米勒循环下不同配比生物柴油对柴油机性能的影响

莫清烈，胡 杰，曹文通，姜 峰，周俊明

（广西科技大学 机械与汽车工程学院，广西 柳州 545616）

0 引言

我国幅员辽阔，交通运输行业发展十分迅速。在我国交通体系中，柴油机的应用十分广泛。但是在追求经济和动力的同时，使用柴油机带来的环境问题也日益突出。柴油机运用米勒循环作为一种有效降低柴油机NO排放的手段正逐步被广泛应用，米勒循环的大规模运用有助于提高机车柴油机的动力性能。近年来，国内外许多研究人员对机车米勒循环技术的应用和发展进行了大量的研究。杜辉等运用GT-Power软件对涡轮增压商用车的汽油机进行计算分析，研究了米勒循环技术与低压废气再循环技术对汽油机车的影响，进一步改善了燃油的经济性。Guan等通过延迟关闭进气门对米勒循环运行进行优化，减少了发动机的一氧化氮排放量。王磊等通过GT-Power 软件构造了物理模型，提出基于米勒循环的柴油机NO排放强度控制方法，提高了控制精度与效率。Lin 等通过详细的数值算法，用有限时间热力学方法分析了四冲程自由活塞发动机运用米勒循环的性能，大大降低了传热损失和摩擦损失对性能的负面影响，使发动机具有更高的效率。贾亢等通过对废气再循环、米勒循环和进气加湿等多种措施耦合来减少NO排放。Oh等通过进行热力学循环分析来控制进气门或排气门关闭正时，改进了米勒循环，减少压缩功，从而提高热效率和减少氮氧化物排放。米勒循环实现方式有两种：一种是改变进气凸轮型线，保持进气门开启时刻不变，将进气门关闭时刻提前，即改变进气门升程曲线，亦称之为变凸轮型线；另一种是改变进气凸轮安装角度来达到变气阀重叠角的目的，进气门开启与关闭时刻会同时改变，称之为变气阀重叠角。米勒循环是将进气门提前到下止点前的某个角度关闭，在进气冲程中进入气缸的气体会在活塞下行的过程中获得一个额外的膨胀，若要增大膨胀比，须增大压缩比。而米勒循环技术将进气门提前关闭在下止点前一个角度，导致缸内进气量减少，而发动机循环喷油量保持不变，进气量减少导致燃料的燃烧不充分。随着进气门提前角增大，增压压力随之升高，在此条件下可使缸内最高爆发压力趋于不变，同时增加缸内进气量，使得柴油机在运用米勒循环时平稳运行。同传统柴油机循环相比，米勒循环减小了燃烧开始时的缸内平均温度，大大降低了NO的排放。

图1 为米勒循环与传统柴油机冲程曲线对比图。曲线8-1-2-3-4-5-6-7-8为传统柴油机循环过程，进气冲程为曲线8-1，压缩冲程为曲线1-2，燃烧膨胀冲程为曲线2-3-4-5，排气冲程为曲线5-6-7。米勒循环过程则为曲线8′-9′-1′-2′-3′-4′-5′-6′-7′-8′。其中，进气冲程为曲线8′-9′，压缩冲程为曲线1′-2′，燃烧膨胀冲程为曲线2′-3′-4′-5′，排气冲程为曲线5′-6′-7′。目前国内外研究人员主要针对米勒循环对发动机性能的作用展开研究，而关于不同米勒循环对于发动机性能作用效应的研究较少。通过对大功率柴油机在同一负载下运用两种米勒循环燃用类别不同的生物柴油进行分析，研究柴油机在不同米勒循环方式和不同米勒度下对功率、油耗、NO排放等性能的影响，进而为米勒循环的后续研究提供参考。

图1 （网络版彩图）米勒循环与传统柴油机冲程曲线对比图

1 模型建立与验证

生物柴油是一种绿色可再生能源，与普通柴油相比，生物柴油具有明显的优势，其应用和发展前景十分乐观。目前主要是对生物柴油的密度、冷滤点、十六烷值和运动黏度的理化特性进行研究。本文所研究的柴油机功率较大，采用的是涡轮增压和电控单体泵燃油喷射技术，主要技术参数如表1所示。利用发动机仿真软件GT-Power对柴油机进行仿真计算建模，如图2所示。

