基于GT-Power对机车柴油机燃用生物柴油的性能分析

胡杰 莫清烈 姜峰 曹文通 周俊明

摘  要：基于GT-Power软件对16V265H 柴油机建立仿真模型，研究转速为1 000 r/min、负载为50%工况下的不同配比生物柴油（B0、B10 和 B20）对柴油机性能的影响。以16V265H柴油机进排气正时为仿真模型的自变量，柴油机的功率、油耗、碳烟排放和NOx排放等4个参数作为仿真模型的结果变量，研究分析柴油机的最大功率、最小油耗和最低排放。最后，综合分析性能参数，得出不同配比生物柴油在50%工况下的最佳进排气正时方案。结果表明，在不同生物柴油配比和不同进排气门正时下，16V265H柴油机的最大功率、最小油耗和最低排放各不相同。该研究方法可为16V265H柴油機进排气系统技术研究提供参考。

关键词：16V265H柴油机;模型优化分析;结构参数;生物柴油;性能

中图分类号：TK421.2         DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.03.017

0    引言

近年来，随着全球轨道交通设备的快速发展[1]，对铁路货运高速、重负荷的要求越来越高[2-3]。为了满足市场需求，世界各国柴油机都朝着高功率、低能耗、低污染方向发展[4-5]。进排气系统作为柴油机的重要组成部分，其良好的设计可以提高容积效率，从而在特定的发动机转速下提供更好的扭矩和动力[6-8]，并提高机车柴油发动机的运行性能，这有助于提高功率、降低油耗和减少排放[9-11]。近年来，已有许多研究人员对发动机进排气系统的优化进行研究。例如，金云峰等[12]通过对进排气过滤系统进行研究，观察进排气压差对柴油机的影响;基于其运行原理建立进排气压差与空气流速之间的函数关系，对进排气系统进行优化。母忠强等[13]利用数值计算与地面试验验证相结合的方法，研究了Ma3.5条件下双气路进排气系统的总体性能和流场变化规律。Kang等[14]使用带有进气和排气节流的柴油微粒过滤器来增加活塞泵的输送能力，从而优化了进排气系统。Cheng等[15]在柴油发动机上安装了可变几何涡轮增压器和废气再循环阀，优化了进气气流控制和废气再循环比。Li等[16]通过研究智能充电压缩点火——一种新的双燃料燃烧模式，优化进气压力和进气系统。Song等[17]研究了辅助增压技术，并确定在排气和进气之间存在平衡关系，以优化进排气系统。Zhen等[18]使用一维仿真软件开发了四缸点火甲醇发动机的仿真模型，研究了 30%、50% 和 70% 负荷工况下的节气门开度对发动机性能、燃烧和排放的影响，以找到最佳节气门开度。

本文以16V265H柴油机为研究对象，通过GT-Power软件建立仿真模型，研究分析16V265H柴油机在1 000 r/min、50%负荷工况下燃用B0、B10、B20等3种不同配比生物柴油，及在不同气门正时（包括：进气门提前角（IVO）、进气门迟闭角（IVC）、排气门提前角（EVO）、排气门迟闭角（EVC））[19]下的功率、油耗、排放变化，并找出其工作最优值。

1    发动机模型建立

本文所研究的16V265H柴油机采用涡轮增压和电控单元泵喷油技术，该机型功率较大，额定功率4 660 kW，额定转速1 000 r/min，排量264.74 L[20]，主要技术参数见表1。

16V265H柴油机动力总成包括气缸、活塞、连杆、气门总成、气门、进排气凸轮等[21]。气缸模型设置主要包括：气缸基本尺寸和气缸边界条件的设置，缸内燃烧模型和传热模型等几个部分的设置。在气缸几何结构模块中输入已知的气缸基本尺寸参数，气缸初始条件按照原机参数进行设置。发动机仿真软件GT-Power中配气相位的改变表现为对进排气门模块中的“Cam Timing Angle”参数的设置，原机型进气门正时角度为209.5 °CaA，排气门正时角度为136 °CaA，由进、排气凸轮正时角度共同影响柴油机的功率性能。整个柴油机的仿真模型如图1所示。

