胡玲玲 辛華健 李曉萍 胡杰 姜峰 曹文通 周俊明
摘 要:本文基于GT-Power軟件,對比分析了B20生物柴油在1 000 r/min轉(zhuǎn)速、2種負荷工況(100%和50%)下的2種米勒循環(huán)最佳方案,找到關(guān)于動力、經(jīng)濟、排放性能最佳的進氣門提前關(guān)閉角;再基于米勒循環(huán)方案,對其性能進行了優(yōu)化和分析,得出了B20生物柴油發(fā)動機在2種工況下功率、油耗、soot排放與NOx排放最佳性能的進氣正時方案。結(jié)果表明:變氣門重疊角米勒循環(huán)在整體性能方面優(yōu)于變凸輪型線米勒循環(huán),變氣門重疊角米勒循環(huán)燃用B20生物柴油在2種不同負荷工況下,當處于進氣門提前關(guān)閉角30 ℃A時功率性能最佳,并且通過模型優(yōu)化后2種工況分別在進氣門正時179.0 ℃aA和排氣門正時174.0 ℃aA、進氣門正時224.5 ℃aA和排氣門正時119.0 ℃aA區(qū)域內(nèi)有功率極大值;同理,油耗、soot與NOx排放也同樣存在相對應的最佳進氣門提前關(guān)閉角與優(yōu)化后相對應的區(qū)域。
關(guān)鍵詞:生物柴油;機車柴油機;米勒循環(huán);性能優(yōu)化
中圖分類號:TK421.5 DOI:10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.02.002
0 引言
我國地域遼闊,交通運輸是經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵所在,其中,鐵路運輸是目前市場需求的核心環(huán)節(jié)[1]。在鐵路運輸中,大功率機車柴油發(fā)動機的運用十分廣泛[2],但是大規(guī)模使用柴油發(fā)動機帶來了嚴重的環(huán)境污染問題[3],不符合“碳中和、碳達峰”政策,所以提出一種能讓大功率柴油發(fā)動機提升動力、排放性能的方法是目前研究的熱點問題之一[4]。生物柴油和米勒循環(huán)技術(shù)的運用是解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。生物柴油作為一種清潔能源[5],與市面上普通的純柴油相比,生物柴油尤其是低配比濃度生物柴油在排放性能方面更優(yōu)[6]。米勒循環(huán)技術(shù)是能有效地降低NOx排放的核心技術(shù)[7-8],目前國內(nèi)外學者對生物柴油技術(shù)與米勒循環(huán)技術(shù)開展了大量的研究。張美娟等[9]通過臺架試驗研究燃用生物柴油的燃燒過程和排放特性,結(jié)果表明在中高負荷時,碳煙排放隨生物柴油摻混比增大而明顯降低,這與本次研究結(jié)果大致相同。張哲等 [10]將生物柴油運用于內(nèi)河船舶柴油發(fā)動機中,對燃用純柴油和B10生物柴油的振動特性和缸內(nèi)燃燒特性進行了對比分析。楊捷波等[11]將生物柴油技術(shù)與排氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)技術(shù)耦合運用,研究對柴油機燃燒和排放性能的影響,結(jié)果表明在相同EGR率下,隨著生物柴油摻混比增大,爆壓、CO排放量和soot排放量均呈下降趨勢,NO排放量明顯上升。杜輝等[12]將EGR技術(shù)與米勒循環(huán)相結(jié)合,結(jié)果表明不同的米勒循環(huán)都存在使燃油經(jīng)濟性達到最佳的進氣門提前關(guān)閉角的情況。王磊等[13]基于GT-Power軟件構(gòu)建柴油機物理模型,對柴油機排放NOx進行仿真分析。
