運(yùn)用米勒循環(huán)與生物柴油對柴油機(jī)性能優(yōu)化分析

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(fù)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(dòng)力、經(jīng)濟(jì)、排放性能最佳的進(jìn)氣門提前關(guān)閉角；再基于米勒循環(huán)方案，對其性能進(jìn)行了優(yōu)化和分析，得出了B20生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在2種工況下功率、油耗、soot排放與NOx排放最佳性能的進(jìn)氣正時(shí)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(fù)荷工況下，當(dāng)處于進(jìn)氣門提前關(guān)閉角30 ℃A時(shí)功率性能最佳，并且通過模型優(yōu)化后2種工況分別在進(jìn)氣門正時(shí)179.0 ℃aA和排氣門正時(shí)174.0 ℃aA、進(jìn)氣門正時(shí)224.5 ℃aA和排氣門正時(shí)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(yīng)的最佳進(jìn)氣門提前關(guān)閉角與優(yōu)化后相對應(yīng)的區(qū)域。

關(guān)鍵詞：生物柴油；機(jī)車柴油機(jī)；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(yùn)輸是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵所在，其中，鐵路運(yùn)輸是目前市場需求的核心環(huán)節(jié)[1]。在鐵路運(yùn)輸中，大功率機(jī)車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)用十分廣泛[2]，但是大規(guī)模使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題[3]，不符合“碳中和、碳達(dá)峰”政策，所以提出一種能讓大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提升動(dòng)力、排放性能的方法是目前研究的熱點(diǎn)問題之一[4]。生物柴油和米勒循環(huán)技術(shù)的運(yùn)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(xué)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(yàn)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(fù)荷時(shí)，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(yùn)用于內(nèi)河船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，對燃用純柴油和B10生物柴油的振動(dòng)特性和缸內(nèi)燃燒特性進(jìn)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(yùn)用，研究對柴油機(jī)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(jì)性達(dá)到最佳的進(jìn)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(jī)物理模型，對柴油機(jī)排放NOx進(jìn)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(dòng)機(jī)為研究對象[14-15]，分析該款機(jī)型在燃用B20濃度生物柴油時(shí)對柴油機(jī)整體動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)和排放性能的影響程度。該款柴油機(jī)燃用生物柴油時(shí)在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，對100%和50%這2種工況下運(yùn)用2種米勒循環(huán)技術(shù)進(jìn)行了對比，分別得到2種負(fù)荷工況下的最佳進(jìn)氣門提前關(guān)閉角，100%滿負(fù)荷工況與50%負(fù)荷工況下能反映出大功率柴油機(jī)所能達(dá)到的最高動(dòng)力性能與常規(guī)條件下所能達(dá)到的動(dòng)力性能，兩者都十分具有研究價(jià)值。同時(shí)基于模型優(yōu)化分析，以云圖的方式得到2種負(fù)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(dòng)機(jī)模型建立與生物柴油理化特性分析

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型建立

本次研究的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。文獻(xiàn)[16-17]分析了該款機(jī)型的整體性能，并且驗(yàn)證了該機(jī)型的仿真模型的準(zhǔn)確性，本文以此為基礎(chǔ)，在該款大功率機(jī)型原有工作基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展研究。

通過GT-Power軟件搭建大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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?jǐn)?shù)為20%。研究明確了B20生物柴油的密度、閃點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)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(jìn)而影響到柴油機(jī)整體動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)、排放性能。

由表1數(shù)據(jù)可知，B20生物柴油在密度、閃點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)黏度等有關(guān)評價(jià)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(dòng)機(jī)燃燒熱量的需求，而且B20生物柴油在整體性能方面達(dá)到最佳狀態(tài)，具有研究意義。

2 B20生物柴油運(yùn)用2種米勒循環(huán)的性能比較

2.1 2種負(fù)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(dāng)大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油處于100%滿負(fù)荷工況下時(shí)，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(jìn)氣門提前關(guān)閉角為30 ℃A時(shí)達(dá)到極大值并且伴隨拐點(diǎn)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?yàn)樵?～30 ℃A范圍時(shí)，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(jìn)氣量較多，更適量的進(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)氣量不足使柴油機(jī)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(fù)荷工況下2種米勒循環(huán)的拐點(diǎn)為30 ℃A。

