 19.6%， and 23.9% respectively. Increasing the amount of methanol could also improve fuel economy and reduce HC emissions.

Key words： exhaust valve timing;methanol;gasoline;dual fuel engine;fuel economy;emission

［編輯： 姜曉博］