2024年5月20日发(作者：令狐尔真)
第33卷第3期
2022年9月
广西科技大学学报
JOURNALOFGUANGXIUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY
Vol.33No.3
Sep.2022
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
（广西科技大学机械与汽车工程学院，广西柳州545616）
摘要：基于GT-Power软件对16V265H柴油机建立仿真模型，研究转速为1000r/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NO
x
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柴油机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：TK421.2DOI：10.16375/45-1395/t.2022.03.017
0引言
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
近年来，随着全球轨道交通设备的快速发
系，以优化进排气系统。Zhen等
[18]
使用一维仿真软
展
[1]
，对铁路货运高速、重负荷的要求越来越
件开发了四缸点火甲醇发动机的仿真模型，研究
高
[2-3]
。为了满足市场需求，世界各国柴油机都朝着
了30%、50%和70%负荷工况下的节气门开度对
高功率、低能耗、低污染方向发展
[4-5]
。进排气系统
发动机性能、燃烧和排放的影响，以找到最佳节气
作为柴油机的重要组成部分，其良好的设计可以提
门开度。
高容积效率，从而在特定的发动机转速下提供更好
本文以16V265H柴油机为研究对象，通过GT-
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]
。
Power软件建立仿真模型，研究分析16V265H柴油
机在1000r/min、50%负荷工况下燃用B0、B10、
近年来，已有许多研究人员对发动机进排气系统的
B20等3种不同配比生物柴油，及在不同气门正时
优化进行研究。例如，金云峰等
[12]
通过对进排气过
（包括：进气门提前角（IVO）、进气门迟闭角
滤系统进行研究，观察进排气压差对柴油机的影
（IVC）、排气门提前角（EVO）、排气门迟闭角
响；基于其运行原理建立进排气压差与空气流速之
[19]
（EVC））下的功率、油耗、排放变化，并找出其
间的函数关系，对进排气系统进行优化。母忠强
工作最优值。
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
[15]
[14]
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4660kW，额定转速1000r/min，排量264.74
L
[20]
，主要技术参数见表1。
收稿日期：2022-02-17
基金项目：国家自然科学基金项目（6196300006）；广西科技大学博士基金项目（校科博21Z34）资助
作者简介：胡杰，在读博士，讲师，研究方向：新能源动力技术，E-mail：
*通信作者：莫清烈，实验师，研究方向：新能源动力技术，E-mail：
第3期
胡杰等：基于GT-Power对机车柴油机燃用生物柴油的性能分析
表116V265H柴油机主要技术参数
型式气缸数，V型夹角（/°）缸径×行程（/mm×mm）排量/L
16缸，45265×300264.74
压缩比额定功率/kW
15.44660
123
额定转速（/r·min
-1
）
1000
四冲程，直接喷
射，废气涡轮增
压，增压中冷
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“CamTimingAngle”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。
图116V265H柴油机仿真模型
216V265H柴油机功率优化分析
1000r/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1000r/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NO
x
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1000
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。
124
广西科技大学学报第33卷
图2（网络版彩图）50%负荷下B0功率计算值
图3（网络版彩图）50%负荷下B10功率计算值
图4（网络版彩图）50%负荷下B20功率计算值
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1000r/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
图可知功率优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，
第3期
胡杰等：基于GT-Power对机车柴油机燃用生物柴油的性能分析
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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。
图8（网络版彩图）50%负荷下B20燃油消耗率计算值
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
图550%负荷下优化前后功率对比图
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
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
1000r/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。
图6（网络版彩图）50%负荷下B0燃油消耗率计算值
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
图7（网络版彩图）50%负荷下B10燃油消耗率计算值
126
广西科技大学学报第33卷
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1000r/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。
图11（网络版彩图）50%负荷时B20碳烟计算值
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，
图950%负荷下改进后油耗与原机值对比
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1000r/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。
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1000r/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。
图1250%负荷下改进后的碳烟与原机值对比
根据16V265H柴油机在1000r/min、50%负荷
图10（网络版彩图）50%负荷时B0碳烟计算值
工况下燃烧不同比例生物柴油的计算结果，得出该
第3期
胡杰等：基于GT-Power对机车柴油机燃用生物柴油的性能分析
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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NO
x
优化分析
图13和图14为16V265H柴油机在1000r/min、
50%负荷下燃烧不同比例生物柴油（B0和B10）时
NO
x
排放的最佳计算结果。
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，NO
x
排放出现最小值。
图15为16V265H柴油机在1000r/min、50%
负荷工况下燃用不同配比生物柴油的NO
x
排放优化
结果。从图15可知，该柴油机经过模型优化后，
NO
x
排放均低于优化前。该柴油机在燃用B20纯生
物柴油时，NO
x
排放最高，且随着生物柴油配比标
号增大，该柴油机NO
x
排放呈上升趋势，燃用B0
纯柴油时NO
x
排放最低。
图1550%负荷下改进后NO
x
与原机值对比
图13（网络版彩图）50%负荷时B0NO
x
计算值
采用模型优化计算了16V265H柴油机在1000
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NO
x
排放最
低。使用B20生物柴油的效果是第二优的方案。
NO
x
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NO