同樣，50%負(fù)荷工況下的功率變化趨勢與100%負(fù)荷工況下的功率變化趨勢相同，都是在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角30 ℃A時(shí)達(dá)到功率極值3 830 kW；在100%和50%負(fù)荷工況下，2種米勒循環(huán)在30 ℃A時(shí)差值分別為43、20 kW。因此，50%負(fù)荷工況下2種米勒循環(huán)的拐點(diǎn)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(diǎn)為進(jìn)氣門提前關(guān)閉角30 ℃A。

2.2 2種負(fù)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(dāng)大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃用B20生物柴油處于100%、50%這2種負(fù)荷工況下時(shí)，2種米勒循環(huán)燃油消耗率都在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角為20 ℃A時(shí)出現(xiàn)極小值，在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角為70 ℃A時(shí)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(fù)荷工況下都在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角為20 ℃A時(shí)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(jìn)氣量在這個(gè)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(dāng)進(jìn)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?yàn)樽儦忾T重疊角米勒循環(huán)在30 ℃A后進(jìn)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(diǎn)為進(jìn)氣門提前關(guān)閉角20 ℃A。

2.3 2種負(fù)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(dāng)大功率柴油機(jī)燃用B20生物柴油并處于100%負(fù)荷條件下時(shí)，2種米勒循環(huán)soot排放在0～30 ℃A時(shí)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(shí)，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(diǎn)值。出現(xiàn)這個(gè)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(jìn)氣；而變凸輪型線米勒循環(huán)隨著變氣門提前角增加，進(jìn)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(fù)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(diǎn)為30 ℃A，其排放最小值為21 g/m3。

在50%負(fù)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(fù)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(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角為40 ℃A時(shí)，2種米勒循環(huán)幾乎相同。進(jìn)氣門提前關(guān)閉角的增加導(dǎo)致進(jìn)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(diǎn)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(fù)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(diǎn)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(fù)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(dāng)大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃用B20生物柴油在100%和50%負(fù)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(fù)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(jìn)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?yàn)楫?dāng)新鮮空氣在進(jìn)入氣缸時(shí)將經(jīng)歷額外的膨脹過程，并伴隨整個(gè)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?yàn)檫M(jìn)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(dāng)于高壓進(jìn)氣中的壓力，高壓進(jìn)氣壓縮氣缸中的部分廢氣，導(dǎo)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(fù)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?yàn)镹Ox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(yùn)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(dòng)機(jī)燃用B20生物柴油在1 000 r/min、不同負(fù)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(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到優(yōu)化結(jié)果。本文的云圖中，當(dāng)紅色區(qū)域趨于集中時(shí)，計(jì)算結(jié)果接近優(yōu)化極大值；藍(lán)色區(qū)域趨于集中時(shí)，計(jì)算結(jié)果接近優(yōu)化極小值。云圖的橫坐標(biāo)表示獨(dú)立變量的進(jìn)氣門正時(shí)角，縱坐標(biāo)表示該獨(dú)立變量的排氣門正時(shí)角。

3.1 2種負(fù)荷條件下的功率優(yōu)化分析

圖6為100%負(fù)荷工況下的功率優(yōu)化云圖。由圖6可知，在100%負(fù)荷工況下，功率優(yōu)化最大值區(qū)域主要集中在進(jìn)氣門正時(shí)172.0～190.0 ℃aA和排氣門正時(shí)165.0～180.0 ℃aA附近，主要原因是：在氣門正時(shí)范圍內(nèi)，與氣門對應(yīng)的新鮮空氣進(jìn)氣量增加，柴油機(jī)氣缸中的油氣充分融合，燃燒更徹底，功率相應(yīng)增加。該區(qū)域?yàn)樵?00%負(fù)荷工況下的最大輸出功率區(qū)域。

圖7為50%負(fù)荷工況下的功率優(yōu)化云圖。由圖7可知，在50%負(fù)荷工況下，優(yōu)化最大值區(qū)域出現(xiàn)在進(jìn)氣門正時(shí)224.5 ℃aA和排氣門正時(shí)119.0 ℃aA附近，相比較于100%負(fù)荷工況下的優(yōu)化區(qū)域，50%負(fù)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(dòng)機(jī)氣缸中的進(jìn)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(dòng)機(jī)的熱效率和功率降低。

