莫清烈,胡 杰,曹文通,姜 峰,周俊明
(廣西科技大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,廣西 柳州 545616)
我國(guó)幅員遼闊,交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展十分迅速。在我國(guó)交通體系中,柴油機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。但是在追求經(jīng)濟(jì)和動(dòng)力的同時(shí),使用柴油機(jī)帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也日益突出。柴油機(jī)運(yùn)用米勒循環(huán)作為一種有效降低柴油機(jī)NO排放的手段正逐步被廣泛應(yīng)用,米勒循環(huán)的大規(guī)模運(yùn)用有助于提高機(jī)車(chē)柴油機(jī)的動(dòng)力性能。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)機(jī)車(chē)米勒循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行了大量的研究。杜輝等運(yùn)用GT-Power軟件對(duì)渦輪增壓商用車(chē)的汽油機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析,研究了米勒循環(huán)技術(shù)與低壓廢氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)汽油機(jī)車(chē)的影響,進(jìn)一步改善了燃油的經(jīng)濟(jì)性。Guan等通過(guò)延遲關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)對(duì)米勒循環(huán)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化,減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的一氧化氮排放量。王磊等通過(guò)GT-Power 軟件構(gòu)造了物理模型,提出基于米勒循環(huán)的柴油機(jī)NO排放強(qiáng)度控制方法,提高了控制精度與效率。Lin 等通過(guò)詳細(xì)的數(shù)值算法,用有限時(shí)間熱力學(xué)方法分析了四沖程自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用米勒循環(huán)的性能,大大降低了傳熱損失和摩擦損失對(duì)性能的負(fù)面影響,使發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的效率。賈亢等通過(guò)對(duì)廢氣再循環(huán)、米勒循環(huán)和進(jìn)氣加濕等多種措施耦合來(lái)減少NO排放。Oh等通過(guò)進(jìn)行熱力學(xué)循環(huán)分析來(lái)控制進(jìn)氣門(mén)或排氣門(mén)關(guān)閉正時(shí),改進(jìn)了米勒循環(huán),減少壓縮功,從而提高熱效率和減少氮氧化物排放。米勒循環(huán)實(shí)現(xiàn)方式有兩種:一種是改變進(jìn)氣凸輪型線,保持進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻不變,將進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻提前,即改變進(jìn)氣門(mén)升程曲線,亦稱(chēng)之為變凸輪型線;另一種是改變進(jìn)氣凸輪安裝角度來(lái)達(dá)到變氣閥重疊角的目的,進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)刻會(huì)同時(shí)改變,稱(chēng)之為變氣閥重疊角。米勒循環(huán)是將進(jìn)氣門(mén)提前到下止點(diǎn)前的某個(gè)角度關(guān)閉,在進(jìn)氣沖程中進(jìn)入氣缸的氣體會(huì)在活塞下行的過(guò)程中獲得一個(gè)額外的膨脹,若要增大膨脹比,須增大壓縮比。而米勒循環(huán)技術(shù)將進(jìn)氣門(mén)提前關(guān)閉在下止點(diǎn)前一個(gè)角度,導(dǎo)致缸內(nèi)進(jìn)氣量減少,而發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)噴油量保持不變,進(jìn)氣量減少導(dǎo)致燃料的燃燒不充分。隨著進(jìn)氣門(mén)提前角增大,增壓壓力隨之升高,在此條件下可使缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力趨于不變,同時(shí)增加缸內(nèi)進(jìn)氣量,使得柴油機(jī)在運(yùn)用米勒循環(huán)時(shí)平穩(wěn)運(yùn)行。同傳統(tǒng)柴油機(jī)循環(huán)相比,米勒循環(huán)減小了燃燒開(kāi)始時(shí)的缸內(nèi)平均溫度,大大降低了NO的排放。