表1 柴油机主要技术参数

图2 柴油机仿真模型

为了对GT-Power 软件搭建的柴油机模型进行可靠性分析，选用标定功率且转速为1 000 r/min时，燃用3种不同配比生物柴油B10、B20、B50与纯柴油B0 缸内燃烧压力的仿真值与实验值进行对比，其对比结果如图3所示。

图3 （网络版彩图）缸内燃烧压力对比

图3 （续）

从图3可知，燃用纯柴油时，缸内燃烧压力仿真值最大为16.1 MPa，实验值最大为16.7 MPa，最大缸内压力仿真值与实验值误差为3.6%；燃用B10、B20、B50 生物柴油时，实验值与仿真值分别为3.5%、3.4%、3.5%。由结果可知，实验值与仿真值误差较小，符合计算误差范围；因此，该仿真模型准确性较好，可以用于后续柴油机燃用生物柴油应用两种米勒循环分析。

2 生物柴油应用米勒循环性能优化分析

本文研究不同配比生物柴油（B0、B10、B20、B50）应用两种米勒循环方式对某大功率柴油机性能的影响，综合柴油机各性能参数与生物柴油的理化特性，观察柴油机的功率（扭矩与功率呈线性关系，扭矩变化趋势与功率变化趋势相似）、油耗和NO排放，从而选取最佳米勒循环方式和最优米勒循环角度。

2.1 功率对比优化分析

图4为在两种米勒循环下燃用不同配比生物柴油的功率对比。

图4 （网络版彩图）不同配比生物柴油两种米勒循环功率对比

图4 （续）

由图4 可知，在0～30 °CA 范围内，两种米勒循环下的功率均逐步提升，这是由于随着米勒度变大，增压压力也逐渐增大，缸内进气量增多，燃烧更加完全，功率增大。与变气阀重叠角米勒循环相比，变凸轮型线米勒循环表现较差。在40～70°CA范围内，功率在两种米勒循环的作用下都逐步下降，这是由于随着米勒度变大，增压压力提高，进气量增多，超过燃料完全燃烧所需的量，功率下降，但变气阀重叠角米勒循环逐步开始好于变凸轮型线米勒循环；因此，30°CA 是该柴油机功率发生改变的转折点。综合分析可知，两种米勒循环的功率变化趋势基本不变，在两种米勒循环下燃用纯柴油的功率最大差值在70°CA，大小约为24 kW；最小差值在40°CA，大小约为13 kW。在燃用B50生物柴油时，功率最大差值约为33 kW（70°CA），最小差值约为12 kW（40°CA）。

图5 和图6 分别为柴油机燃用不同配比生物柴油时两种米勒循环的功率变化对比。

图5 （网络版彩图）变气阀重叠角不同配比生物柴油功率对比

图6 （网络版彩图）变凸轮型线不同配比生物柴油功率对比

在0～20°CA 范围内，两种米勒循环下燃用不同配比生物柴油的功率均逐步上升，这是因为在两种循环下的进气量都有所增加，使燃烧变得充分，功率上升，且最大上升幅度分别是1.57%和1.79%。在20～70°CA范围内，两种米勒循环所产生的功率均有所下降，这是由于随着米勒度的增大，进气持续时间降低，从排气道流出新鲜空气较少。

由图5 和图6 可知，两种米勒循环所产生的功率均随着燃油配比增大呈递减趋势，且递减幅度增大。在变凸轮型线米勒循环中，纯柴油产生的最大功率为3 047 kW，B50生物柴油产生的最大功率为2 805 kW，在变气阀重叠角米勒循环中，纯柴油产生的最大功率为3 061 kW，B50 生物柴油产生的最大功率为2 816 kW。

2.2 油耗对比优化分析

图7为在两种米勒循环下燃用不同配比生物柴油的油耗对比。

图7 （网络版彩图）不同配比生物柴油两种米勒循环油耗对比

由图7可知，在0～20°CA范围内，在变气阀重叠角米勒循环下油耗变化明显，这是由于变凸轮型线米勒循环进气流量比变气阀重叠角米勒循环要低一些，变凸轮型线米勒循环油气混合较充分，燃烧较完全，功率较高，油耗较低。在20～30°CA范围内，在两种循环方式的作用下，油耗量都在逐渐提升，与变气阀重叠角米勒循环相比，变凸轮型线米勒循环表现较差；因此，20°CA为该柴油机燃用不同配比生物柴油油耗变化的拐点。在30～40°CA范围内，变气阀重叠角米勒循环下的油耗量逐渐开始高于变凸轮型线米勒循环，这是由于此时变凸轮型线米勒循环进气流量要高于变气阀重叠角米勒循环，燃烧较完全，功率较高，油耗较低。在40～70°CA范围内，在两种循环方式作用下，油耗量都在逐渐提升。造成这种现象的原因是随着米勒度的进一步增大，缸内进气量减少，燃油与新鲜空气得不到充分混合，燃烧不充分，为满足功率输出，需增加不同配比生物柴油，这就导致了油耗增加。