x
排放增加。
2.5基于模型优化后的性能比较
图14（网络版彩图）50%负荷时B10NO
x
计算值
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，NO
x
排放出现最大值。最低NO
x
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，NO
x
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
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1000r/min、50%负荷工况下燃用B10柴
128
广西科技大学学报
表2生物柴油优化前后性能对比
油耗功率
下降幅度/%
4.78
4.77
4.78
原机试验值/kW
2257
2220
2184
优化仿真值/kW
2296
2259
2222
第33卷
型号
-1
原机试验值（/g·（kW·h））
-1
优化仿真值（/g·（kW·h））提升幅度/%
1.72
1.75
1.73
B0
B10
B20
215.00
221.17
225.04
204.72
210.60
214.28
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。
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，
NO
x
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NO
x
排放最低。
燃用B20生物柴油效果次之。
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）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。
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basedonGT-Power
HUJie,MOQinglie
*
,JIANGFeng,CAOWentong,ZHOUJunming
(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,GuangxiUniversityofScienceandTechnology,
Liuzhou545616,China)
Abstract:Acoupledmodelofa16V265HdieselengineisestablishedbasedonGT-Powersoftware,
andtheeffectsofdifferentratiosofbiodiesel(B0,B10andB20)ontheperformanceofthediesel
enginearestudiedataspeedof1000r/minandaloadof50%.Firstly,Takingtheintakeandexhaust
timingofthe16V265Hdieselengineastheindependentvariablesoftheoptimizationmodel,andthe
fourparametersofdieselenginepower,fuelconsumption,sootemissionandNO
x
emissionastheresult
variablesoftheoptimizationmodel,themaximumpower,minimumfuelconsumptionandminimum
,theperformanceparametersare
comprehensivelyanalyzed,andtheoptimalintaketimingschemeofdieselengineswithdifferent
biodieselratiosunder50%ultsshowthatthemaximumpower,
minimumfuelconsumptionandminimumemissionsof16V265Hdieselengineswithdifferent
bioearchmethodcan
providereferenceforthetechnologyof16V265Hdieselengineintakesystem.
Keywords:16V265Hdieselengine;modeloptimizationandanalysis;structuralparameters;biodiesel
performance
（责任编辑：黎娅）
2024年5月20日发(作者：令狐尔真)
第33卷第3期
2022年9月
广西科技大学学报
JOURNALOFGUANGXIUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY
Vol.33No.3
Sep.2022
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
（广西科技大学机械与汽车工程学院，广西柳州545616）
摘要：基于GT-Power软件对16V265H柴油机建立仿真模型，研究转速为1000r/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NO
x
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柴油机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：TK421.2DOI：10.16375/45-1395/t.2022.03.017
0引言
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
近年来，随着全球轨道交通设备的快速发
系，以优化进排气系统。Zhen等
[18]
使用一维仿真软
展
[1]
，对铁路货运高速、重负荷的要求越来越
件开发了四缸点火甲醇发动机的仿真模型，研究
高
[2-3]
。为了满足市场需求，世界各国柴油机都朝着
了30%、50%和70%负荷工况下的节气门开度对
高功率、低能耗、低污染方向发展
[4-5]
。进排气系统
发动机性能、燃烧和排放的影响，以找到最佳节气
作为柴油机的重要组成部分，其良好的设计可以提
门开度。
高容积效率，从而在特定的发动机转速下提供更好
本文以16V265H柴油机为研究对象，通过GT-
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]
。
Power软件建立仿真模型，研究分析16V265H柴油
机在1000r/min、50%负荷工况下燃用B0、B10、
近年来，已有许多研究人员对发动机进排气系统的
B20等3种不同配比生物柴油，及在不同气门正时
优化进行研究。例如，金云峰等
[12]
通过对进排气过
（包括：进气门提前角（IVO）、进气门迟闭角
滤系统进行研究，观察进排气压差对柴油机的影
（IVC）、排气门提前角（EVO）、排气门迟闭角
响；基于其运行原理建立进排气压差与空气流速之
[19]
（EVC））下的功率、油耗、排放变化，并找出其
间的函数关系，对进排气系统进行优化。母忠强
工作最优值。
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
[15]
[14]
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4660kW，额定转速1000r/min，排量264.74
L
[20]
，主要技术参数见表1。
收稿日期：2022-02-17
基金项目：国家自然科学基金项目（6196300006）；广西科技大学博士基金项目（校科博21Z34）资助
作者简介：胡杰，在读博士，讲师，研究方向：新能源动力技术，E-mail：
*通信作者：莫清烈，实验师，研究方向：新能源动力技术，E-mail：
第3期
胡杰等：基于GT-Power对机车柴油机燃用生物柴油的性能分析
表116V265H柴油机主要技术参数
型式气缸数，V型夹角（/°）缸径×行程（/mm×mm）排量/L
16缸，45265×300264.74
压缩比额定功率/kW
15.44660
123
额定转速（/r·min
-1
）
1000
四冲程，直接喷
射，废气涡轮增
压，增压中冷
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“CamTimingAngle”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。
图116V265H柴油机仿真模型
216V265H柴油机功率优化分析
1000r/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1000r/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NO
x
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1000