結(jié)合以上研究結(jié)果,以國產(chǎn)某款大功率柴油發(fā)動機為研究對象[14-15],分析該款機型在燃用B20濃度生物柴油時對柴油機整體動力、經(jīng)濟和排放性能的影響程度。該款柴油機燃用生物柴油時在不改變發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下,對100%和50%這2種工況下運用2種米勒循環(huán)技術(shù)進行了對比,分別得到2種負荷工況下的最佳進氣門提前關(guān)閉角,100%滿負荷工況與50%負荷工況下能反映出大功率柴油機所能達到的最高動力性能與常規(guī)條件下所能達到的動力性能,兩者都十分具有研究價值。同時基于模型優(yōu)化分析,以云圖的方式得到2種負荷工況下最大功率、最低油耗和最低排放的配氣方案。
1 發(fā)動機模型建立與生物柴油理化特性分析
1.1 發(fā)動機模型建立
本次研究的柴油發(fā)動機是一款國產(chǎn)四沖程、直接噴射、廢氣渦輪增壓、增壓中冷的大功率機車柴油發(fā)動機。文獻[16-17]分析了該款機型的整體性能,并且驗證了該機型的仿真模型的準確性,本文以此為基礎,在該款大功率機型原有工作基礎上進行擴展研究。
通過GT-Power軟件搭建大功率柴油發(fā)動機動力系統(tǒng)仿真模型,如圖1所示。
1.2 B20生物柴油理化特性分析
本文采用的生物柴油原料是世界上油脂產(chǎn)量非常豐富的大豆,B20生物柴油即生物柴油在混合燃料中的體積分數(shù)為20%。研究明確了B20生物柴油的密度、閃點、運動黏度等理化特性,如表1所示,其理化特性能夠直接影響到生物柴油的燃燒、蒸發(fā)過程,進而影響到柴油機整體動力、經(jīng)濟、排放性能。
由表1數(shù)據(jù)可知,B20生物柴油在密度、閃點、運動黏度等有關(guān)評價燃油性能的重要參數(shù)上都趨于合理范圍內(nèi),雖然B20生物柴油熱值略小于B0純柴油,但數(shù)據(jù)值相近且相差不大,可以滿足發(fā)動機燃燒熱量的需求,而且B20生物柴油在整體性能方面達到最佳狀態(tài),具有研究意義。
2 B20生物柴油運用2種米勒循環(huán)的性能比較
2.1 2種負荷條件下的功率對比
2種工況下的米勒循環(huán)功率對比如圖2所示。
由圖2可知,當大功率柴油發(fā)動機燃用生物柴油處于100%滿負荷工況下時,變凸輪型線米勒循環(huán)和變氣門重疊角米勒循環(huán)有相同的變化趨勢,2種米勒循環(huán)都在進氣門提前關(guān)閉角為30 ℃A時達到極大值并且伴隨拐點出現(xiàn)。在0~30 ℃A范圍內(nèi)變氣門重疊角米勒循環(huán)功率值大于變凸輪型線米勒循環(huán),而在40~70 ℃A范圍內(nèi),變凸輪型線米勒循環(huán)大于變氣門重疊角度米勒循環(huán)。出現(xiàn)這種變化是因為在0~30 ℃A范圍時,相對于變凸輪型線米勒循環(huán),變氣門重疊角米勒循環(huán)的進氣量較多,更適量的進氣量使得氣缸內(nèi)的燃料和氣體充分融合,燃燒更徹底,功率更大,達到功率極值4 623 kW;在40~70 ℃A范圍內(nèi),變凸輪型線米勒循環(huán)進氣量持續(xù)增加,甚至大于變氣門重疊角米勒循環(huán),而變氣門重疊角米勒循環(huán)進氣量不足使柴油機燃燒惡化,功率下降,并且變氣門重疊角米勒循環(huán)功率下降值比變凸輪型線米勒循環(huán)功率下降值大。因此,100%負荷工況下2種米勒循環(huán)的拐點為30 ℃A。
同樣,50%負荷工況下的功率變化趨勢與100%負荷工況下的功率變化趨勢相同,都是在進氣門提前關(guān)閉角30 ℃A時達到功率極值3 830 kW;在100%和50%負荷工況下,2種米勒循環(huán)在30 ℃A時差值分別為43、20 kW。因此,50%負荷工況下2種米勒循環(huán)的拐點也為30 ℃A。
