乙醇汽油靈活燃料汽油機仿真計算

Auo Enginer4051070 2011(1)Enimn:汽車(chē)工程師FOCUS技術(shù)聚焦設計.創(chuàng )新I乙醇汽油靈活燃料汽油機仿真計算郭蘭劉小平天津一汽夏利汽車(chē)股份有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中心)摘要:能源和環(huán)境問(wèn)題推動(dòng)了新能源汽車(chē)的開(kāi)發(fā)和使用，乙醇作為替代燃料之一逐漸引起了人們的重視。通過(guò)一款4氣門(mén)靈活燃料乙醇汽油發(fā)動(dòng)機在3種比例E10， E50， E90下的熱力學(xué)計算，對發(fā)動(dòng)機燃燒乙醇汽油的工作過(guò)程進(jìn)行了工作特性計算研究。著(zhù)重對最大扭矩工況下發(fā)動(dòng)機燃燒乙醇汽油混合燃料時(shí)壓縮比、對點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣門(mén)遲閉角及空燃比耦合作用下的發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化計算。對3種燃料進(jìn)行對比分析，對整機性能做出預測。為優(yōu)化汽油機結構和進(jìn)一步的三維計算分析提供了依據。關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機;乙醇汽油; AVL boost; 優(yōu)化設計;仿真計算Numerical Simulation of an Ethanol and Gasoline Flex-Fuel EngineAbstract: Energy-saving and environmental protection have enhanced the development of new energy vehicle.Thermodynamics analysis was carried out in an ethanol and gasoline blends fueled four-valve spark ignition enginewith E10, E50 and E90. A model has been developed in an engine cycle simulation tool AVL-boost, for the simulationof the engines using ethanol and gasoline blends as fuels. With the model the working characteristics were calculatedand a variable parameters study was carried out on the engine which was fueled with ethanol gasoline blends. Under theworking condition of max torque, the influences of compress ratio, the ignition advance angle, the intake valve closingangle and the air fuel ratio were simulated and analyzed for three kinds of fuel material. At the same time a final engineperformance was analyzed. It provides reference for structural optimization of gasoline engine and further three-dimensional numerical calculation.Key words: Internal combustion engine; Ethanol and gasoline; AVL-boost; Optimal design; Simulation能源緊缺和環(huán)境污染成為制約汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的上，運用AVL-boost軟件對某4缸發(fā)動(dòng)機采用乙醇汽2大障礙。面對這一-因境，開(kāi)發(fā)和使用新能源汽車(chē)已油 靈活燃料E10, E5O, E90 后進(jìn)行熱力學(xué)計算，預經(jīng)成為未來(lái)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的必然方向。乙醇作為替代測 整機性能，優(yōu)化汽油機的結構參數和運行參數，并燃料之一逐漸引起了人們的重視。乙醇以一定的比為進(jìn) -一步的三維計算分析提供依據。例添加到普通汽油中，可以有效減少汽油的使用量，:計算模型的建立且能在一-定程度上降低排放，成為新- -代高質(zhì)量替代首先在標定后的汽油機的基礎上建立使用靈活燃能源。然而，目前對乙醇汽油的研究大多還是以試驗料 發(fā)動(dòng)機的模擬計算模型，建立的原汽油機模型，如為主，無(wú)法確定發(fā)動(dòng)機的結構參數和運行參數是否使圖 1所示。氣體從進(jìn)氣系統的環(huán)境邊界，流經(jīng)進(jìn)氣管發(fā)動(dòng)機燃燒乙醇汽油混合燃料時(shí)的性能得到應有的發(fā)-+空濾器→進(jìn)后。