图8 和图9 分别为柴油机燃用不同配比生物柴油时两种米勒循环油耗变化对比。

图8 （网络版彩图）变气阀重叠角不同配比生物柴油油耗对比

图9 （网络版彩图）变凸轮型线不同配比生物柴油油耗对比

在0～20°CA范围内，两种米勒循环所产生的油耗均呈下降的趋势，当米勒度为20～70°CA时，两种米勒循环所产生的油耗均呈上升趋势。这是由于循环喷油量不变，功率随米勒度的增大而先升高后下降；因此，油耗出现先下降后升高。由图8和图9可知，两种米勒循环方式下对应的油耗变化趋势相似，油耗随着生物柴油配比变大而增大。当燃用B50生物柴油且米勒度为70°CA时柴油机燃油消耗率最高，变气阀重叠角模式为252 g（/kW·h），变凸轮型线模式为245 g（/kW·h）；在米勒度为20°CA时柴油机燃油消耗率最低，变气阀重叠角模式为211 g（/kW·h），变凸轮型线模式为212 g（/kW·h）。而燃用纯柴油时，在米勒度为70°CA时柴油机燃油消耗率最高，变气阀重叠角模式油耗最高为234.5 g（/kW·h），变凸轮型线模式油耗最高为227.9 g（/kW·h）；在米勒度为20°CA时柴油机燃油消耗率最低，变气阀重叠角模式油耗最低仅为196 g（/kW·h），变凸轮型线模式油耗最低为197.5 g（/kW·h）。

2.3 碳烟排放对比优化分析

图10 为在两种米勒循环下燃用不同配比生物柴油的碳烟排放对比。

图10 （网络版彩图）不同配比生物柴油在两种米勒循环下碳烟排放对比

图10 （续）

由图10 可知，在0～40°CA 范围内，两种米勒循环所产生的碳烟排放均为下降趋势。两种米勒循环在米勒度为20°CA 左右碳烟排放相差较大，这是由于两种米勒循环在米勒度为20°CA 时进气量有差异，进气量增加使不同配比生物柴油燃烧充分，减少了碳烟排放。

在40～70°CA范围内，变气阀重叠角米勒循环所产生的碳烟排放开始上升，且上升幅度较大，变凸轮型线米勒循环产生的碳烟排放则持续下降。这是由于进气量保持持续增加，使变凸轮型线米勒循环缸内燃烧更充分，变凸轮型线米勒循环所产生的碳烟排放持续下降；因此，40°CA 为该柴油机燃用不同配比生物柴油碳烟排放变化拐点。

图11 和图12 分别为柴油机燃用不同配比生物柴油时两种米勒循环碳烟排放对比。

图11 （网络版彩图）变气阀重叠角不同配比生物柴油碳烟排放对比

图12 （网络版彩图）变凸轮型线不同配比生物柴油碳烟排放对比

在0～40°CA范围内，两种米勒循环所产生的碳烟排放均呈下降趋势，这是由于缸内进气量逐渐变大，混合气燃烧愈加充分，使碳烟排放降低。变凸轮型线米勒循环在10～20°CA时产生的碳烟排放变化不明显。在40～70°CA范围内，变气阀重叠角米勒循环所产生的碳烟排放为上升趋势，且在米勒度大于50°CA时碳烟排放上升幅度大，这是由于米勒度进一步增大，大量新鲜空气开始从排气道流出，进气流量减少，燃烧不充分使缸内温度下降，碳烟排放升高；变凸轮型线米勒循环碳烟排放则持续下降，且在米勒度大于40°CA时碳烟排放的下降幅度缓慢。

燃用纯柴油产生的碳烟排放：在米勒度为40°CA时，变气阀重叠角模式为17.2 g/m，变凸轮型线模式为17.2 g/m；在米勒度为70°CA时，变气阀重叠角模式为33.2 g/m，变凸轮型线模式为10.2 g/m。燃用B50 生物柴油产生的碳烟排放：在米勒度为40°CA时，变气阀重叠角模式为11.3 g/m，变凸轮型线模式为11.2 g/m；在米勒度为70°CA时，变气阀重叠角模式为20.7 g/m，变凸轮型线模式为6.1 g/m。在变凸轮型线米勒循环时，燃用纯柴油与B50 生物柴油产生的碳烟排放差值：米勒度为0°CA时为9.2 g/m，米勒度为40°CA 时为6 g/m，米勒度为70°CA时为4.1 g/m。