綜上所述,在功率值方面,變氣門重疊角米勒循環(huán)優(yōu)于變凸輪型線米勒循環(huán),且拐點為進氣門提前關(guān)閉角30 ℃A。
2.2 2種負荷條件下的油耗對比
2種工況下米勒循環(huán)燃油消耗率對比如圖3所示。
由圖3可知,當大功率柴油發(fā)動機燃用B20生物柴油處于100%、50%這2種負荷工況下時,2種米勒循環(huán)燃油消耗率都在進氣門提前關(guān)閉角為20 ℃A時出現(xiàn)極小值,在進氣門提前關(guān)閉角為70 ℃A時出現(xiàn)極大值。極小值分別為:100%工況下變凸輪型線米勒循環(huán)197.5 g/(kW·h),變氣門重疊角米勒循環(huán)196.5 g/(kW·h);50%工況下變凸輪型線米勒循環(huán)206.0 g/(kW·h),變氣門重疊角米勒循環(huán)204.0 g/(kW·h)。極大值分別為:100%工況下變凸輪型線米勒循環(huán)221.2 g/(kW·h),變氣門重疊角米勒循環(huán)222.9 g/(kW·h);50%工況下變凸輪型線米勒循環(huán)237.6 g/(kW·h),變氣門重疊角米勒循環(huán)245.0 g/(kW·h)。2種米勒循環(huán)在2種負荷工況下都在進氣門提前關(guān)閉角為20 ℃A時得到燃油最小值。2種米勒循環(huán)燃油消耗率在0~20 ℃A范圍內(nèi)都下降的原因是:進氣量在這個范圍內(nèi)增加,空氣和燃料完全結(jié)合,燃燒更加徹底,而且在該范圍內(nèi),變凸輪型線米勒循環(huán)燃油消耗率略大于變氣門重疊角米勒循環(huán)。當進氣門提前關(guān)閉角逐漸大于30 ℃A后,變氣門重疊角米勒循環(huán)燃油消耗率開始大于變凸輪型線米勒循環(huán),這是因為變氣門重疊角米勒循環(huán)在30 ℃A后進氣量持續(xù)減少,油氣混合物不足。為了確保功率不受影響,只能增加循環(huán)燃油噴射量,從而增加燃油消耗。
綜上所述,在燃油消耗率方面,變氣門重疊角米勒循環(huán)優(yōu)于變凸輪型線米勒循環(huán),拐點為進氣門提前關(guān)閉角20 ℃A。
2.3 2種負荷條件下的soot排放對比
2種工況下米勒循環(huán)soot排放對比如圖4所示。
由圖4可知,當大功率柴油機燃用B20生物柴油并處于100%負荷條件下時,2種米勒循環(huán)soot排放在0~30 ℃A時都呈現(xiàn)出下降的趨勢,并且變凸輪型線米勒循環(huán)soot排放量大于變氣門重疊角米勒循環(huán)。其原因是2種米勒循環(huán)的入口壓力增加,燃料完全燃燒,煙塵排放減少。在30~70 ℃A范圍內(nèi)時,變氣門重疊角米勒循環(huán)soot排放量呈現(xiàn)急劇上升趨勢,而變凸輪型線米勒循環(huán)soot排放量則持續(xù)降低,未出現(xiàn)拐點值。出現(xiàn)這個現(xiàn)象的原因是變氣門重疊角米勒循環(huán)隨著變氣門提前角增加,部分增壓增量空氣流出排氣通道,減少進氣;而變凸輪型線米勒循環(huán)隨著變氣門提前角增加,進氣量繼續(xù)增加,油和空氣充分混合,氣缸內(nèi)的燃燒更加徹底,soot排放逐漸減少。因此,在100%負荷工況下,變氣門重疊角米勒循環(huán)關(guān)于煙塵排放的拐點為30 ℃A,其排放最小值為21 g/m3。