2   16V265H柴油机功率优化分析

1 000 r/min、50%负载是机车柴油机最常用的工况，因此，本文研究了不同比例生物柴油（B0、B10、B20）对16V265H柴油机在1 000 r/min、50%负载下的性能的影响，通过改变柴油机进排气门正时来观察柴油机功率、油耗、碳烟排放和NOx排放。研究分析最大功率、最低油耗和最少废气排放。最后，综合分析性能参数，确定最佳进排气门正时。

2.1   柴油机的功率优化分析

图2—图4分别显示了16V265H柴油机在1 000  r/min、50%负载下不同比例生物柴油（B0、B10、B20）燃烧所产生的最大功率的最佳计算结果。由云图可知，红色区域越集中，表示优化结果越接近目标值，而红色区域中点分布越集中，表示该区域更接近最优目标值区域。

由图2可知，该柴油机在燃用纯柴油B0时，功率最大值区域出现在进气门正时235 °CaA附近、排气门正时125 °CaA附近（即进气门关闭需延迟约25 °CaA、排气门开启需提前约11 °CaA）。从云图中的颜色变化趋势可以看出，随着进气门正时由164.5 °CaA（即进气门关闭需延迟约45 °CaA）逐渐增大，功率也随之增加。在进气门正时220～245     °CaA附近、排气门正时135～170 °CaA附近（即进气门关闭需延迟40～75 °CaA、排气门开启需提前1～34 °CaA），功率出现部分减小的现象，这是由于该区域范围内气门重叠角较大。由计算结果可知，进气门关闭需延迟约26 °CaA，排气门开启需提前约10 °CaA时（即进气门正时237 °CaA附近、排气门正时125 °CaA附近），该柴油机的输出功率存在最大值区域。

由图3可知，柴油机在燃用B10生物柴油时，在进气门正时160～194.5 °CaA附近、排气门正时160～185 °CaA附近（即进气门关闭需延迟15～50      °CaA、排气门开启需提前24～49 °CaA），出现最大功率优化密集分布区域。这是由于气门正时范围内气门的进气量增大，燃料与空气充分混合燃烧。由计算结果可知，进气门关闭需延迟约30 °CaA，排气门开启需提前约29 °CaA时（即进气门正时179.5 °CaA附近、排气门正时在175 °CaA附近），该柴油机的输出功率存在最大值区域。

由图4可知，柴油机在燃用B20生物柴油时，功率最大值区域极小，最大值出现在进气门正时224.5 °CaA附近、排气门正时119 °CaA附近（即进气门关闭需延迟约15 °CaA、排气门开启需提前约17 °CaA）。由云图可知，柴油机燃用B20生物柴油所产生的功率优化效果未能达到预期，这是由于气门正时范围内气门的进气量较少，B20生物柴油燃料与空气得不到充分混合。由计算结果可知，进气门关闭需延迟约15 °CaA，排气门开启需提前约17 °CaA（即进气门正时224.5 °CaA附近、排气门正时119 °CaA附近），此时该柴油机的输出功率      最大。

图5为16V265H柴油机在1 000 r/min、50%负荷工况下燃用3种不同配比生物柴油时以功率最大值为优化结果的优化前后功率对比。由图可知，该柴油机在燃用B0、B10、B20等3种配比生物柴油的最大功率输出值相近，且由图2—图4所示的云图可知功率優化值的变化趋势相似。由图5可知，该柴油机功率值在优化后均略高于优化前的功率值，柴油机在燃用B10、B20生物柴油所产生的功率值略低于燃用B0纯柴油所产生的功率值，因此，燃用低配比生物柴油替代纯柴油有一定的实际     意义。