圖1 為米勒循環(huán)與傳統(tǒng)柴油機(jī)沖程曲線對(duì)比圖。曲線8-1-2-3-4-5-6-7-8為傳統(tǒng)柴油機(jī)循環(huán)過(guò)程,進(jìn)氣沖程為曲線8-1,壓縮沖程為曲線1-2,燃燒膨脹沖程為曲線2-3-4-5,排氣沖程為曲線5-6-7。米勒循環(huán)過(guò)程則為曲線8′-9′-1′-2′-3′-4′-5′-6′-7′-8′。其中,進(jìn)氣沖程為曲線8′-9′,壓縮沖程為曲線1′-2′,燃燒膨脹沖程為曲線2′-3′-4′-5′,排氣沖程為曲線5′-6′-7′。目前國(guó)內(nèi)外研究人員主要針對(duì)米勒循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的作用展開(kāi)研究,而關(guān)于不同米勒循環(huán)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能作用效應(yīng)的研究較少。通過(guò)對(duì)大功率柴油機(jī)在同一負(fù)載下運(yùn)用兩種米勒循環(huán)燃用類(lèi)別不同的生物柴油進(jìn)行分析,研究柴油機(jī)在不同米勒循環(huán)方式和不同米勒度下對(duì)功率、油耗、NO排放等性能的影響,進(jìn)而為米勒循環(huán)的后續(xù)研究提供參考。
圖1 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)米勒循環(huán)與傳統(tǒng)柴油機(jī)沖程曲線對(duì)比圖
生物柴油是一種綠色可再生能源,與普通柴油相比,生物柴油具有明顯的優(yōu)勢(shì),其應(yīng)用和發(fā)展前景十分樂(lè)觀。目前主要是對(duì)生物柴油的密度、冷濾點(diǎn)、十六烷值和運(yùn)動(dòng)黏度的理化特性進(jìn)行研究。本文所研究的柴油機(jī)功率較大,采用的是渦輪增壓和電控單體泵燃油噴射技術(shù),主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。利用發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件GT-Power對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算建模,如圖2所示。
表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
圖2 柴油機(jī)仿真模型
為了對(duì)GT-Power 軟件搭建的柴油機(jī)模型進(jìn)行可靠性分析,選用標(biāo)定功率且轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí),燃用3種不同配比生物柴油B10、B20、B50與純柴油B0 缸內(nèi)燃燒壓力的仿真值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,其對(duì)比結(jié)果如圖3所示。
圖3 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)缸內(nèi)燃燒壓力對(duì)比
圖3 (續(xù))
從圖3可知,燃用純柴油時(shí),缸內(nèi)燃燒壓力仿真值最大為16.1 MPa,實(shí)驗(yàn)值最大為16.7 MPa,最大缸內(nèi)壓力仿真值與實(shí)驗(yàn)值誤差為3.6%;燃用B10、B20、B50 生物柴油時(shí),實(shí)驗(yàn)值與仿真值分別為3.5%、3.4%、3.5%。由結(jié)果可知,實(shí)驗(yàn)值與仿真值誤差較小,符合計(jì)算誤差范圍;因此,該仿真模型準(zhǔn)確性較好,可以用于后續(xù)柴油機(jī)燃用生物柴油應(yīng)用兩種米勒循環(huán)分析。
本文研究不同配比生物柴油(B0、B10、B20、B50)應(yīng)用兩種米勒循環(huán)方式對(duì)某大功率柴油機(jī)性能的影響,綜合柴油機(jī)各性能參數(shù)與生物柴油的理化特性,觀察柴油機(jī)的功率(扭矩與功率呈線性關(guān)系,扭矩變化趨勢(shì)與功率變化趨勢(shì)相似)、油耗和NO排放,從而選取最佳米勒循環(huán)方式和最優(yōu)米勒循環(huán)角度。
圖4為在兩種米勒循環(huán)下燃用不同配比生物柴油的功率對(duì)比。
圖4 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)不同配比生物柴油兩種米勒循環(huán)功率對(duì)比
圖4 (續(xù))
