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李曉萍1，胡玲玲1，覃雪耿2，胡杰1，姜峰1，曹文通1，周俊明1
（1.廣西科技大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣西柳州545006；2.柳州市第二職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣西柳州545000）
摘要：課題組基于柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，通過比較不同配比生物柴油的理化特性，在1000r/min和100%負(fù)荷條件實(shí)現(xiàn)方式下研究兩種不同氣門重疊角對(duì)某大型柴油機(jī)功率、油耗、排放的影響。研究結(jié)果表明，在大型柴油機(jī)燃用低配比生物柴油、100%負(fù)荷工況下運(yùn)用氣門重疊角可以有效降低NOx的排放；該柴油機(jī)碳煙排放在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角30°CA時(shí)出現(xiàn)最低值，最低油耗出現(xiàn)在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角20°CA附近，最高功率出現(xiàn)在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角30°CA附近。綜合分析可知，選擇配氣方案2、進(jìn)氣門提前關(guān)閉角為30°CA、燃用B10生物柴油提升柴油機(jī)性能效果最佳。
0引言
石化能源短缺和環(huán)境污染的加劇，對(duì)大功率內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為了應(yīng)對(duì)環(huán)境污染和日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的限制[1–2]，需要進(jìn)一步改進(jìn)傳統(tǒng)大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放特性，我國某大型柴油機(jī)車采用電控單元泵式燃油噴射，該噴射技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的噴射性能，生物燃料在原有整機(jī)和噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，可以減少一氧化碳、煙塵以及烴類的排放；但同時(shí)生物燃料的使用會(huì)造成NOx排放升高。將柴油機(jī)車應(yīng)用氣門重疊角，是改善柴油機(jī)性能和排放特性的可行途徑之一，對(duì)NOx排放有一定影響[3–4]。近年來，國內(nèi)外許多研究人員對(duì)生物柴油與氣門重疊角技術(shù)進(jìn)行了研究，馬俊杰等[5]人采用GT-power軟件，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下采用不同氣門重疊角大小及位置進(jìn)行模擬研究，從性能角度給出不同氣門重疊角大小及位置對(duì)性能的影響規(guī)律。李春青等[6]人通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位，實(shí)現(xiàn)不同氣門重疊角方案，研究不同氣門重疊角大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能的影響。陳緒平等[7]人研究了增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在1200r/min工況下，不同氣門重疊角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響。Tang等[8]人為了滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和降低船用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，在渦輪增壓系統(tǒng)上對(duì)氣門重疊角和廢氣再循環(huán)(EGR)進(jìn)行耦合，以此來對(duì)船用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。Oxenham Luke等[9]人在改變某款渦輪增壓柴油機(jī)氣門重疊角度的基礎(chǔ)上，研究燃用甲醇、乙醇等生物燃料其排放性能的影響，研究結(jié)果表明：兩者的結(jié)合運(yùn)用對(duì)NOx的排放性能起到優(yōu)化作用。Charalampos Georgiou等[10]人通過改變進(jìn)氣門關(guān)閉程度和壓氣機(jī)壓力比，設(shè)計(jì)一個(gè)氣門重疊角發(fā)動(dòng)機(jī)，以提高性能和減少排放。