懶必后廢氣通過(guò)排氣揮道一排氣管→中國煤化工排氣系統的環(huán)文章通過(guò)在原有單一汽油燃料的汽油機的基礎境邊界?！癥HCNMHG-32-AutoEnineer第1期Enimn:汽車(chē)工程師FOCUS技術(shù)聚焦COENDesign-Innovation發(fā)動(dòng)機工作模型是比較成功的。因此，可以應用該模型進(jìn)一步對乙醇汽油靈活燃料發(fā)動(dòng)機性能進(jìn)行預測及來(lái)運行參數優(yōu)化設計。0ε6ol 一計算值。-試驗值總40白300年10002000 3000 4000 5 0006 000轉速/r/min)a 外特性下功率的對比1411298-之70一一-計算值P12。試驗值圖1模擬計算模型1.1輸入的數據1000 2 000’ 00..40005000 6000主要的發(fā)動(dòng)機參數，如表1所示。發(fā)動(dòng)機的摩擦b外特性下扭矩的對比功數據根據經(jīng)驗公式模擬計算結果給出，進(jìn)排氣道的362[344流量系數是氣道實(shí)驗臺測試的結果，燃燒放熱率的曲326線(xiàn)根據發(fā)動(dòng)機試驗測量得出。90E“。-計算值表1發(fā)動(dòng)機主要參數-←試驗值數值室238缸徑/mm73100020003000 4000 5000 6000轉速/ ( r/min)沖程/mm80外特性下比油耗的對比連桿長(cháng)度/mm129.5圖2原機模型的標定2發(fā) 動(dòng)機性能預測總排量/L1.3392.1燃料特 性的確定氣缸數發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程中進(jìn)入氣缸的工質(zhì)是空氣和燃料點(diǎn)火順序1-3-4-2的混合氣。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，假設空氣主要由氧氣和氮壓縮比10.0氣組成。燃料是汽油和乙醇的混合燃料，其中乙醇的1.2原機模型的標定在應用數學(xué)模型對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行有效的工作過(guò)程?；瘜W(xué)成分為C2H2OH,汽油的主要成分取為C.Hs.,，擬計算之前，必須進(jìn)行模型相關(guān)參數修正，使模型適燃料中各組分的質(zhì)量分數及其性質(zhì)直接影響燃燒質(zhì)合于特定發(fā)動(dòng)機結構，有效進(jìn)行特定運行工況的性能量，在建模過(guò)程中對各組分的熱力特性參數需要通過(guò)預測。文章對原汽油機模型進(jìn)行標定，進(jìn)行了多組發(fā)計算求得[13),，靈活燃料發(fā)動(dòng)機的燃料特性參數，如動(dòng)機外特性試驗，在試驗過(guò)程中對進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫.表2所示。表2乙醇汽油靈活燃料的工質(zhì)參數度、冷卻水溫度、機油溫度、點(diǎn)火提前角及發(fā)動(dòng)機的性能參數等進(jìn)行了測量，對模型參數進(jìn)行了相應的修乙醇體醇低熱值/辛烷理論空汽油的體積質(zhì)量/的質(zhì)( MJ/kg )慨比;E。代號積比(g/mL)量比(kg/kg)原機模型計算與試驗對比，如圖2所示。在整個(gè)汽油00.7323.0593 14.5轉速范圍內，結果之間的變化規律- -致， 模擬結果與E10 0.0.738.107 41.30194.8 13.909實(shí)測結果之間存在一定的差異， 但是二者的相對誤差E50 0.:0.7中國煤化工2都在5%以?xún)??？紤]到在建模過(guò)程中使用了各種簡(jiǎn)化E90 0.9 0.780CNMH G9.2 9.512條件和假設，以及測試儀器本身的測量誤差，建立的乙醇0.79226.75- 33-Auo Enginer技術(shù)聚焦FOCUSEngime汽車(chē)工程師2011年1月設計創(chuàng )新2.2外特性預測發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性與經(jīng)濟性得到改善。另外，隨著(zhù)壓縮圖3示出靈活燃料發(fā)動(dòng)機與汽油機外特性計算結比的增大會(huì )使發(fā)動(dòng)機的爆震傾向增大,缸內溫度升高，果，由圖3可以看出，在對發(fā)動(dòng)機不做任何改動(dòng)的情有利于NO,的形成，因而壓縮比的提高又要受到尾況下，外特性功率和扭矩明顯下降，不能達到設計要氣排放法規的限制。求。因此，需要在原機的基礎上對運行參數進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)分析可以看出，提高壓縮比可以使發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性都得到提高，所以，在容許的爆震和NO,排放要求下，應盡量提高發(fā)動(dòng)機的壓縮比。由于乙醇的辛烷值比汽油高，將乙醇按一-定比例與汽油混40--E10計算值E50計算值合后，燃料的辛烷值提高，使發(fā)動(dòng)機的抗爆性增加。