由圖4 可知,在0~30 °CA 范圍內(nèi),兩種米勒循環(huán)下的功率均逐步提升,這是由于隨著米勒度變大,增壓壓力也逐漸增大,缸內(nèi)進(jìn)氣量增多,燃燒更加完全,功率增大。與變氣閥重疊角米勒循環(huán)相比,變凸輪型線米勒循環(huán)表現(xiàn)較差。在40~70°CA范圍內(nèi),功率在兩種米勒循環(huán)的作用下都逐步下降,這是由于隨著米勒度變大,增壓壓力提高,進(jìn)氣量增多,超過(guò)燃料完全燃燒所需的量,功率下降,但變氣閥重疊角米勒循環(huán)逐步開(kāi)始好于變凸輪型線米勒循環(huán);因此,30°CA 是該柴油機(jī)功率發(fā)生改變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。綜合分析可知,兩種米勒循環(huán)的功率變化趨勢(shì)基本不變,在兩種米勒循環(huán)下燃用純柴油的功率最大差值在70°CA,大小約為24 kW;最小差值在40°CA,大小約為13 kW。在燃用B50生物柴油時(shí),功率最大差值約為33 kW(70°CA),最小差值約為12 kW(40°CA)。
圖5 和圖6 分別為柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油時(shí)兩種米勒循環(huán)的功率變化對(duì)比。
圖5 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)變氣閥重疊角不同配比生物柴油功率對(duì)比
圖6 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)變凸輪型線不同配比生物柴油功率對(duì)比
在0~20°CA 范圍內(nèi),兩種米勒循環(huán)下燃用不同配比生物柴油的功率均逐步上升,這是因?yàn)樵趦煞N循環(huán)下的進(jìn)氣量都有所增加,使燃燒變得充分,功率上升,且最大上升幅度分別是1.57%和1.79%。在20~70°CA范圍內(nèi),兩種米勒循環(huán)所產(chǎn)生的功率均有所下降,這是由于隨著米勒度的增大,進(jìn)氣持續(xù)時(shí)間降低,從排氣道流出新鮮空氣較少。
由圖5 和圖6 可知,兩種米勒循環(huán)所產(chǎn)生的功率均隨著燃油配比增大呈遞減趨勢(shì),且遞減幅度增大。在變凸輪型線米勒循環(huán)中,純柴油產(chǎn)生的最大功率為3 047 kW,B50生物柴油產(chǎn)生的最大功率為2 805 kW,在變氣閥重疊角米勒循環(huán)中,純柴油產(chǎn)生的最大功率為3 061 kW,B50 生物柴油產(chǎn)生的最大功率為2 816 kW。
圖7為在兩種米勒循環(huán)下燃用不同配比生物柴油的油耗對(duì)比。
圖7 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)不同配比生物柴油兩種米勒循環(huán)油耗對(duì)比
由圖7可知,在0~20°CA范圍內(nèi),在變氣閥重疊角米勒循環(huán)下油耗變化明顯,這是由于變凸輪型線米勒循環(huán)進(jìn)氣流量比變氣閥重疊角米勒循環(huán)要低一些,變凸輪型線米勒循環(huán)油氣混合較充分,燃燒較完全,功率較高,油耗較低。在20~30°CA范圍內(nèi),在兩種循環(huán)方式的作用下,油耗量都在逐漸提升,與變氣閥重疊角米勒循環(huán)相比,變凸輪型線米勒循環(huán)表現(xiàn)較差;因此,20°CA為該柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油油耗變化的拐點(diǎn)。在30~40°CA范圍內(nèi),變氣閥重疊角米勒循環(huán)下的油耗量逐漸開(kāi)始高于變凸輪型線米勒循環(huán),這是由于此時(shí)變凸輪型線米勒循環(huán)進(jìn)氣流量要高于變氣閥重疊角米勒循環(huán),燃燒較完全,功率較高,油耗較低。在40~70°CA范圍內(nèi),在兩種循環(huán)方式作用下,油耗量都在逐漸提升。造成這種現(xiàn)象的原因是隨著米勒度的進(jìn)一步增大,缸內(nèi)進(jìn)氣量減少,燃油與新鮮空氣得不到充分混合,燃燒不充分,為滿足功率輸出,需增加不同配比生物柴油,這就導(dǎo)致了油耗增加。
圖8 和圖9 分別為柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油時(shí)兩種米勒循環(huán)油耗變化對(duì)比。
圖8 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)變氣閥重疊角不同配比生物柴油油耗對(duì)比
圖9 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)變凸輪型線不同配比生物柴油油耗對(duì)比