在50%負荷工況條件下,2種米勒循環(huán)在0~40 ℃A范圍內(nèi)都呈現(xiàn)出下降的趨勢,原因與100%負荷工況條件下相同,并且變凸輪型線米勒循環(huán)soot排放量大于變氣門重疊角米勒循環(huán)。當進氣門提前關(guān)閉角為40 ℃A時,2種米勒循環(huán)幾乎相同。進氣門提前關(guān)閉角的增加導致進氣量的增加,這使得B20生物柴油在氣缸中充分燃燒,soot排放減少。在40~70 ℃A范圍內(nèi),變氣門重疊角米勒循環(huán)soot排放量也出現(xiàn)了劇烈上升,出現(xiàn)拐點值,而變凸輪型線米勒循環(huán)soot排放量則持續(xù)下降。因此,在50%負荷工況下,變氣門重疊角米勒循環(huán)關(guān)于煙塵排放的拐點為40 ℃A,其排放最小值為12.6 g/m3。
綜上所述,在soot排放性能方面,變氣門重疊角米勒循環(huán)優(yōu)于變凸輪型線米勒循環(huán)。
2.4 2種負荷條件下的NOx排放對比
2種工況下米勒循環(huán)NOx排放對比如圖5所示。
由圖5可知,當大功率柴油發(fā)動機燃用B20生物柴油在100%和50%負荷工況下,2種米勒循環(huán)的NOx排放值在0~70 ℃A范圍內(nèi)都呈現(xiàn)出下降的趨勢,并且在2種負荷工況下變氣門重疊角米勒循環(huán)的NOx排放性能優(yōu)于變凸輪型線米勒循環(huán)。但是,2種米勒循環(huán)的NOx排放隨著進氣門提前關(guān)閉角的增大而減少的原因并不相同,變凸輪型線米勒循環(huán)是因為當新鮮空氣在進入氣缸時將經(jīng)歷額外的膨脹過程,并伴隨整個燃燒過程。由于新鮮空氣冷卻而降低氣缸中的溫度,從而減少NOx排放。而變氣門重疊角米勒循環(huán)是因為進氣壓力增加,氣缸中的低壓氣體在排氣沖程期間不容易排出;這相當于高壓進氣中的壓力,高壓進氣壓縮氣缸中的部分廢氣,導致廢氣含量持續(xù)增加,空氣含量(尤其是氧氣含量)減少,從而減少NOx排放。值得注意的是,在50%負荷工況下變凸輪型線米勒循環(huán)NOx排放值小于變氣門重疊角米勒循環(huán),這是因為NOx排放的產(chǎn)生與氣缸中的溫度和氧含量有關(guān)。
綜上所述,在NOx排放性能方面,變氣門重疊角米勒循環(huán)優(yōu)于變凸輪型線米勒循環(huán)。
3 B20生物柴油運用優(yōu)化模型前后對比與分析
通過模型優(yōu)化分別對大功率柴油發(fā)動機燃用B20生物柴油在1 000 r/min、不同負荷工況(100%、50%)下的最大功率、最小油耗、最小soot排放與最小NOx排放進行優(yōu)化計算,得到優(yōu)化結(jié)果。本文的云圖中,當紅色區(qū)域趨于集中時,計算結(jié)果接近優(yōu)化極大值;藍色區(qū)域趨于集中時,計算結(jié)果接近優(yōu)化極小值。云圖的橫坐標表示獨立變量的進氣門正時角,縱坐標表示該獨立變量的排氣門正時角。
3.1 2種負荷條件下的功率優(yōu)化分析
圖6為100%負荷工況下的功率優(yōu)化云圖。由圖6可知,在100%負荷工況下,功率優(yōu)化最大值區(qū)域主要集中在進氣門正時172.0~190.0 ℃aA和排氣門正時165.0~180.0 ℃aA附近,主要原因是:在氣門正時范圍內(nèi),與氣門對應的新鮮空氣進氣量增加,柴油機氣缸中的油氣充分融合,燃燒更徹底,功率相應增加。該區(qū)域為在100%負荷工況下的最大輸出功率區(qū)域。
圖7為50%負荷工況下的功率優(yōu)化云圖。由圖7可知,在50%負荷工況下,優(yōu)化最大值區(qū)域出現(xiàn)在進氣門正時224.5 ℃aA和排氣門正時119.0 ℃aA附近,相比較于100%負荷工況下的優(yōu)化區(qū)域,50%負荷工況下的最大功率區(qū)域非常小,而且優(yōu)化程度不夠明顯,柴油發(fā)動機氣缸中的進氣氣流較少,B20生物柴油燃料和空氣未充分融合,柴油發(fā)動機的熱效率和功率降低。
3.2 2種負荷條件下的油耗優(yōu)化分析