从图2—图5可以看出，经过模型优化后，不同比例生物柴油的输出功率有所提高，输出功率高于原机初始气门正时（初始进气门正时为 209.5       °CaA） 产生的功率。优化后的柴油机可以大大提高油气混合效果，提高柴油机的输出功率。该柴油机燃烧B10和B20生物柴油时的输出功率略低于燃烧B0纯柴油时的输出功率。根据模型的优化结果，可以得出柴油机在50%负荷工况下使用不同比例生物柴油的最优方案为：燃用B10生物柴油，进气门正时为179.5 °CaA，排气门正时为175 °CaA（即进气门提前关闭角为30 °CaA、排气门开启延迟角为39 °CaA）。该方案可达到提高燃用生物柴油燃料功率最大化的目的，且实现纯柴油的替代效果。

2.2   柴油机的油耗优化分析

图6—图8分别显示了16V265H柴油机在        1 000 r/min、50%负载下不同比例生物柴油（B0、B10、B20）燃烧的最小油耗的最佳计算结果。

由图6可知，该柴油机在燃用纯柴油B0时，最低油耗区域出现在进气门正时209.5 °CaA附近、排气门正时86 °CaA附近（即排气门开启需提前约50 °CaA）。在进气门正时218～230 °CaA附近、排气门正时110～117 °CaA附近（即进气门关闭需延迟8～20 °CaA、排气门开启需提前19～26 °CaA），油耗出现最大值，这是由于气门正时范围内气门的进气量不足造成柴油燃烧不完全，油耗上升。由计算结果可知，进气门关闭需延迟约0 °CaA，排气门开启需提前约50 °CaA（即进气门正时209.5 °CaA附近、排气门正时86 °CaA附近），此时该柴油机的油耗最低。

由图7可知，柴油机燃用B10生物柴油时，在进气门正时180 °CaA附近、排气门正时180 °CaA附近（即进气门关闭需延迟约39 °CaA、排气门开启需提前约44 °CaA），出现最低油耗优化密集分布区域。其主要原因是由于气门正时范围内气门的进气量增加，使得燃料混合充分，燃烧更加完全，油耗下降。在进气门正时209.5 °CaA附近、排气门正时86～90 °CaA附近（即排气门开启需提前46～50 °CaA）与进气门正时259.5 °CaA附近、排气门正时136 °CaA附近（即进气门关闭需延迟约50 °CaA）2处区域出现油耗最高的现象。其原因是由于气门正时范围内气门的进气量较少，B10生物柴油燃料与空气混合效果差。由优化结果可知：进气门关闭需延迟约29 °CaA，排气门开启需提前约44 °CaA时（即进气门正时180 °CaA附近、排气门正时180      °CaA附近），该柴油机油耗最低。

由图8可知，柴油机在燃用B20生物柴油时，在进气门正时187.5 °CaA附近、排气门正时170     °CaA附近（即进气门关闭需延迟约22 °CaA、排气门开启需提前约34 °CaA）时，出现最低油耗优化密集分布区域。在进气门正时259.5 °CaA附近、排气门正时136.5 °CaA附近（即进气门关闭需延迟约30 °CaA）的区域范围内，油耗出现最大值。

图9为16V265H柴油机在1 000 r/min、50%负荷工况下燃用3种不同配比生物柴油最低油耗优化结果。从图9可得出，该柴油机经过模型优化后油耗均略低于优化前的油耗，这是由于柴油机在优化后使不同配比生物柴油与空气充分混合燃烧，降低了油耗。随着生物柴油配比标号增大，该柴油机油耗略有上升趋势。

通过综合分析，利用模型优化计算了在50%负载条件下不同比例的生物柴油的使用情况。结果表明，在此工况下的最佳方案是：采用B10生物柴油，在进气门正时180 °CaA附近、排气门正时180 °CaA附近，该柴油机油耗最低。

2.3   柴油机的碳烟优化分析

图10和图11显示了16V265H柴油机在1 000 r/min、50%负载下燃烧不同比例生物柴油（B0和B20）时碳烟排放的最佳计算结果。云图中的红色区域越集中，表示烟尘排放值越大;蓝色区域越密集，点分布越集中，表示该区域越接近最优目标值区域。