研究表明，氣門重疊角柴油機(jī)在降低廢氣排放方面可以超越傳統(tǒng)柴油機(jī)。BinChe等[11]人將電增壓與氣門重疊角相結(jié)合，在不降低功率輸出的前提下提高汽油機(jī)熱效率。結(jié)果表明，電增壓無回流氣門重疊角可以有效地提高汽油機(jī)的熱效率。在氣門重疊角的工作過程中其進(jìn)氣壓力大于常規(guī)柴油機(jī)進(jìn)氣壓力，但缸內(nèi)最高壓力與常規(guī)柴油機(jī)最高壓力相等。渦輪增壓技術(shù)在柴油機(jī)上的普遍應(yīng)用，使進(jìn)氣壓力增大，進(jìn)而使循環(huán)進(jìn)氣量進(jìn)一步增加；同時(shí)使用進(jìn)氣中冷技術(shù)來降低進(jìn)氣溫度，使進(jìn)氣溫度逐漸與大氣溫度相近，通過增壓中冷技術(shù)可以保持燃空比在不變的情況下增大循環(huán)噴油量，從而通過氣門重疊角方法提高柴油機(jī)輸出功率，同時(shí)不會(huì)使得柴油機(jī)溫度上升導(dǎo)致NOx排放量增加[12–13]。
目前國內(nèi)外研究人員在對(duì)氣門重疊角進(jìn)行的研究主要是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各種性能作用展開的，而研究不同氣門重疊角對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能作用效應(yīng)的較少。通過對(duì)兩種不同類型氣門重疊角方案進(jìn)行對(duì)比，觀察燃用低配比生物柴油時(shí)的變化，從而分析研究柴油機(jī)性能受到不同氣門重疊角方式的影響，選擇兩者之中更為出色的氣門重疊角方式，這可為工程實(shí)例提供應(yīng)用價(jià)值。
課題組研究了某大型柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速1000r/min、100%負(fù)荷工況下燃用不同配比生物柴油(B0、B10、B20)，在不同氣門重疊角技術(shù)所產(chǎn)生的功率、油耗、NOx與碳煙排放等性能的變化。
1臺(tái)架試驗(yàn)
根據(jù)TBT3115-2005《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能臺(tái)架試驗(yàn)方法》和TB/T2783-2006《鐵路牽引用柴油機(jī)排放試驗(yàn)的規(guī)范》要求，布置如圖1所示的機(jī)車柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)裝備，主要包括電機(jī)、排放分析儀、煙度計(jì)、油耗儀、壓力傳感器、溫度傳感器、空氣流量計(jì)等[14–15]。通過數(shù)據(jù)采集儀，經(jīng)CAN總線傳輸?shù)斤@示設(shè)備，實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于該機(jī)型功率較大，因此，功率測(cè)量范圍為0~5000kW直流電機(jī)[16–17]。將大豆毛油制成生物柴油與石化柴油(0號(hào))分別以0%、10%、20%體積分?jǐn)?shù)比進(jìn)行配比(分別標(biāo)記為：B0、B10、B20，其中B20表示為20%生物柴油與80%柴油的體積比例摻和，以此類推。理化特性測(cè)試由中國石油化工集團(tuán)公司油品分析所工作人員完成，其測(cè)試結(jié)果如表1所示[1]。
2不同配比生物柴油應(yīng)用氣門重疊角的性能分析
課題組對(duì)某大型柴油機(jī)應(yīng)用不同氣門重疊角方式在不同配比生物柴油(B0、B10、B20)條件下研究該柴油機(jī)在100%負(fù)荷工況下各性能的變化。在充分考慮到增壓壓力限制，設(shè)計(jì)兩種氣門重疊角方案，如表2和表3所示。
確定氣門重疊角方案后，研究某大型柴油機(jī)在該氣門重疊角條件下性能特性。某大型柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速1000r/min工況下，燃用不同配比生物柴油(B0、B10、B20)，在100%負(fù)荷工況下，運(yùn)用兩種氣門重疊角方式對(duì)該柴油機(jī)的功率、油耗、NOx和碳煙的影響進(jìn)行分析。
2.1氣門重疊角下的功率優(yōu)化分析
圖2與圖3分別為某大型柴油機(jī)在100%負(fù)荷工況下燃用不同配比生物柴油時(shí)兩種氣門重疊角下的功率變化對(duì)比。