圖9、圖10分別為在100%、50%負荷工況下的油耗優(yōu)化云圖。云圖中顯示油耗優(yōu)化最小值區(qū)域分別在進氣門正時180.0 ℃aA和排氣門正時80.0 ℃aA附近、進氣門正時187.5 ℃aA和排氣門正時170.0 ℃aA附近。在該優(yōu)化區(qū)域出現(xiàn)最佳油耗值的原因是當進氣門提前角正時,大量的新鮮空氣進入氣缸內(nèi)部,油氣混合充分,燃燒更加充足,油耗下降。
圖11為2種負荷工況下優(yōu)化前后油耗對比圖。從圖中可以看出,經(jīng)過模型優(yōu)化后2種米勒循環(huán)在2種負荷工況下的油耗值都有所下降,優(yōu)化后可以實現(xiàn)最小油耗,并且改善發(fā)動機的經(jīng)濟性能,具有一定的現(xiàn)實意義。
3.3 2種負荷條件下的soot排放優(yōu)化分析
圖12、圖13分別為在100%、50%負荷工況下soot排放優(yōu)化云圖。云圖中顯示soot排放優(yōu)化最小值區(qū)域都在進氣門正時264.5 ℃aA和排氣門正時191.0 ℃aA的區(qū)域,這是因為在該進氣門提前角區(qū)域內(nèi),燃料燃燒最為完全,soot排放最低。
圖14為2種負荷工況下優(yōu)化前后soot排放對比圖。從圖中可以看出,經(jīng)過模型優(yōu)化后2種米勒循環(huán)在2種負荷工況下soot排放值都有所下降,其中50%負荷工況下優(yōu)化效果最為明顯,從20.3 g/m3降低至14.5 g/m3。優(yōu)化后可以實現(xiàn)soot排放值最小且改善發(fā)動機的排放性能,具有一定的現(xiàn)實意義。
3.4 2種負荷條件下的NOx優(yōu)化分析
圖15、圖16分別為在100%、50%負荷工況下NOx排放優(yōu)化云圖。云圖中顯示NOx排放優(yōu)化最小值區(qū)域分別在進氣門正時232.0 ℃aA和排氣門正時189.0 ℃aA附近的中心區(qū)域、進氣門正時264.5 ℃aA和排氣門正時188.0 ℃aA附近的區(qū)域。
圖17為2種負荷工況下優(yōu)化前后NOx排放對比圖。從圖中可以看出,經(jīng)過模型優(yōu)化后2種米勒循環(huán)在2種負荷工況下NOx排放值都有所下降,優(yōu)化效果明顯。優(yōu)化后可以實現(xiàn)NOx排放值最小且改善發(fā)動機的排放性能,具有一定的現(xiàn)實意義。
4 結(jié)論
生物柴油與米勒循環(huán)是目前改善大功率柴油發(fā)動機燃燒特性與排放特性的可靠技術(shù)之一,對減碳、降碳排放具有十分重要的意義。本文對大功率柴油發(fā)動機燃用B20生物柴油在2種不同的米勒循環(huán)技術(shù)下對100%、50%這2種負荷工況條件進行了研究,對比分析了2種米勒循環(huán)對功率、燃油消耗、soot排放和NOx排放的影響,并且基于優(yōu)化模型,對功率、油耗、soot和NOx排放進行優(yōu)化,完善了該款機型在動力、經(jīng)濟和排放方面的性能。主要結(jié)論如下:
1)對于功率而言,發(fā)動機燃用B20生物柴油后,在100%負荷與50%負荷2種工況下,變氣門重疊角米勒循環(huán)動力性能都優(yōu)于變凸輪型線米勒循環(huán),并且2種米勒循環(huán)都是在進氣門提前關(guān)閉角為30 ℃A時得到功率極大值,所以功率拐點值為進氣門提前關(guān)閉角30 ℃A。通過模型優(yōu)化后,100%與50%負荷2種工況分別在進氣門正時172.0~190.0 ℃aA和排氣門正時165.0~180.0 ℃aA區(qū)域、進氣門正時224.5 ℃aA和排氣門正時119.0 ℃aA區(qū)域得到功率優(yōu)化極大值。