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。
124
广西科技大学学报第33卷
图2（网络版彩图）50%负荷下B0功率计算值
图3（网络版彩图）50%负荷下B10功率计算值
图4（网络版彩图）50%负荷下B20功率计算值
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1000r/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
图可知功率优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，
第3期
胡杰等：基于GT-Power对机车柴油机燃用生物柴油的性能分析
125
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。
图8（网络版彩图）50%负荷下B20燃油消耗率计算值
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
图550%负荷下优化前后功率对比图
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
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
1000r/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。
图6（网络版彩图）50%负荷下B0燃油消耗率计算值
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
图7（网络版彩图）50%负荷下B10燃油消耗率计算值
126
广西科技大学学报第33卷
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1000r/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。
图11（网络版彩图）50%负荷时B20碳烟计算值
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，
图950%负荷下改进后油耗与原机值对比
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1000r/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。
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1000r/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。
图1250%负荷下改进后的碳烟与原机值对比
根据16V265H柴油机在1000r/min、50%负荷
图10（网络版彩图）50%负荷时B0碳烟计算值
工况下燃烧不同比例生物柴油的计算结果，得出该
第3期
胡杰等：基于GT-Power对机车柴油机燃用生物柴油的性能分析
127
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NO
x
优化分析
图13和图14为16V265H柴油机在1000r/min、
50%负荷下燃烧不同比例生物柴油（B0和B10）时
NO
x
排放的最佳计算结果。
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，NO
x
排放出现最小值。
图15为16V265H柴油机在1000r/min、50%
负荷工况下燃用不同配比生物柴油的NO
x
排放优化
结果。从图15可知，该柴油机经过模型优化后，
NO
x
排放均低于优化前。该柴油机在燃用B20纯生
物柴油时，NO
x
排放最高，且随着生物柴油配比标
号增大，该柴油机NO
x
排放呈上升趋势，燃用B0
纯柴油时NO
x
排放最低。
图1550%负荷下改进后NO
x
与原机值对比
图13（网络版彩图）50%负荷时B0NO
x
计算值
采用模型优化计算了16V265H柴油机在1000
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NO
x
排放最
低。使用B20生物柴油的效果是第二优的方案。
NO
x
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NO
x
排放增加。
2.5基于模型优化后的性能比较
图14（网络版彩图）50%负荷时B10NO
x
计算值
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，NO
x
排放出现最大值。最低NO
x
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，NO
x
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
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1000r/min、50%负荷工况下燃用B10柴
128
广西科技大学学报
表2生物柴油优化前后性能对比
油耗功率
下降幅度/%
4.78
4.77
4.78
原机试验值/kW
2257
2220
2184
优化仿真值/kW
2296
2259
2222
第33卷
型号
-1
原机试验值（/g·（kW·h））
-1
优化仿真值（/g·（kW·h））提升幅度/%
1.72
1.75
1.73
B0
B10
B20
215.00
221.17
225.04
204.72
210.60
214.28
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。
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，
NO
x
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NO
x
排放最低。
燃用B20生物柴油效果次之。
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）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。
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Performanceanalysisoflocomotivedieselenginefueledwithbiodiesel
basedonGT-Power
HUJie,MOQinglie
*
,JIANGFeng,CAOWentong,ZHOUJunming
(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,GuangxiUniversityofScienceandTechnology,
Liuzhou545616,China)
Abstract:Acoupledmodelofa16V265HdieselengineisestablishedbasedonGT-Powersoftware,
andtheeffectsofdifferentratiosofbiodiesel(B0,B10andB20)ontheperformanceofthediesel
enginearestudiedataspeedof1000r/minandaloadof50%.Firstly,Takingtheintakeandexhaust
timingofthe16V265Hdieselengineastheindependentvariablesoftheoptimizationmodel,andthe
fourparametersofdieselenginepower,fuelconsumption,sootemissionandNO
x
emissionastheresult
variablesoftheoptimizationmodel,themaximumpower,minimumfuelconsumptionandminimum
,theperformanceparametersare
comprehensivelyanalyzed,andtheoptimalintaketimingschemeofdieselengineswithdifferent
biodieselratiosunder50%ultsshowthatthemaximumpower,
minimumfuelconsumptionandminimumemissionsof16V265Hdieselengineswithdifferent
bioearchmethodcan
providereferenceforthetechnologyof16V265Hdieselengineintakesystem.
Keywords:16V265Hdieselengine;modeloptimizationandanalysis;structuralparameters;biodiesel
performance
（责任编辑：黎娅）