由圖2，3可知，進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0~30°CA時(shí)，不同配比生物柴油在兩種氣門重疊角下功率均呈微幅上升趨勢(shì)，這是由于兩種氣門重疊角下進(jìn)氣量都有所增加，使燃燒變得充分，功率上升，且上升幅度分別是1.63%和0.97%。當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在30~70°CA時(shí)，兩種氣門重疊角下的功率都在逐漸降低且配氣方案2下的功率下降更快，下降幅度約為2.85%。由上圖可知，柴油機(jī)在使用純柴油B0產(chǎn)生的功率最高，生物柴油B20產(chǎn)生的功率最低，且功率隨著燃油配比增大呈遞減趨勢(shì)。在配氣方案1中，純柴油B0產(chǎn)生的最大功率為4751kW，B20生物柴油產(chǎn)生的最大功率為4585kW，在配氣方案2中，純柴油B0產(chǎn)生的最大功率為4795kW，B20生物柴油產(chǎn)生的最大功率4639kW。
綜合分析圖2與圖3可知，當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0~30°CA時(shí)，兩種氣門重疊角下所產(chǎn)生的功率都在逐漸上升，且配氣方案2要好于配氣方案1，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)樵谶M(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0~30°CA時(shí)，兩種氣門重疊角下的進(jìn)氣量都有所增加，但是配氣方案2的進(jìn)氣量更多，使燃燒變得充分，功率上升。當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在40~70°CA時(shí)，兩者正好相反，兩種氣門重疊角下所產(chǎn)生的功率均有所下降，且配氣方案1模式下的功率更優(yōu)。這是由于隨著進(jìn)氣門提前關(guān)閉角的增大，進(jìn)氣量大大降低；但配氣方案1模式下的進(jìn)氣量變化較小，而配氣方案2模式下進(jìn)氣量不足，造成燃燒得不充分，功率下降。由上述可知，當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在30°CA時(shí)出現(xiàn)功率最大值，這是由于配氣方案2模式下的進(jìn)氣量不足使柴油機(jī)燃燒惡化使功率下降，而配氣方案1模式下的進(jìn)氣量持續(xù)增加，且配氣方案2模式下的功率下降幅度比配氣方案1模式下的功率下降幅度略大。
2.2氣門重疊角下的油耗優(yōu)化分析
圖4與圖5分別為某大型柴油機(jī)在100%負(fù)荷工況下燃用不同配比生物柴油時(shí)兩種氣門重疊角下的油耗變化對(duì)比。
由圖4、5可知，進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0~20°CA時(shí)，兩種氣門重疊角作用下油耗都逐漸下降，且配氣方案2的效果較好。當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在30~70°CA時(shí)，在兩種氣門重疊角作用下柴油機(jī)的耗油量均逐漸增加。由此可知兩種氣門重疊角的油耗變化趨勢(shì)相似，燃油消耗率隨著生物柴油配比變大而增大，當(dāng)燃用B20生物柴油時(shí)，燃油消耗率最高；在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在70°CA時(shí)，配氣方案2模式最高達(dá)到223.15g/kW·h，配氣方案1模式最高達(dá)到220.97g/kW·h；在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在20°CA時(shí)配氣方案2模式最高達(dá)到196.42g/kW·h，配氣方案1模式最高達(dá)到為199.79g/kW·h。而燃用純柴油B0時(shí)，該柴油機(jī)燃油消耗率在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在70°CA時(shí)，配氣方案2模式油耗最低為216.36g/kW·h，配氣方案1模式油耗最低為214.19g/kW·h；當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在20°CA時(shí)，配氣方案2模式油耗最低為190.32g/kW·h，配氣方案1模式油耗為191.16g/kW·h。這是由生物柴油理化特性所決定，配比標(biāo)號(hào)越高，生物柴油熱值越低，相同動(dòng)力輸出所需的油量就越大。
綜合分析圖4和5可知，當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0~20°CA時(shí)，兩種氣門重疊角下柴油機(jī)的耗油量都在逐漸降低，且配氣方案2模式下更好；這是由于進(jìn)氣量增加，使燃燒變得充分，油耗降低。當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在20~70°CA時(shí)，兩種氣門重疊角下柴油機(jī)的耗油量都在逐漸上升，且配氣方案1模式更優(yōu)；配氣方案1模式的油耗升高是由于進(jìn)氣量增大，部分空氣會(huì)對(duì)缸內(nèi)有一定吸熱冷卻效果；而配氣方案2在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角大于30°CA時(shí)進(jìn)氣量減少。由上述可知，進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在20°CA時(shí)為油耗出現(xiàn)最低值，這是由于隨著進(jìn)氣門提前關(guān)閉角的不斷增大，會(huì)造成柴油機(jī)進(jìn)氣量減少，使不同配比生物柴油油氣混合不夠充分，柴油機(jī)為獲得足夠動(dòng)力，需增加循環(huán)噴油量，即油耗增大。