3.2 2種負(fù)荷條件下的油耗優(yōu)化分析

圖9、圖10分別為在100%、50%負(fù)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(jìn)氣門正時(shí)180.0 ℃aA和排氣門正時(shí)80.0 ℃aA附近、進(jìn)氣門正時(shí)187.5 ℃aA和排氣門正時(shí)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(dāng)進(jìn)氣門提前角正時(shí)，大量的新鮮空氣進(jìn)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(fù)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(fù)荷工況下的油耗值都有所下降，優(yōu)化后可以實(shí)現(xiàn)最小油耗，并且改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

3.3 2種負(fù)荷條件下的soot排放優(yōu)化分析

圖12、圖13分別為在100%、50%負(fù)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(jìn)氣門正時(shí)264.5 ℃aA和排氣門正時(shí)191.0 ℃aA的區(qū)域，這是因?yàn)樵谠撨M(jìn)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(fù)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(fù)荷工況下soot排放值都有所下降，其中50%負(fù)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(shí)現(xiàn)soot排放值最小且改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

3.4 2種負(fù)荷條件下的NOx優(yōu)化分析

圖15、圖16分別為在100%、50%負(fù)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(jìn)氣門正時(shí)232.0 ℃aA和排氣門正時(shí)189.0 ℃aA附近的中心區(qū)域、進(jìn)氣門正時(shí)264.5 ℃aA和排氣門正時(shí)188.0 ℃aA附近的區(qū)域。

圖17為2種負(fù)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(fù)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(shí)現(xiàn)NOx排放值最小且改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能，具有一定的現(xiàn)實(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(fù)荷工況條件進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化，完善了該款機(jī)型在動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)燃用B20生物柴油后，在100%負(fù)荷與50%負(fù)荷2種工況下，變氣門重疊角米勒循環(huán)動(dòng)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(jìn)氣門提前關(guān)閉角為30 ℃A時(shí)得到功率極大值，所以功率拐點(diǎn)值為進(jìn)氣門提前關(guān)閉角30 ℃A。通過模型優(yōu)化后，100%與50%負(fù)荷2種工況分別在進(jìn)氣門正時(shí)172.0～190.0 ℃aA和排氣門正時(shí)165.0～180.0 ℃aA區(qū)域、進(jìn)氣門正時(shí)224.5 ℃aA和排氣門正時(shí)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(dòng)機(jī)燃用B20生物柴油后，在100%負(fù)荷與50%負(fù)荷2種工況下，變氣門重疊角米勒循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(jìn)氣門提前關(guān)閉角為20 ℃A時(shí)得到油耗極小值，所以油耗拐點(diǎn)值為進(jìn)氣門提前關(guān)閉角20 ℃A。通過模型優(yōu)化后，100%與50%負(fù)荷2種工況分別在進(jìn)氣門正時(shí)180.0 ℃aA和排氣門正時(shí)80.0 ℃aA附近、進(jìn)氣門正時(shí)187.5 ℃aA和排氣門正時(shí)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(dòng)機(jī)燃用B20生物柴油后，在100%負(fù)荷下，在進(jìn)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(fù)荷工況下，在進(jìn)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(jìn)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(diǎn)。通過模型優(yōu)化后，100%與50%負(fù)荷2種工況分別在進(jìn)氣門正時(shí)264.5 ℃aA和排氣門正時(shí)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(dòng)機(jī)燃用B20生物柴油后，在100%負(fù)荷與50%負(fù)荷2種工況下，在進(jìn)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(jìn)氣門提前關(guān)閉角為70 ℃A時(shí)得到NOx排放極小值。通過模型優(yōu)化后，100%與50%負(fù)荷2種工況分別在進(jìn)氣門正時(shí)232.0 ℃aA和排氣門正時(shí)189.0 ℃aA、進(jìn)氣門正時(shí)264.5 ℃aA和排氣門正時(shí)188.0 ℃aA附近得到NOx排放優(yōu)化極小值。

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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(zé)任編輯：黎 婭）

收稿日期：2023-01-04；修回日期：2023-03-16

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61963006）；廣西科技大學(xué)博士基金項(xiàng)目（?？撇?1Z34）；廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)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