-E90計算值20} s-汽油因此，可以考慮通過(guò)適當提高壓縮比的辦法來(lái)提高發(fā)1000 2000 3000 .，4000 5000 6 000動(dòng)機的動(dòng)力性能和經(jīng)濟性能。a功率外特性8.0F2.246.4 .I40[40.634.88429970上--一-E10計算值B 17.4. E50計算值9011.6備2E90計算值-o- 汽油10.0 10.2 10.4 10.6 10.8 11.0 11.2 11.4 11.6 11.8 12.0)0020003000400050006000壓縮比轉速(/min))扭矩外特性圖3靈活燃料發(fā)動(dòng)機與汽油機外特性對比a壓縮比對功率的影響一E102.3發(fā)動(dòng)機燃燒乙醇汽油工作過(guò)程變單參數的確定129 E-E50 .在經(jīng)過(guò)驗證的發(fā)動(dòng)機模型基礎上，主要分析壓縮-E90.比、點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣門(mén)遲閉角和空燃比對發(fā)動(dòng)機性112119能的影響，計算得出在確定工況下發(fā)動(dòng)機燃燒乙醇汽e 105油達到最佳性能時(shí)對應的參數值。發(fā)動(dòng)機達到最佳性目91上能的評價(jià)指標有多種，由于各參數在不同的評價(jià)指標下對應的參數值不同145)，文章選用最大扭矩作用點(diǎn)下發(fā)動(dòng)機功率、扭矩和比油耗作為評價(jià)指標來(lái)確定發(fā)b壓縮比對扭矩的影響動(dòng)機燃燒乙醇汽油混合燃料時(shí)各參數的最佳值，取轉460 F速4400r/min為計算點(diǎn)，在改變1個(gè)參數的過(guò)程中,.440[a 420|模型的其他參數保持原設置不變。三400-E10. E502.3.1壓縮比對發(fā)動(dòng)機性能的影響品360E90壓縮比是影響汽車(chē)發(fā)動(dòng)機性能指標的一一個(gè)重要參三320E數。選取10~ 12區間段11 種壓縮比(步長(cháng)為0.2)空300L進(jìn)行工作過(guò)程模擬計算，分析壓縮比對發(fā)動(dòng)機性能的影響。壓縮比對比油耗的影響圖4示出壓縮比對發(fā)動(dòng)機性能的影響，由圖4可圖4壓縮比對發(fā)動(dòng)機性能的影響以看出，隨著(zhù)壓縮比的提高，發(fā)動(dòng)機的功率和扭矩增2.3.2點(diǎn)火提前角對發(fā)動(dòng)機性能的影響大，燃油消耗率則有降低趨勢。這主要是由于壓縮比點(diǎn)火提前角是影響點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機性能的重要因提高后，壓縮時(shí)所產(chǎn)生的氣缸壓力與溫度相對提高，素，為了使發(fā)動(dòng)機的功率最大，燃油消耗率最低，選混合氣中的燃料分子氣化得更完全，顆粒更細密，再取-20~-8 °CA區間段的7種點(diǎn)火提前角(步長(cháng)為2°CA)對發(fā)動(dòng)中國煤化工計算，點(diǎn)火提加.上渦流和紊流效果，將使燃料與空氣更加均勻地混前角對發(fā)動(dòng)機性CNMHG所示。合。點(diǎn)火時(shí)能使混合氣燃燒速度加快，熱效率提高，-34-Auto Enpineer第1期Enimn:汽車(chē)工程師FOCUS技術(shù)聚焦CErNDesign-Innovation |從計算結果不難看出，點(diǎn)火提前角對發(fā)動(dòng)機的動(dòng)120F115E力性和經(jīng)濟性有很大影響。隨著(zhù)點(diǎn)火提前角的增加，110F一E10 .一E50乙醇汽油的動(dòng)力性顯著(zhù)增大，比油耗略有升高。目105-E90一EI010060顯955:日90F85三50570575 580 585云4Ca進(jìn)氣遲閉角對扭矩的影響35-18_ 1:點(diǎn)火提前角/CA- E50三400a點(diǎn)火提前角對功率的影響馬380-E10墨340E岔320_E90.10605 610 6152105進(jìn)氣門(mén)遲閉角/CAb進(jìn)氣遲閉角對油耗的影響1.00p0.95E10(-) ~-20-80.90EF501-. E90(- )b點(diǎn)火提前角對扭矩的影響50.85E0.80[550p一E100.75[-E50. E900.70518161412一108主450400c進(jìn)氣遲閉角對充氣效率的影響典350圖6進(jìn)氣遲閉角對發(fā)動(dòng)機性能的影響2.3.4空燃比對發(fā)動(dòng)機性能的影響五300空燃比也是影響發(fā)動(dòng)機性能的重要參數，空燃比-2-16-1-10是否合適決定了發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性、經(jīng)濟性及排放性能的c點(diǎn)火提前角對比油耗的影響好壞。因此，為滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機不同的使用工況應選用不圖5點(diǎn)火提前角對發(fā)動(dòng)機性能的影響同的空燃比。2.3.3進(jìn)氣遲閉角對發(fā)動(dòng)機性能的影響選取不同區間段的10種空燃比(步長(cháng)為1)對由于研究的發(fā)動(dòng)機為可變進(jìn)氣氣門(mén)正時(shí)發(fā)動(dòng)機,發(fā)動(dòng)機的工作過(guò)程進(jìn)行模擬計算。