高原环境下米勒循环对柴油机燃烧效率和排放的影响

［摘 要］在高原地区，由于空气稀薄和极端天气的影响，导致内燃机的性能受到了影响，其中燃烧效率和排放问题更加突出。近年来，随着排放法规的严格要求及柴油机动力性能的影响，米勒循环逐渐引发工业界和学术界的广泛关注。文章针对高原环境下柴油机运用米勒循环的实际效果进行了深入探讨，通过对比高海拔地区（3 000～5 000 m）和低海拔地区（0～2 000 m）下柴油机的运行数据可知，米勒循环在高海拔地区能有效改善柴油机的燃油经济性，同时可以显著降低NOx 等有害排放物的生成，对于高原地区的可持续发展具有重要的意义。

［关键词］高原环境；米勒循环；柴油机；燃烧效率；排放

［中图分类号］TK401 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）04–0141–03

我国国土面积较大，地理环境复杂，海拔高度超过2 000 m 的高原地区占全部国土面积的1/3，高海拔地区具有气压低、空气稀薄等特点，导致汽油发动机燃烧恶劣，不适合其发展。柴油机作为全球广泛采用的动力源，具有较高的热效率和扭矩特性，能够更好地适应高原地区低温、低压、低氧环境，因此，柴油机在我国高原地区得到了广泛应用。为了应对环境污染和法律法规的问题，在这种背景下，如何改善高原柴油机的性能，成为了亟需解决的问题。米勒循环作为一种先进的燃烧技术，通过改变进气过程来优化燃烧效率和控制排放，已被证明在平原地区具有显著效果。但米勒循环在高原环境下的应用效果及潜力尚未得到充分的研究和验证，文章对此展开研究。

1 高原环境对柴油机的影响

1.1 气压和温度变化对燃烧过程的影响

在高原地区，由于海拔的升高，气压显著降低。空气密度减小，氧气含量降低，导致进入发动机气缸的空气量减少，从而影响燃油的燃烧效率。燃油在气缸中不能充分燃烧，这直接导致发动机的输出功率下降。此外，低气压还会使燃油蒸发速度变慢，进一步影响燃烧过程。

同时，高原地区的气温变化较大。温度的变化对柴油机的润滑系统、燃油系统等都会产生不利的影响。在寒冷条件下，润滑油变稠，增加了发动机启动和运行的阻力；而在高温条件下，过热可能导致机油氧化，降低润滑效果。

1.2 高原环境对燃油经济性和排放的影响

高原环境对柴油机燃油经济性有显著影响，如空气稀薄导致需更多燃油维持相同的输出功率，增加了燃油消耗。而不完全燃烧会产生更多的碳烟和未燃烧烃类物质，降低燃油经济性并加剧环境污染。高原地区特有的环境条件还加剧了排放问题，增加了NOx、HC 和PM 等有害物质的排放，既污染环境又影响人类健康。

1.3 高原环境对柴油机性能的影响

高原环境使得柴油机性能下降，需采取相应的策略解决该问题，具体而言：①改进进气系统。如安装涡轮增压器，增加进气量，改善燃烧效率。②优化燃油喷射系统。如采用高精度喷油嘴，提升燃油雾化效果，促进充分燃烧。③运用先进排放控制技术。如颗粒捕捉器（DPF）和选择性催化还原（SCR）系统，可减少有害物质排放。

2 米勒循环在柴油机中的应用

2.1 米勒循环的工作原理

米勒循环通过提前关闭或延后关闭进气阀，改变了气缸内部的压缩比。在提前关闭进气阀的情况下，气缸内部的有效压缩比降低，而扩张比增加。这种改变有助于降低压缩末期的温度，从而减少NOx 的生成。同时，增加的扩张比能更有效地利用燃烧后的高温气体，提高热效率。

2.2 米勒循环对柴油机性能的改善

由于高原地区空气稀薄，传统柴油机的燃烧效率受到了影响。而米勒循环通过降低压缩比，使得燃烧过程更为平稳，减少了未燃烧燃油的排放，从而提高了燃油的利用率。此外，米勒循环还能降低发动机的工作温度，减少热损失，进一步提升能效。

2.3 米勒循环在不同类型柴油机中的应用案例分析

（1）重型卡车柴油机的改进。在一款常用于高原地区的重型卡车中，采用了改进的米勒循环柴油机。该车型在海拔3 000 m 以上的地区运行，原有柴油机的平均燃油消耗率约为0.45 L/ km。改进后，采用米勒循环的新型柴油机，其燃油消耗率降低到约0.4 L/ km。同时，NOx 排放量从6.5 g/km 降低到5.8 g/km。这一改进显著提升了燃油经济性，同时降低了环境污染。