在0~20°CA范圍內(nèi),兩種米勒循環(huán)所產(chǎn)生的油耗均呈下降的趨勢(shì),當(dāng)米勒度為20~70°CA時(shí),兩種米勒循環(huán)所產(chǎn)生的油耗均呈上升趨勢(shì)。這是由于循環(huán)噴油量不變,功率隨米勒度的增大而先升高后下降;因此,油耗出現(xiàn)先下降后升高。由圖8和圖9可知,兩種米勒循環(huán)方式下對(duì)應(yīng)的油耗變化趨勢(shì)相似,油耗隨著生物柴油配比變大而增大。當(dāng)燃用B50生物柴油且米勒度為70°CA時(shí)柴油機(jī)燃油消耗率最高,變氣閥重疊角模式為252 g(/kW·h),變凸輪型線模式為245 g(/kW·h);在米勒度為20°CA時(shí)柴油機(jī)燃油消耗率最低,變氣閥重疊角模式為211 g(/kW·h),變凸輪型線模式為212 g(/kW·h)。而燃用純柴油時(shí),在米勒度為70°CA時(shí)柴油機(jī)燃油消耗率最高,變氣閥重疊角模式油耗最高為234.5 g(/kW·h),變凸輪型線模式油耗最高為227.9 g(/kW·h);在米勒度為20°CA時(shí)柴油機(jī)燃油消耗率最低,變氣閥重疊角模式油耗最低僅為196 g(/kW·h),變凸輪型線模式油耗最低為197.5 g(/kW·h)。
圖10 為在兩種米勒循環(huán)下燃用不同配比生物柴油的碳煙排放對(duì)比。
圖10 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)不同配比生物柴油在兩種米勒循環(huán)下碳煙排放對(duì)比
圖10 (續(xù))
由圖10 可知,在0~40°CA 范圍內(nèi),兩種米勒循環(huán)所產(chǎn)生的碳煙排放均為下降趨勢(shì)。兩種米勒循環(huán)在米勒度為20°CA 左右碳煙排放相差較大,這是由于兩種米勒循環(huán)在米勒度為20°CA 時(shí)進(jìn)氣量有差異,進(jìn)氣量增加使不同配比生物柴油燃燒充分,減少了碳煙排放。
在40~70°CA范圍內(nèi),變氣閥重疊角米勒循環(huán)所產(chǎn)生的碳煙排放開(kāi)始上升,且上升幅度較大,變凸輪型線米勒循環(huán)產(chǎn)生的碳煙排放則持續(xù)下降。這是由于進(jìn)氣量保持持續(xù)增加,使變凸輪型線米勒循環(huán)缸內(nèi)燃燒更充分,變凸輪型線米勒循環(huán)所產(chǎn)生的碳煙排放持續(xù)下降;因此,40°CA 為該柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油碳煙排放變化拐點(diǎn)。
圖11 和圖12 分別為柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油時(shí)兩種米勒循環(huán)碳煙排放對(duì)比。
圖11 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)變氣閥重疊角不同配比生物柴油碳煙排放對(duì)比
圖12 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)變凸輪型線不同配比生物柴油碳煙排放對(duì)比
在0~40°CA范圍內(nèi),兩種米勒循環(huán)所產(chǎn)生的碳煙排放均呈下降趨勢(shì),這是由于缸內(nèi)進(jìn)氣量逐漸變大,混合氣燃燒愈加充分,使碳煙排放降低。變凸輪型線米勒循環(huán)在10~20°CA時(shí)產(chǎn)生的碳煙排放變化不明顯。在40~70°CA范圍內(nèi),變氣閥重疊角米勒循環(huán)所產(chǎn)生的碳煙排放為上升趨勢(shì),且在米勒度大于50°CA時(shí)碳煙排放上升幅度大,這是由于米勒度進(jìn)一步增大,大量新鮮空氣開(kāi)始從排氣道流出,進(jìn)氣流量減少,燃燒不充分使缸內(nèi)溫度下降,碳煙排放升高;變凸輪型線米勒循環(huán)碳煙排放則持續(xù)下降,且在米勒度大于40°CA時(shí)碳煙排放的下降幅度緩慢。
燃用純柴油產(chǎn)生的碳煙排放:在米勒度為40°CA時(shí),變氣閥重疊角模式為17.2 g/m,變凸輪型線模式為17.2 g/m;在米勒度為70°CA時(shí),變氣閥重疊角模式為33.2 g/m,變凸輪型線模式為10.2 g/m。燃用B50 生物柴油產(chǎn)生的碳煙排放:在米勒度為40°CA時(shí),變氣閥重疊角模式為11.3 g/m,變凸輪型線模式為11.2 g/m;在米勒度為70°CA時(shí),變氣閥重疊角模式為20.7 g/m,變凸輪型線模式為6.1 g/m。在變凸輪型線米勒循環(huán)時(shí),燃用純柴油與B50 生物柴油產(chǎn)生的碳煙排放差值:米勒度為0°CA時(shí)為9.2 g/m,米勒度為40°CA 時(shí)為6 g/m,米勒度為70°CA時(shí)為4.1 g/m。
圖13 為在兩種米勒循環(huán)下燃用不同配比生物柴油的NO排放對(duì)比。
圖13 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)不同配比生物柴油兩種米勒循環(huán)下NOx排放對(duì)比
