排气门正时对高比例甲醇 汽油混合燃料燃烧和排放的影响研究

摘要： 采用自行开发的可变气门机构，在高压缩比点燃式发动机上进行了试验，研究了排气门正时对高甲醇掺烧比甲醇 汽油发动机燃烧和性能的影响。结果发现：提前排气门正时会使燃烧开始时刻（CA5）滞后，燃烧持续期延长，结合点火正时后，燃烧相位得到改善；在排气门正时结合最佳点火正时下，等效有效比油耗（be）和NOx排放都得到明显改善，在最佳点火正时下，排气门正时前移可以使M50，M75和M100的最佳be分别降低7.39%，11.06%和18.72%，NOx排放量分别降低34.5%，19.6%和23.9%；提高甲醇添加量可以提高经济性，降低HC排放量。

关键词： 排气门正时；甲醇；汽油；双燃料发动机；燃油经济性；排放

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.002

中图分类号：TK411.5" 文献标志码： B" 文章编号： 1001 ２２２２（２０25）０1 ００12 ０6

随着全球环境以及能源问题的日渐突出，实现“碳中和”和“碳达峰”的目标成了全球性的使命。在此战略背景下，推进内燃机节能减排的进程迫在眉睫。先进的内燃机技术和可再生醇类燃料逐渐受到关注。可变气门技术是改善发动机性能和排放的重要手段，其包含了可变气门升程和可变气门正时技术，能够对气门升程和正时进行灵活调整以适应发动机不同工况所需。其中可变气门正时技术因具有减少发动机泵气损失、提高发动机充气效率等优点而在国内外受到广泛的研究^［1］。研究发现，在气体交换过程中，调节排气门正时可显著地改变缸内的残余废气量^［2］，从而影响燃烧和排放。李正伟^［3］通过研究发现，合理地增加缸内废气量可以明显地降低泵气损失，改善燃油经济性达9%。胡顺堂^［4］研究发现，内部EGR有利于降低NOx排放量。王巍等^［5］研究了不同排气门正时对汽油机冷起动排放的影响，结果表明，提前排气门正时能够增大缸内残余废气量，有效地改善排放。调整排气门正时影响着缸内的气流运动，从而影响缸内的燃烧过程^［1］。

此外，醇类替代燃料在节能减排和能源安全方面展现的突出优势使得其逐渐出现在大众视野中。醇类替代燃料包含了甲醇、乙醇和丁醇等，其中，甲醇由于碳氢比小、沸点低、挥发性好等优点，作为单一燃料或者掺混燃料都具有突出的优势^［6］。作为单一燃料来说，甲醇相比于汽油在中大负荷下能够提高燃烧速度，缩短燃烧持续期，并有效地降低CO和HC排放量^［7］。A. BILGIN等^［8］的研究结果也表明燃用纯甲醇的热效率比燃用汽油更高。甲醇作为掺混燃料同样能够改善发动机的性能以及排放。例如高富新^［9］研究了不同甲醇汽油掺混比例下的发动机性能，结果表明M30和M40的动力性和经济性都优于纯汽油。李梁等^［10］的研究也得到了相似的结果。甲醇掺混燃烧在改善燃油消耗的同时也可降低常规污染物的排放。尹航等^［11］研究了不同掺混比例下甲醇汽油的瞬态常规污染物排放特性，结果表明随着甲醇比例的增加，HC，CO的排放量明显降低。另外，甲醇具有更大的辛烷值以及汽化潜热，因此能够适用于更高压缩比的发动机而不会产生爆震^［12］。传统汽油机的压缩比范围通常为9.5～11.5^［13］，而甲醇相比汽油能够提高发动机压缩比和有效热效率，同时有效地减少CO和NO排放量^［14］。李小燕^［15］的研究表明，压缩比从16.5增加到18.5，甲醇的CO排放量减少了6.5%左右。

综上所述，先前的研究更多地集中在纯甲醇或者低掺混比甲醇发动机的燃烧和性能上，高比例甲醇掺混对汽油机燃烧和排放的影响鲜有报道；同时可变气门正时技术作为一种重要的节能减排的手段，在甲醇掺混发动机中的应用研究也较少。因此，为更好地达到节能减排的目的，本研究对比研究了高比例甲醇 汽油混合燃料在高压缩比发动机中，应用可变气门正时技术时的燃烧、性能及排放。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置及参数定义

本研究基于一台单缸柴油机进行改装，将原有的喷油器安装位置改为火花塞安装位置，在进气道上安装了喷油器和节气门，并在缸盖位置安装了自行研发的可变气门机构，发动机关键参数如表1所示。