（2）小型柴油发电机组的应用。在引入米勒循环技术之前，一个标准的5 kW 柴油发电机组在海拔3 500 m 的环境下，燃油消耗量约为2.5 L/h。采用米勒循环后，其燃油消耗量降至约2.1 L/h。此外，碳烟排放也显著下降，从0.3 g/h 降低到0.2 g/h。这一改进不仅提高了发电效率，也减轻了对高原环境的影响。

这两个案例展示了米勒循环在不同类型柴油机中的应用效果，数据对比突显了其在高原环境中提高燃烧效率和减少环境污染方面的优势。

3 研究方法和试验设计

3.1 试验设备和测试环境的搭建

为了精确评估米勒循环在高原环境下对柴油机性能的影响，在专门设计的高海拔测试站进行了一系列细致的试验。测试站位于海拔约4 000 m 的地区，能够模拟高原地区的特殊环境条件，其中包括降低的气压和波动的气温，这些条件对柴油机的性能有着显著的影响。

实验室内部配备了1 台标准配置的柴油机，用于测试和对比分析。为了实现米勒循环，对柴油机进行了专门的改装，安装了米勒循环改装套件。这套装置包括高级进气控制系统，能够调整进气阀的开闭时机，从而改变气缸内部的压缩比和燃烧过程。

此外，实验室配备了先进的燃油消耗和排放测试系统，实时监测记录柴油机运行状况，包括燃油消耗率、排放物种类和量及发动机运行参数。为增强试验准确性，引入数据收集与分析系统，包含高精度传感器和专业数据记录仪器。

3.2 数据收集和分析方法

在试验过程中，应重视数据的精确收集和分析。使用的传感器和仪器应能够实时监测发动机的各种运行参数，如温度、压力、转速及排放物的组成和量。这些数据通过高级数据采集系统实时记录，确保了数据的完整性和准确性。

为了确保试验结果的可靠性，每项测试至少重复进行3 次，这样做可以有效减少偶然误差，确保结果的稳定性和可重复性。收集到的数据随后通过专业的数据分析软件进行处理。使用先进的统计和分析方法，如方差分析和回归分析，来评估不同变量之间的关系和影响。

3.3 试验方案和参数设置

试验分为两部分：①在标准环境条件下，对比改装前后柴油机性能，获取基准数据；②在模拟的高原环境下，进行相同的对比试验。

为模拟高原环境，实验室内调整气压和温度参数，覆盖海拔3 000～5 000 m 的环境特征，确保试验结果贴近实际高原环境。除了标准运行条件，还特别关注了米勒循环对发动机在不同工况（如起动、加速、持续运行）下的影响，模拟实际驾驶中可能遇到的情况，全面评估米勒循环在实际应用中的表现。

4 研究结果

米勒循环对燃烧效率的影响见表1。

米勒循环对排放的影响见表2。

引入米勒循环显著提升了柴油机在高原环境下的适应性，尤其是在冷启动和低温条件下，改装后的柴油机展现出更稳定的性能。此外，由于燃油消耗率的降低，改装柴油机在高原环境下的运行成本较传统柴油机更为经济。同时，减少的有害气体排放对于保护高原脆弱的生态环境具有显著意义，为实现高原地区的环境可持续发展提供了重要支撑。

5 试验结果分析

（1）米勒循环在高原环境下的优化策略。米勒循环通过调整进气阀关闭时机优化了燃烧效率和排放性能。在高原环境中，需采取进一步优化策略，如使用涡轮增压器补偿空气稀薄，提高燃油燃烧效率。同时，优化燃油喷射系统，如调整喷射时机和压力，也对高原环境下燃烧效率有显著影响。

（2）技术限制和潜在的改进方向。尽管米勒循环在高原环境下展现出了显著的优势，但仍存在一些技术限制。例如，米勒循环可能会导致发动机在某些工作条件下的动力输出下降，尤其是在高负荷和高速运行时。因此，未来的研究应集中在如何平衡燃烧效率与动力输出之间的关系，以及如何进一步优化米勒循环以适应更广泛的运行条件。

（3）米勒循环应用的经济性和环境效益分析。米勒循环可提升燃烧效率，减少有害排放，对高原环保意义重大。初期成本虽高，但长期看来，燃油经济性提升与维护成本降低，总体运营成本将下降。减排对减轻环境压力、改善空气质量作用重大，对高原可持续发展贡献显著。

6 结束语

综上所述，高原环境下米勒循环对柴油机燃烧效率和排放的影响十分显著。试验结果表明，米勒循环有效降低了燃油消耗率并减少了有害排放物，尤其是在模拟的高原环境中，其改善效果更为显著。这一发现不仅为高原地区的柴油机优化提供了重要的技术支持，也对于推动该地区环境保护和可持续发展具有重大意义。尽管存在一些技术挑战和限制，但通过进一步的研究和优化，米勒循环有望成为高原环境下提升柴油机性能和环境友好性的有效手段。

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