圖13 (續(xù))
由圖13 可知,在0~70°CA 范圍內(nèi),兩種米勒循環(huán)下NO排放都逐漸下降,與變凸輪型線米勒循環(huán)相比,變氣閥重疊角米勒循環(huán)表現(xiàn)較差。這是由于隨著米勒度增大,變氣閥重疊角米勒循環(huán)進(jìn)氣量逐漸減小,降低了缸內(nèi)氧含量;而變凸輪型線米勒循環(huán)進(jìn)氣量逐漸增多,燃燒充分,溫度升高,NO排放較大。另外由于循環(huán)噴油量不變,進(jìn)氣量逐漸增加,超過(guò)完全燃燒所需的量,多余空氣量對(duì)缸內(nèi)起到冷卻作用,使得缸內(nèi)溫度進(jìn)一步下降,導(dǎo)致NO排放下降。
在米勒度為70°CA 時(shí)兩種米勒循環(huán)燃用不同配比生物柴油產(chǎn)生的NO排放相近。當(dāng)該柴油機(jī)在米勒度為70°CA 且燃用B20 生物柴油時(shí),與變凸輪型線米勒循環(huán)相比,變氣閥重疊角米勒循環(huán)表現(xiàn)較好。這是由于NO排放的產(chǎn)生與缸內(nèi)溫度、含氧量有關(guān)。由于NO的形成機(jī)理,燃燒狀態(tài)處于“高溫、富氧”狀態(tài),變凸輪型線米勒循環(huán)進(jìn)氣量持續(xù)增加,燃燒更加完全,缸內(nèi)溫度高;變氣閥重疊角米勒循環(huán)高壓力的進(jìn)氣將部分廢氣擠壓在缸內(nèi),降低了缸內(nèi)含氧量,缸內(nèi)溫度保持在較低水平;因此,變凸輪型線米勒循環(huán)產(chǎn)生的NO排放高于變氣閥重疊角米勒循環(huán)產(chǎn)生的NO排放,且隨著溫度與含氧量的不斷增大,NO排放也逐漸增大。
圖14 和圖15 分別為柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油時(shí)兩種米勒循環(huán)的NO排放變化對(duì)比。
圖14 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)變氣閥重疊角不同配比生物柴油NOx對(duì)比
圖15 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)變凸輪型線不同配比生物柴油NOx對(duì)比
由圖14 和圖15 可知,柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油時(shí),變凸輪型線米勒循環(huán)與變氣閥重疊角米勒循環(huán)產(chǎn)生的NO排放均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于米勒度進(jìn)一步增大,使進(jìn)氣流量逐漸增大,大量新鮮空氣開(kāi)始從排氣道流出,進(jìn)氣流量減少,燃燒不充分使缸內(nèi)溫度下降,NO排放減少。在相同米勒度下,燃用純柴油NO排放最低。當(dāng)柴油機(jī)燃用純柴油且米勒度為0°CA時(shí),柴油機(jī)NO排放最高,變氣閥重疊角模式NO排放最高為10.2 g(/kW·h),變凸輪型線模式為10.1 g(/kW·h);在米勒度為70°CA 時(shí)柴油機(jī)NO排放最低,變氣閥重疊角模式NO排放最低僅為5.7 g(/kW·h),變凸輪型線模式NO排放最低為5.8 g(/kW·h)。
所以,在米勒度一致的情況下,變凸輪型線米勒循環(huán)比變氣閥重疊角米勒循環(huán)更能明顯影響NO的排放效果;因此,在米勒度為30°CA 時(shí),使用變氣閥重疊角米勒循環(huán)并燃用B10生物柴油為提高該柴油機(jī)性能的較優(yōu)方案;在燃用B10 生物柴油時(shí),米勒度為20°CA方案亦可達(dá)到相近效果;在米勒度30°CA時(shí),燃用B20生物柴油方案效果次之。
1)由研究分析可知,兩種米勒循環(huán)對(duì)柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油的功率、油耗、NO排放變化趨勢(shì)一致,且柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油時(shí),30°CA是柴油機(jī)功率發(fā)生變化的拐點(diǎn),20°CA是該柴油機(jī)油耗變化拐點(diǎn),40°CA 是該柴油機(jī)碳煙排放的變化拐點(diǎn)。
2)柴油機(jī)燃用不同生物柴油運(yùn)用兩種米勒循環(huán)時(shí)NO排放降低的效果顯著,變凸輪型線米勒循環(huán)排放效果低于變氣閥重疊角米勒循環(huán),且NO排放在米勒度增加的過(guò)程中顯著降低。該柴油機(jī)采用純柴油時(shí)產(chǎn)生的NO排放量最低,燃用B50生物柴油所產(chǎn)生的NO排放量最高。
綜合分析可確定提升柴油機(jī)性能的最佳優(yōu)化方案為:采用變氣閥重疊角米勒循環(huán),米勒度為30°CA,燃用B10生物柴油。