2.3氣門重疊角下的碳煙排放優(yōu)化分析
圖6與圖7分別為柴油機(jī)在100%負(fù)荷工況下燃用不同配比生物柴油時(shí)兩種氣門重疊角下的碳煙排放變化對(duì)比。
由圖6、7可知，進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0~30°CA時(shí)，兩種氣門重疊角下碳煙排放都逐漸下降且在30°CA左右碳煙排放開始出現(xiàn)差異性變化。當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在30~70°CA時(shí)，配氣方案2下的碳煙排放量不斷增加，而配氣方案1則始終呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。柴油機(jī)燃用純柴油B0所產(chǎn)生的碳煙排放遠(yuǎn)高于其他配比生物柴油產(chǎn)生的碳煙排放，在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在30°CA時(shí)，配氣方案2模式燃用純柴油B0產(chǎn)生的碳煙排放為28.28g/m³，配氣方案1模式為29.41g/m³；當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在70°CA時(shí)，配氣方案2模式燃用純柴油B0產(chǎn)生的碳煙排放為49.65g/m³，配氣方案1模式為20.17g/m³。在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在30°CA時(shí)，配氣方案2模式燃用B20生物柴油產(chǎn)生的碳煙排放為20.83g/m³，配氣方案1模式為21.58g/m³；當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在70°CA時(shí)，配氣方案2模式燃用生物柴油B20產(chǎn)生的碳煙排放為36.6g/m³，配氣方案1模式為14.89g/m³。在配氣方案1模式下燃用純柴油B0與B20生物柴油產(chǎn)生的碳煙排放差值在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角為0°CA時(shí)達(dá)到9.39g/m³。
綜合分析圖6和圖7可知，當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0°~30°CA時(shí)，配氣方案1與配氣方案2的碳煙排放均為下降趨勢(shì)且配氣方案1下的碳煙排放略大于配氣方案2下的碳煙排放。這是因?yàn)閮煞N氣門重疊角下進(jìn)氣壓力增加，燃料充分燃燒，碳煙排放量減少。當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在30°~70°CA時(shí)，配氣方案2下的碳煙排放急劇上升，而配氣方案1下的碳煙排放則持續(xù)下降，配氣方案1下的碳煙排放遠(yuǎn)低于配氣方案2下的碳煙排放。由上述可知，在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在30°CA時(shí)為碳煙排放最低值，這是由于隨著配氣方案2模式下的進(jìn)氣門提前關(guān)閉角增大，部分增壓造成一些空氣從排氣道流出，使進(jìn)氣量減少；而配氣方案1下的進(jìn)氣量持續(xù)增加，缸內(nèi)燃燒更加完全，碳煙排放量逐漸減少。
2.4氣門重疊角下的NOx排放優(yōu)化分析
圖8與圖9分別為柴油機(jī)在100%負(fù)荷工況下燃用不同配比生物柴油時(shí)兩種氣門重疊角的NOx排放變化對(duì)比。
由圖8、9可知，柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油時(shí)，兩種氣門重疊角下產(chǎn)生的NOx排放均逐步下降。在配氣方案2模式下隨著氣門重疊角不斷增加時(shí)，會(huì)使進(jìn)氣壓力隨之增加，進(jìn)而造成缸內(nèi)形成低氣壓，使廢氣排出量減少。隨著進(jìn)氣門提前關(guān)閉角增大，特別是在超過30°CA時(shí)，氣缸內(nèi)的廢氣增加，并且在配氣方案2模式下的進(jìn)氣量會(huì)減少，同時(shí)造成氣缸內(nèi)的含氧量降低，使NOx排放量降低。而在配氣方案1模式下隨著進(jìn)氣門提前關(guān)閉角增大，會(huì)造成進(jìn)入的空氣在進(jìn)氣沖程中活塞下行時(shí)會(huì)有額外膨脹過程且持續(xù)到整個(gè)燃燒過程，使配氣方案1的進(jìn)氣量持續(xù)增加，進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮空氣會(huì)有效降低缸內(nèi)溫度，使NOx排放降低。
該柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油時(shí)，純柴油B0所產(chǎn)生的NOx排放最低。當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0°CA時(shí)，配氣方案2模式燃用純柴B0產(chǎn)生的NOx排放為7.42g/kW·h，配氣方案1模式為7.61g/kW·h；當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在70°CA時(shí)，配氣方案2模式燃用純柴油B0產(chǎn)生的NOx排放為3.37g/kW·h；配氣方案1模式為3.62g/kW·h。生物柴油B20所產(chǎn)生的NOx排放最高；當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0°CA時(shí)，配氣方案2模式燃用生物柴油B20產(chǎn)生的NOx排放為9.21g/kW·h，配氣方案1模式為9.38g/kW·h；當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在70°CA時(shí)，配氣方案2模式燃用生物柴油B20產(chǎn)生的NOx排放為4.2g/kW·h，配氣方案1為4.5g/kW·h，在配氣方案1模式時(shí)燃用純柴油B0與生物柴油B20產(chǎn)生的NOx排放量差值在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角為0°CA時(shí)達(dá)到1.77g/kW·h。
綜合分析圖8和圖9可知，燃用不同配比生物柴油，配氣方案2下的NOx排放均低于配氣方案1下的NOx排放，且在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角相同時(shí)，配氣方案2模式性能較好。兩種配氣方案都隨著進(jìn)氣門提前關(guān)閉角增大有效降低NOx排放，在該工況下進(jìn)氣門提前關(guān)閉角為70°CA時(shí)兩種配氣方案燃用不同配比生物柴油產(chǎn)生的NOx排放相近；由于NOx排放的產(chǎn)生與缸內(nèi)溫度、含氧量有關(guān)，隨著進(jìn)氣門提前關(guān)閉角的不斷增大會(huì)造成功率的降低與油耗的增加。因此，在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角為30°CA時(shí)采用配氣方案2且燃用B10時(shí)柴油機(jī)在該工況下性能較好，在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角為20°CA時(shí)燃用B10生物柴油時(shí)效果次之。
3結(jié)論
1)兩種氣門重疊角在柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油、100%負(fù)荷工況下均能顯著降低NOx排放，配氣方案2模式下的NOx排放優(yōu)于配氣方案1模式且隨著氣門提前關(guān)閉角增大而降低。該柴油機(jī)燃用純柴油B0所產(chǎn)生的NOx排放最低，燃用B20生物柴油所產(chǎn)生的NOx排放最高；該柴油機(jī)碳煙排放在氣門提前關(guān)閉角度為30°CA時(shí)出現(xiàn)最低值，油耗在氣門提前關(guān)閉角為20°CA時(shí)出現(xiàn)最低值，功率在氣門提前關(guān)閉角度為30°CA時(shí)出現(xiàn)最高值。
2)兩種氣門重疊角在柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油、100%負(fù)荷工況下，隨著氣門提前關(guān)閉角度由0°CA增加到30°CA時(shí)，配氣方案2模式下的功率優(yōu)于配氣方案1模式，在兩種氣門重疊角下油耗和排放幾乎相同，且配氣方案2模式性能較好。當(dāng)氣門提前關(guān)閉角度由40°CA增加到70°CA時(shí)，兩種氣門重疊角下的功率均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)且配氣方案2模式下降較快。配氣方案1模式下的功率優(yōu)于配氣方案2，油耗低于配氣方案2模式，NOx排放略高于配氣方案2模式，碳煙排放優(yōu)于配氣方案2模式。
3)以大型柴油機(jī)為實(shí)例應(yīng)用氣門重疊角技術(shù)的研究結(jié)果可知，采用配氣方案2模式、氣門提前關(guān)閉角30°CA、燃用B10生物柴油提升柴油機(jī)性能效果最佳。
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