2)對于油耗而言,發(fā)動機燃用B20生物柴油后,在100%負荷與50%負荷2種工況下,變氣門重疊角米勒循環(huán)經(jīng)濟性能都優(yōu)于變凸輪型線米勒循環(huán),并且2種米勒循環(huán)都是在進氣門提前關(guān)閉角為20 ℃A時得到油耗極小值,所以油耗拐點值為進氣門提前關(guān)閉角20 ℃A。通過模型優(yōu)化后,100%與50%負荷2種工況分別在進氣門正時180.0 ℃aA和排氣門正時80.0 ℃aA附近、進氣門正時187.5 ℃aA和排氣門正時170.0 ℃aA附近得到油耗優(yōu)化極小值。
3)對于soot排放而言,發(fā)動機燃用B20生物柴油后,在100%負荷下,在進氣門提前關(guān)閉角0~30 ℃A范圍內(nèi)變氣門重疊角米勒循環(huán)排放性優(yōu)于變凸輪型線米勒循環(huán),但在30~70 ℃A范圍內(nèi)變凸輪型線米勒循環(huán)排放性能要優(yōu)于變氣門重疊角米勒循環(huán);在50%負荷工況下,在進氣門提前關(guān)閉角0~40 ℃A范圍內(nèi)變氣門重疊角米勒循環(huán)排放性優(yōu)于變凸輪型線米勒循環(huán),但在40~70 ℃A范圍內(nèi)變凸輪型線米勒循環(huán)排放性能要優(yōu)于變氣門重疊角米勒循環(huán),所以進氣門提前關(guān)閉角30、40 ℃A分別是變氣門重疊角關(guān)于煙塵排放的拐點。通過模型優(yōu)化后,100%與50%負荷2種工況分別在進氣門正時264.5 ℃aA和排氣門正時191.0 ℃aA得到soot排放優(yōu)化極小值。
4)對于NOx排放而言,發(fā)動機燃用B20生物柴油后,在100%負荷與50%負荷2種工況下,在進氣門提前關(guān)閉角0~70 ℃A范圍內(nèi)變氣門重疊角米勒循環(huán)排放性能都優(yōu)于變凸輪型線米勒循環(huán),并且2種米勒循環(huán)都是在進氣門提前關(guān)閉角為70 ℃A時得到NOx排放極小值。通過模型優(yōu)化后,100%與50%負荷2種工況分別在進氣門正時232.0 ℃aA和排氣門正時189.0 ℃aA、進氣門正時264.5 ℃aA和排氣門正時188.0 ℃aA附近得到NOx排放優(yōu)化極小值。
參考文獻
[1] JIANG F,ZHOU J M,HU J,et al.Performance comparison and optimization of 16V265H diesel engine fueled with biodiesel based on miller cycle[J].Processes,2022,10(7):1412-1437.
[2] 關(guān)澤,范晨陽,王站成,等.柴油發(fā)動機超細顆粒物數(shù)量檢測方法研究進展[J].儀器儀表學報,2022,43(7):1-16.
[3] 主國強,齊鯤鵬,王紀松,等.不同電增壓方式對米勒循環(huán)柴油機性能影響的模擬研究[J].內(nèi)燃機工程,2022,43(4):40-47.
[4] 陳冠益,夏曬歌,李婉晴,等.面向碳中和的生物柴油制備及應用研究進展[J].太陽能學報,2022,43(9):343-353.
[5] JIANG F,ZHOU J M,HU J,et al.Study on performance of locomotive diesel engine fueled with biodiesel using two miller cycle technologies[J].Processes,2022,10(2):372-397.
[6] 米永剛,玄鐵民,何志霞,等.加氫催化生物柴油-柴油的噴霧燃燒特性[J].內(nèi)燃機學報,2021,39(4):314-319.
[7] 郝嘉田,孫柏剛.利用廢氣再循環(huán)與米勒循環(huán)提高氫內(nèi)燃機壓縮比的研究[J].內(nèi)燃機工程,2021,42(5):52-59.