2.4 NOx排放对比优化分析

图13 为在两种米勒循环下燃用不同配比生物柴油的NO排放对比。

图13 （网络版彩图）不同配比生物柴油两种米勒循环下NOx排放对比

图13 （续）

由图13 可知，在0～70°CA 范围内，两种米勒循环下NO排放都逐渐下降，与变凸轮型线米勒循环相比，变气阀重叠角米勒循环表现较差。这是由于随着米勒度增大，变气阀重叠角米勒循环进气量逐渐减小，降低了缸内氧含量；而变凸轮型线米勒循环进气量逐渐增多，燃烧充分，温度升高，NO排放较大。另外由于循环喷油量不变，进气量逐渐增加，超过完全燃烧所需的量，多余空气量对缸内起到冷却作用，使得缸内温度进一步下降，导致NO排放下降。

在米勒度为70°CA 时两种米勒循环燃用不同配比生物柴油产生的NO排放相近。当该柴油机在米勒度为70°CA 且燃用B20 生物柴油时，与变凸轮型线米勒循环相比，变气阀重叠角米勒循环表现较好。这是由于NO排放的产生与缸内温度、含氧量有关。由于NO的形成机理，燃烧状态处于“高温、富氧”状态，变凸轮型线米勒循环进气量持续增加，燃烧更加完全，缸内温度高；变气阀重叠角米勒循环高压力的进气将部分废气挤压在缸内，降低了缸内含氧量，缸内温度保持在较低水平；因此，变凸轮型线米勒循环产生的NO排放高于变气阀重叠角米勒循环产生的NO排放，且随着温度与含氧量的不断增大，NO排放也逐渐增大。

图14 和图15 分别为柴油机燃用不同配比生物柴油时两种米勒循环的NO排放变化对比。

图14 （网络版彩图）变气阀重叠角不同配比生物柴油NOx对比

图15 （网络版彩图）变凸轮型线不同配比生物柴油NOx对比

由图14 和图15 可知，柴油机燃用不同配比生物柴油时，变凸轮型线米勒循环与变气阀重叠角米勒循环产生的NO排放均呈现下降趋势。这是由于米勒度进一步增大，使进气流量逐渐增大，大量新鲜空气开始从排气道流出，进气流量减少，燃烧不充分使缸内温度下降，NO排放减少。在相同米勒度下，燃用纯柴油NO排放最低。当柴油机燃用纯柴油且米勒度为0°CA时，柴油机NO排放最高，变气阀重叠角模式NO排放最高为10.2 g（/kW·h），变凸轮型线模式为10.1 g（/kW·h）；在米勒度为70°CA 时柴油机NO排放最低，变气阀重叠角模式NO排放最低仅为5.7 g（/kW·h），变凸轮型线模式NO排放最低为5.8 g（/kW·h）。

所以，在米勒度一致的情况下，变凸轮型线米勒循环比变气阀重叠角米勒循环更能明显影响NO的排放效果；因此，在米勒度为30°CA 时，使用变气阀重叠角米勒循环并燃用B10生物柴油为提高该柴油机性能的较优方案；在燃用B10 生物柴油时，米勒度为20°CA方案亦可达到相近效果；在米勒度30°CA时，燃用B20生物柴油方案效果次之。

3 结论

1）由研究分析可知，两种米勒循环对柴油机燃用不同配比生物柴油的功率、油耗、NO排放变化趋势一致，且柴油机燃用不同配比生物柴油时，30°CA是柴油机功率发生变化的拐点，20°CA是该柴油机油耗变化拐点，40°CA 是该柴油机碳烟排放的变化拐点。

2）柴油机燃用不同生物柴油运用两种米勒循环时NO排放降低的效果显著，变凸轮型线米勒循环排放效果低于变气阀重叠角米勒循环，且NO排放在米勒度增加的过程中显著降低。该柴油机采用纯柴油时产生的NO排放量最低，燃用B50生物柴油所产生的NO排放量最高。

综合分析可确定提升柴油机性能的最佳优化方案为：采用变气阀重叠角米勒循环，米勒度为30°CA，燃用B10生物柴油。