由图10可知，该柴油机在燃用纯柴油B0时，在进气门正时239.5 °CaA附近、排气门正时136     °CaA附近（即进气门关闭需延迟约30 °CaA）的区域范围内，碳烟排放出现最大值。最低碳烟排放区域出现在以进气门正时264.5 °CaA附近、排气门正时191 °CaA附近（即进气门关闭需延迟约25 °CaA、排气门开启需提前约11 °CaA）为中心的区域范围。

由图11可知，该柴油机在燃用柴油B20时，在以进气门正时239.5 °CaA附近、排气门正时136   °CaA（即进气门关闭需延迟约30 °CaA）为中心的区域范围内，碳烟排放出现最大值的区域，其主要原因是由于气门正时范围内气门的进气量减小，燃料燃烧不完全，碳烟排放最大。

图12为16V265H柴油机在1 000 r/min、50%负荷工况下燃用不同配比生物柴油的碳烟排放优化结果。从图12可知，该柴油机经过模型优化后碳烟排放均低于优化前，且下降较为明显。随着生物柴油配比标号增大，该柴油机碳烟排放呈下降趋势，燃用B0纯柴油时碳烟排放最高，这是由于生物柴油燃料含氧元素，有利于燃料的燃烧。

根据16V265H柴油机在1 000 r/min、50%负荷工况下燃烧不同比例生物柴油的计算结果，得出该工况下的最优方案为：燃用B20生物柴油，在进气门正时264.5 °CaA附近、排气门正时191 °CaA附近时（即进气门关闭需延迟约55 °CaA、排气门开启需提前约55 °CaA），该柴油机的碳烟排放最低。燃烧B10生物柴油是第二优的解决方案。

2.4   柴油机的NOx优化分析

图13和图14为16V265H柴油机在1 000 r/min、50%负荷下燃烧不同比例生物柴油（B0和B10）时NOx排放的最佳计算结果。

由图13可知，该柴油机在燃用纯柴油B0时，在以进气门正时209.5 °CaA附近、排气门正时136 °CaA（即初始进排气门正时角度）为中心的区域范围内，NOx排放出现最大值。最低NOx排放区域出现在以进气门正时232.5 °CaA附近、排气门正时188 °CaA附近（即进气门关闭需延迟约25 °CaA、排气门开启需提前约52 °CaA）为中心的区域范围。

由图14可知，柴油机燃用B10生物柴油时，在以进气门正时209.5 °CaA附近、排气门正时136 °CaA（即初始进排气门正时角度）为中心的区域范围内，NOx排放出现最大值。在以进气门正时264.5 °CaA附近、排气门正时188 °CaA（即进气门关闭需延迟约55 °CaA、排气门开启需提前约52    °CaA）为中心的区域范围内，NOx排放出现最小值。

图15为16V265H柴油机在1 000 r/min、50%负荷工况下燃用不同配比生物柴油的NOx排放优化结果。从图15可知，该柴油机经过模型优化后，NOx排放均低于优化前。该柴油机在燃用B20纯生物柴油时，NOx排放最高，且随着生物柴油配比标号增大，该柴油机NOx排放呈上升趋势，燃用B0纯柴油时NOx排放最低。

采用模型优化计算了16V265H柴油机在1 000 r/min、50%负载下使用的不同比例的生物柴油。结果表明，最佳方案为：燃用B10生物柴油，在进气门正时264.5 °CaA附近、排气门正时188 °CaA附近时（即进气门关闭需延迟约55 °CaA、排气门开启需提前约52 °CaA），该柴油机的NOx排放最低。使用B20生物柴油的效果是第二优的方案。NOx排放与燃烧温度和燃烧过程中油气混合物中的氧含量（即高温富氧条件）有关，高温富氧条件造成生物柴油喷射发生得更早，并导致NOx排放增加。

2.5   基于模型优化后的性能比较

根据对16V265H柴油机各种性能参数的优化结果可知，机车柴油机燃用低配比生物柴油具备可行性。根据现行机车柴油机的使用规范，其性能指标以动力性与油耗作为优先级，将原机型在初始气门正时试验与优化后的计算值进行对比，结果如表2所示。