[8] 姜峰,李明海,王娟.兩種米勒循環(huán)對機車柴油機性能的計算分析與研究[J].內(nèi)燃機工程,2017,38(6):119-124.
[9] 張美娟,李游,吳旭東,等.柴油機燃用F-T柴油/生物柴油混合燃料的燃燒及排放特性[J].中國農(nóng)機化學報,2022,43(9):109-115.
[10] 張哲,江國和,陳優(yōu)金,等.內(nèi)河船舶柴油機燃用摻混小比例餐廚廢棄油脂制生物柴油性能研究[J/OL].中國油脂:1-10(2022-03-17)[2022-12-31].https://kns.cnki.net/kns8/defaultresult/index.
[11] 楊捷波,王彬彬,高占斌,等.摻燒生物柴油耦合EGR對柴油機性能的影響及優(yōu)化[J].船舶工程,2022,44(1):15-22,75.
[12] 杜輝,江帆,鄧水根,等.米勒循環(huán)及低壓廢氣再循環(huán)技術(shù)對汽油機性能的影響研究[J].內(nèi)燃機工程,2021,42(2):47-52,63.
[13] 王磊,陳愛紅,黃英娜.基于米勒循環(huán)的柴油機NOx排放強度控制仿真[J].計算機仿真,2020,37(10):105-108,178.
[14] JIANG F,CAO W T,TAN X Y,et al.Optimization analysis of locomotive diesel engine intake system based on Matlab-Simulink and GT-Power[J].Processes,2022,10(1):157.
[15] 王繼文,譚雪友,李鐘婷,等.大功率機車柴油機燃用生物柴油的試驗分析[J].廣西科技大學學報,2022,33(1):1-6.
[16] 胡杰,莫清烈,姜峰,等.基于GT-Power對機車柴油機燃用生物柴油的性能分析[J].廣西科技大學學報,2022,33(3):122-129.
[17] 莫清烈,胡杰,曹文通,等.米勒循環(huán)下不同配比生物柴油對柴油機性能的影響[J].廣西科技大學學報,2022,33(4):91-99.
Optimization analysis of diesel engine performance with Miller
cycle for biodiesel
HU Lingling1, XIN Huajian*2 , LI Xiaoping1, HU Jie1, JIANG Feng1, CAO Wentong1,
ZHOU Junming1
(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545616, China; 2. Guangxi Polytechnic of Industry and Technology, Nanning 530200, China)
Abstract: Based on GT-Power software, this paper compared and analyzed two optimal schemes of Miller cycle for B20 concentration biodiesel under 1 000 r/min and two load conditions (100% and 50%), and found the best inlet valve closing advance angle for power, economy and emission performance. Then, based on the Miller cycle scheme, its performance was optimized and analyzed, and the intake timing scheme with the best performance of power, fuel consumption, soot emissions and NOx emissions of B20 biodiesel engine under two working conditions was obtained. The results show that the overall performance of the Miller cycle with variable valve overlap angle is superior to the Miller cycle with variable cam profile. The power performance of the Miller cycle with variable valve overlap angle is the best under two different load conditions of B20 biodiesel when the inlet valve is closed at 30 °CA in advance. After model optimization, there are maximum power in the areas of intake valve timing at 179.0 °CaA, exhaust valve timing at 174.0 °CaA, intake valve timing at 224.5 °CaA and exhaust valve timing at 119.0 °CaA in the two load conditions, respectively. Similarly, fuel consumption, soot and NOx emissions also have corresponding optimum inlet valve closing angle in advance and corresponding areas after optimization.
Keywords: biodiesel; locomotive diesel engine; Miller cycle; performance optimization
(責任編輯:黎 婭)
收稿日期:2023-01-04;修回日期:2023-03-16
基金項目:國家自然科學基金項目(61963006);廣西科技大學博士基金項目(校科博21Z34);廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點實驗室自主研究課題(2022GKLACVTZZ02,2022GKLACVTZZ03)資助
第一作者:胡玲玲,碩士,工程師,研究方向:內(nèi)燃機性能優(yōu)化研究,E-mail:19535887@qq.com
*通信作者:辛華健,碩士,副教授,研究方向:控制工程研究,E-mail:493141592@qq.com