在试验台架（见图1）中，开放ECU控制单元能够灵活调控点火、喷油、节气门和进排气门正时。燃油质量由DF 2420质量流量计测量。发动机冷却液由闭环控制系统控制在（80±5） ℃。A 8020 AVL气体分析仪用于分析气体排放，包括一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）。使用AVL 398Z01测量曲轴角度，并以1°的分辨率收集200个连续循环的压力数据后被燃烧分析仪采集，燃烧分析仪AVL 602 6020用于计算缸内压力、放热率（HRR）和其他燃烧数据，同时，将指示平均有效压力（pi）在200个连续燃烧循环的变化系数视为燃烧过程的循环变化，计算公式如下：

COVpi=σpipi×100%。（1）

由于甲醇和汽油的低热值不同，引入了等效有效比油耗（be）的概念，以更好地比较甲醇比例对经济性的影响。be计算公式如下：

be=mF/Pe。（1）

式中：mF为甲醇 汽油混合燃料的质量；Pe为发动机的有效输出功。

本研究采用自行开发的可变气门机构，可以实现气门正时的调节。可变气门升程机构的原理与文献［16］一致，可变气门正时机构利用电机带动蜗轮、蜗杆旋转，经过一系列从动件，最终能够单独改变正时凸轮凸尖与压缩上止点的相对位置，从而改变进气门正时或者排气门正时。

1.2 试验燃油及工况

为研究不同甲醇掺混比下排气门正时对燃烧和排放的影响，选取1 000 r/min，40%负荷作为研究工况，本研究试验燃油有3种，根据甲醇掺混比分别记为M50，M75，M100。可变气门正时分别选取上止点前360°，370°，380°，390°，400°。点火正时选取为当前工况的最佳点火正时（MBT），在此基础上按2°，-2°，-4°的幅度进行调整，分别记为MBT+2，MBT-2，MBT-4。通过调节节气门开度来保证过量空气系数为1，进排气门的升程选取7 mm，定义压缩上止点为TDC，压缩上止点前为BTDC，压缩上止点后为ATDC。

2 结果与讨论

2.1 不同甲醇掺混比和排气门正时下的燃烧和性能

图2示出在不同比例甲醇 汽油混合燃料下，最佳点火正时和缸内压力随排气门正时的变化。最佳点火正时是扭矩最大时对应的最小的点火正时。由图2可知，随着排气门正时的提前，最佳点火正时逐渐提前。这是由于排气门正时提前，压缩上止点前的缸内压力升高（见图2b），而在压缩过程缸内压力的增加代表着缸内工质的增加，也就代表着缸内残余废气量的增加^［17］。缸内残余废气量的增加带来了大量的非活性气体成分，降低了缸内燃烧温度和氧浓度，燃烧过程受到抑制。为弥补排气门正时提前对燃烧的抑制作用，最佳点火正时提前。在相同的排气门正时下，随着甲醇掺混比例的增加，最佳点火正时推迟。例如排气正时推迟40°时，M100的最佳点火正时相比M50推迟了2°。这是由于甲醇具有比汽油更快的层流燃烧速度。

图3示出在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，燃烧开始时刻和燃烧持续期随排气门正时的变化规律。定义燃烧开始时刻（CA5）为累计放热量5%对应的曲轴转角，定义燃烧持续期为燃烧质量分数从5%到90%对应的曲轴转角。由图3a至图3c可知，在相同燃油和相同排气门正时下，随着点火正时的提前，CA5靠近压缩上止点。随着排气门正时的前移，CA5呈现了滞后的趋势。这是由于排气门正时提前使缸内残余废气量升高，降低了缸内温度和氧浓度。在相同的排气门正时下，随着甲醇掺混比例的增加，CA5出现时刻提前。在排气门正时为380°BTDC时，M100的CA5相比M50提前了0.55°。这是甲醇更快的层流燃烧速度造成的。另外，可以看到M100的CA5随着排气门正时的变化程度比M50的小，这说明缸内残余废气对汽油的影响比甲醇更敏感。

由图3d至图3f可知，在相同的燃料下，随着点火正时的提前，燃烧持续期呈现了缩短的趋势。而随着排气门正时的提前，燃烧持续期呈现了延长的趋势。这是由于缸内残余废气的增加降低了燃烧温度和氧浓度，燃烧速度减慢，燃烧持续期增加。随着甲醇比例的增加，燃烧持续期逐渐缩短。另外，M100的燃烧持续期随着排气门正时的变化相比M50的更小。这可以归因于甲醇本身含氧且具有较快的层流燃烧速度。

