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)臺架實驗，通過比較不同配比生物柴油的理化特性，在1000r/min和100%負(fù)荷條件實現(xiàn)方式下研究兩種不同氣門重疊角對某大型柴油機(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NO_x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；但同時生物燃料的使用會造成NO_x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NO_x排放有一定影響[3–4]。近年來，國內(nèi)外許多研究人員對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，針對發(fā)動機(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性能的影響規(guī)律。李春青等[6]人通過改變發(fā)動機(jī)配氣相位，實現(xiàn)不同氣門重疊角方案，研究不同氣門重疊角大小對發(fā)動機(jī)各項性能的影響。陳緒平等[7]人研究了增壓直噴發(fā)動機(jī)在1200r/min工況下，不同氣門重疊角對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量、動力性、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)動機(jī)的燃油消耗率，在渦輪增壓系統(tǒng)上對氣門重疊角和廢氣再循環(huán)(EGR)進(jìn)行耦合，以此來對船用發(fā)動機(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NO_x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)計一個氣門重疊角發(fā)動機(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，同時不會使得柴油機(jī)溫度上升導(dǎo)致NO_x排放量增加[12–13]。

　　目前國內(nèi)外研究人員在對氣門重疊角進(jìn)行的研究主要是針對發(fā)動機(jī)各種性能作用展開的，而研究不同氣門重疊角對于發(fā)動機(jī)性能作用效應(yīng)的較少。通過對兩種不同類型氣門重疊角方案進(jìn)行對比，觀察燃用低配比生物柴油時的變化，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，這可為工程實例提供應(yīng)用價值。

　　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、NO_x與碳煙排放等性能的變化。

　　1臺架試驗

　　根據(jù)TBT3115-2005《機(jī)車車輛動力學(xué)性能臺架試驗方法》和TB/T2783-2006《鐵路牽引用柴油機(jī)排放試驗的規(guī)范》要求，布置如圖1所示的機(jī)車柴油機(jī)臺架試驗裝備，主要包括電機(jī)、排放分析儀、煙度計、油耗儀、壓力傳感器、溫度傳感器、空氣流量計等[14–15]。通過數(shù)據(jù)采集儀，經(jīng)CAN總線傳輸?shù)斤@示設(shè)備，實時顯示和監(jiān)控試驗數(shù)據(jù)。由于該機(jī)型功率較大，因此，功率測量范圍為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)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該柴油機(jī)的功率、油耗、NO_x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兩種氣門重疊角下的功率變化對比。

　　由圖2，3可知，進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0~30°CA時，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，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，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。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，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)象是因為在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0~30°CA時，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，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兩種氣門重疊角下的油耗變化對比。

　　由圖4、5可知，進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0~20°CA時，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，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，燃油消耗率最高；在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在70°CA時，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，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，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，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)號越高，生物柴油熱值越低，相同動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，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，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，部分空氣會對缸內(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兩種氣門重疊角下的碳煙排放變化對比。

　　由圖6、7可知，進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0~30°CA時，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，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。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，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，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，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，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，配氣方案1與配氣方案2的碳煙排放均為下降趨勢且配氣方案1下的碳煙排放略大于配氣方案2下的碳煙排放。這是因為兩種氣門重疊角下進(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，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NO_x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兩種氣門重疊角的NO_x排放變化對比。

　　由圖8、9可知，柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油時，兩種氣門重疊角下產(chǎn)生的NO_x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，會使進(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，氣缸內(nèi)的廢氣增加，并且在配氣方案2模式下的進(jìn)氣量會減少，同時造成氣缸內(nèi)的含氧量降低，使NO_x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，會造成進(jìn)入的空氣在進(jìn)氣沖程中活塞下行時會有額外膨脹過程且持續(xù)到整個燃燒過程，使配氣方案1的進(jìn)氣量持續(xù)增加，進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮空氣會有效降低缸內(nèi)溫度，使NO_x排放降低。

　　該柴油機(jī)燃用不同配比生物柴油時，純柴油B0所產(chǎn)生的NO_x排放最低。當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0°CA時，配氣方案2模式燃用純柴B0產(chǎn)生的NO_x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，配氣方案2模式燃用純柴油B0產(chǎn)生的NO_x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NO_x排放最高；當(dāng)進(jìn)氣門提前關(guān)閉角在0°CA時，配氣方案2模式燃用生物柴油B20產(chǎn)生的NO_x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，配氣方案2模式燃用生物柴油B20產(chǎn)生的NO_x排放為4.2g/kW·h，配氣方案1為4.5g/kW·h，在配氣方案1模式時燃用純柴油B0與生物柴油B20產(chǎn)生的NO_x排放量差值在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角為0°CA時達(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NO_x排放均低于配氣方案1下的NO_x排放，且在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角相同時，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NO_x排放，在該工況下進(jìn)氣門提前關(guān)閉角為70°CA時兩種配氣方案燃用不同配比生物柴油產(chǎn)生的NO_x排放相近；由于NO_x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時采用配氣方案2且燃用B10時柴油機(jī)在該工況下性能較好，在進(jìn)氣門提前關(guān)閉角為20°CA時燃用B10生物柴油時效果次之。

　　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NO_x排放，配氣方案2模式下的NO_x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NO_x排放最低，燃用B20生物柴油所產(chǎn)生的NO_x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時出現(xiàn)最低值，油耗在氣門提前關(guān)閉角為20°CA時出現(xiàn)最低值，功率在氣門提前關(guān)閉角度為30°CA時出現(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，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，兩種氣門重疊角下的功率均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢且配氣方案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，NO_x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。