从表2中可以看出，柴油机经过优化后，其油耗与原机相比显著降低，功率得到了提高，范围优化效果的趋势相对一致。油耗降低率高达4.78%，功率增长率达到1.75%，该柴油机在50%负荷条件下使用B10生物柴油，效果最好。

综合各性能优化分析可知，16V265H柴油机在转速为1 000 r/min、50%负荷工况下燃用B10柴油，当进气门关闭需延迟约30 °CaA、排气门开启需提前30～40 °CaA时（即进气门正时180 °CaA附近、排气门正时175～180 °CaA附近），该柴油机的燃烧性能较好。另外，燃用B20生物柴油，在进气门正时264.5 °CaA附近、排气门正时190 °CaA附近时，该柴油机的排放性能最优。

3    结论

本文基于GT-Power软件搭建了16V265H柴油机仿真模型，以柴油机的功率、油耗、排放等参数作为优化目标，对柴油机在50%负荷工况下燃用不同配比生物柴油进行了研究。结论如下：

1）經过模型优化后，该柴油机在50%负荷工况下燃用不同配比生物柴油的功率均得到提高。由计算云图可得出该柴油机在50%负荷工况下燃用不同配比生物柴油的最优方案为：燃用B10生物柴油，进气门正时为179.5 °CaA、排气门正时为175 °CaA（即进气门提前关闭角为30 °CaA、排气门开启延迟角为29 °CaA）。该方案可达到提高燃用生物柴油功率最大化的目的和实现纯柴油的替代效果。

2）经过模型优化后，该柴油机在50%负荷工况下燃用不同配比生物柴油的油耗均有所下降。由计算云图可得出50%负荷工况下最优方案为：燃用B10生物柴油，进气门关闭需延迟约29 °CaA、排气门开启需提前约44 °CaA（即进气门正时180    °CaA附近、排气门正时180 °CaA附近），此时，该柴油机油耗最低。

3）经过模型优化后，该柴油机在不同负荷工况下燃用不同配比生物柴油时，碳烟排放随着配比增大均呈递减趋势，燃用B20生物柴油时碳烟排放最低。由优化结果可知，该柴油机在50%负荷工况下燃用不同配比生物柴油时，降低碳烟排放的最优方案为：燃用B20生物柴油，在进气门正时264.5  °CaA附近、排气门正时191 °CaA附近的碳烟排放最低。燃用B10生物柴油效果次之。

4）经过模型优化后，该柴油机在50%负荷工况下燃用不同配比生物柴油时，随着配比增大，NOx排放呈增加趋势，得出最优方案为：燃用B10生物柴油，在进气门正时264.5 °CaA附近、排气门正时188 °CaA附近时，该柴油机的NOx排放最低。燃用B20生物柴油效果次之。

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Performance analysis of locomotive diesel engine fueled with biodiesel based on GT-Power

HU Jie， MO Qinglie*， JIANG Feng， CAO Wentong， ZHOU Junming

（ School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545616， China ）

Abstract： A coupled model of a 16V265H diesel engine is established based on  GT-Power software， and the effects of different ratios of biodiesel （B0， B10 and B20） on the performance of the diesel engine are studied at a speed of 1 000 r/min and a load of 50%. Firstly， Taking the intake and exhaust timing of the 16V265H diesel engine as the independent variables of the optimization model， and the four parameters of diesel engine power， fuel consumption， soot emission and NOx emission as the result variables of the optimization model， the maximum power， minimum fuel consumption and minimum emission of the diesel engine are studied and analyzed. Then， the performance parameters are comprehensively analyzed， and the optimal intake timing scheme of diesel engines with different biodiesel ratios under 50% operating conditions is obtained. The results show that the maximum power， minimum fuel consumption and minimum emissions of 16V265H diesel engines with different biodiesel ratios and different intake valve timing angles are also different. The research method can provide reference for the technology of 16V265H diesel engine intake system.

Key words： 16V265H diesel engine; model optimization and analysis; structural parameters; biodiesel performance

（責任编辑：黎  娅）