图4示出在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，pi随排气门正时的变化规律。由图4可以看出，以M50为燃料时，在相同的排气门正时下，点火正时从MBT靠近压缩上止点后，不同气门正时下的pi变化趋势不同。这是因为点火正时后移会导致燃烧过程远离压缩上止点，使排气温度升高，排气过程能量损失增大，pi降低。而当点火正时继续后移，降低的燃烧速度使缸内最大温度降低，这可能导致换热损失减少，使pi稍有增加。当点火正时从MBT前移后，pi降低，这是因为点火正时前移使燃烧速度加快，在压缩比较大的条件下，发动机爆震倾向增加。此外，更快的燃烧速度会使缸内燃烧温度升高，增加了传热损失。随着排气门正时前移，pi呈现一直增长的趋势。当排气门正时从360°BTDC前移到400°BTDC后，MBT下的pi增加了0.073 MPa。

随着混合燃料中甲醇添加比例的增加，相同正时下的pi升高，这是因为甲醇更快的层流燃烧速度促进了燃烧过程。以在排气正时400°BTDC下为例，M100的pi最大值可达到0.549 MPa，M75和M50的pi最大值分别为0.520 MPa和0.521 MPa。这是两方面原因造成的：首先，M100相比M50具有更短的燃烧持续期，使得其传热损失小；其次，甲醇的汽化潜热大，能够进一步降低缸内燃烧温度，减小传热损失。

图5示出了在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，be随排气门正时的变化规律，图中各排气门正时下最低的be用圆圈标出。由图5可以看出，在相同的排气门正时下，随着点火正时前移，be先降低后升高。随着排气门正时的提前，最佳点火正时下的be逐渐减小。排气门正时由360°提前到400°时，M100，M75和M50的最佳be分别改善了7.39%，11.06%和18.72%。排气门正时的提前增加了缸内残余废气量，使得燃烧温度降低，传热损失减小， be减小。而随着甲醇掺混比例的增加，最佳点火正时对应的be逐渐降低，这说明提高混合燃料中甲醇的添加量可以有效地提高经济性。排气门正时在360°BTDC时，最佳点火正时下，相比于M50，M75和M100的be分别降低了14.25%和22.54%。

2.2 排气门正时耦合点火正时下的排放

图6示出在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，HC排放量随排气门正时的变化规律。可以看出，在同种燃料下，排气门正时对HC排放量的影响不敏感。在最佳点火正时下，排气门正时由360°BTDC提前到400°BTDC时，M100的HC排放量增加了35.9×10^-6。这是因为排气门正时提前，缸内废气量增加，降低了燃烧温度，导致燃料蒸发混合困难，另外，COVpi随着排气门正时的推迟而增加，燃烧稳定性降低，HC排放量增加。随着甲醇掺混比例的增加，HC排放量呈现明显减小的趋势。当排气门正时在390°BTDC时， M100，M75，M50最佳点火正时下的HC排放量分别为37×10^-6，282×10^-6和453×10^-6。排气门正时在400°BTDC时，相比于M50，M100的HC排放量降低了10.7%。这是因为甲醇的碳链更简单^［18］，并且甲醇更快的层流火焰速度使缸内燃烧温度升高，排气过程更高的温度会促进HC的氧化。

图7示出在不同比例的甲醇 汽油混合燃料下，NOx排放量随排气门正时的变化规律。由图7可知，随着点火正时的提前，3种燃料的NOx排放量均呈现了增加的趋势。根据Zeldovich理论，影响NOx排放的主要因素是燃烧温度和气缸中的氧气浓度。点火正时提前使得缸内燃烧温度增加，从而增加了NOx排放量。对于3种燃料，随着排气门正时的前移，缸内高比热容的残余废气增加，降低了缸内燃烧温度和氧浓度，抑制了NOx的产生，因此NOx排放量降低。在排气门正时从360°BTDC提前到400°BTDC时，M50的NOx排放量最多降低了34.5%，而M75和M100的NOx排放量最多分别降低了19.6%和23.9%。

3 结论

a） 对于高比例甲醇 汽油混合燃料，随着排气门正时前移，CA5滞后，燃烧持续期延长，结合点火正时可以改善排气门正时引起的燃烧滞后；随着混合燃料中甲醇比例的升高，燃烧持续期缩短，相同排气门正时下的最佳点火正时前移；

b） 提前排气门正时有助于降低be，在最佳点火正时下，改变排气门正时可以使M50，M75和M100的be分别降低7.39%，11.06%和18.72%；提高混合燃料中甲醇的体积比同样具有降低be的潜力，当排气门正时在360°BTDC时，相比M50，M75和M100的be分别降低了14.25%和22.54%；

c） 排气门正时前移可以改善甲醇 汽油混合燃料的NOx排放，当排气门正时从360°BTDC前移到400°BTDC时，M50，M75，M100的NOx排放量分别降低了34.5%，19.6%和23.9%；提高混合燃料中甲醇的体积比对HC排放改善明显，在排气正时390°BTDC时，最佳点火正时下M100，M75，M50的HC排放量分别为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

［编辑： 姜晓博］