擬合后計算結果，而配氣正時(shí)直接影響發(fā)動(dòng)機的充氣效率，進(jìn)而影響發(fā)如圖7所示。不難看出，在空燃比的變化范圍內，發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性與經(jīng)濟性。因此主要通過(guò)對進(jìn)氣遲閉角動(dòng)機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和排放性能都存在最佳值，但的模擬計算來(lái)研究其對發(fā)動(dòng)機性能的影響。扭矩、燃油消耗率及充氣效率隨進(jìn)氣遲閉角的變是各種指標達到最佳時(shí)所對應的空燃比是不同的，因化關(guān)系，如圖6所示。在同一轉速下，不同的進(jìn)氣遲而在實(shí)際的工作中還應根據排放的具體要求確定空燃閉角所對應的充氣效率、扭矩和燃油消耗率是不同的。120p在進(jìn)氣遲閉角的變化范圍內，發(fā)動(dòng)機的扭矩和充氣效=110[率呈現先增大后減小的趨勢，而燃油消耗率則呈現先g 10[減小后增大的趨勢，獲得最大扭矩和最低燃油消耗率一100時(shí)所對應的進(jìn)氣遲閉角是不同的。比較3種不同的燃油比例的計算結果可以看出，不同的燃油對應的最佳進(jìn)氣遲閉角是不同的，大比例乙醇汽油對應的最佳遲中國煤化工，一MHCNMH G .131閉角向前移動(dòng)。a空燃比對扭矩的影響-35-AuoEngineer藝技術(shù)聚焦 FOCUSEngime汽車(chē)工程師2011年1月設計創(chuàng )新6[前角的尋優(yōu)范圍設為一26 ~-2 °CA,進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟提前32|角的尋優(yōu)范圍設為-36 ~-2 °CA，空燃比的尋優(yōu)范圍_E100[_ E50設為10~ 5.5。三46]-E902.4.2優(yōu)化結果分析每4442[本次優(yōu)化計算共進(jìn)行了325次循環(huán)計算，計算結果，如圖8所示，從圖8可以看出，尋優(yōu)變量的不同3 14組合對發(fā)動(dòng)機的扭矩有很大的影響，在參數的影響范空怏比圍內，扭矩在一定范圍內的最低值為66.42Nm，最b空燃比對功率的影響大值為94.001 4 Nm。900t點(diǎn)火提前角10? 800空燃比，700進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟提前角90夏600量500全400300要運一102009101112 13 14易研留-20c空燃比對油耗的影響啦3-30圖7空燃比對發(fā)動(dòng)機性能的影響電2.4發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程的變多參數模擬優(yōu)化計算次數/次前面應用建立的模型對發(fā)動(dòng)機的工作過(guò)程進(jìn)行了a變量的變化過(guò)程單參數研究，分析了發(fā)動(dòng)機在燃用乙醇汽油時(shí)性能隨所研究的參數變化的規律。這些模擬計算都是在單參數的變化范圍內進(jìn)行的，因而只能反映發(fā)動(dòng)機性能在這些單- -參數作用下的變化規律，無(wú)法全面反映各之80-參數之間的交互作用，難以確定各項參數耦合作用下發(fā)動(dòng)機的最佳性能。應用所建立的發(fā)動(dòng)機模型，采用AVL-boost與isight相結合的方式對發(fā)動(dòng)機在1004400r/min'下，使用E90燃料時(shí)進(jìn)行多參數優(yōu)化研究，b目標值的變化過(guò)程在模擬計算中以多個(gè)參數作為尋優(yōu)變量，確定目標函書(shū)數,確定多個(gè)參數耦合作用下發(fā)動(dòng)機的最佳扭矩性能。2.4.1尋優(yōu)變 量的確定在優(yōu)化的過(guò)程中通常要選取對目標函數影響較大2而又可控的參數作為尋優(yōu)變量，發(fā)動(dòng)機輸出扭矩受多因素影響，但是每個(gè)因素影響的方式和影響程度是不同的:壓縮比對發(fā)動(dòng)機扭矩的影響具有單向性，即在變量的設置及最優(yōu)變量參數圖8多變量耦合分析圖允許的爆震條件和環(huán)保等條件下，發(fā)動(dòng)機的扭矩隨著(zhù)通過(guò)模擬計算得到發(fā)動(dòng)機燃燒乙醇汽油靈活這些參數的增大而增大,由于本機為靈活燃料發(fā)動(dòng)機，燃料發(fā)動(dòng)機扭矩達到最大值時(shí)對應的點(diǎn)火提前角最終取壓縮比不變?yōu)?0;而在點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣遲為- -26 °CA，進(jìn)氣遲閉角為- 20 °CA，空燃比為8，此閉角和空燃比的變化范圍內，發(fā)動(dòng)機的扭矩具有最佳時(shí) 對應的發(fā)動(dòng)機最大扭矩為94 Nm。這說(shuō)明發(fā)動(dòng)機值，這些參數過(guò)大或過(guò)小都會(huì )使發(fā)動(dòng)機的扭矩降低，的 工作過(guò)程是- -個(gè) 多參數相互耦合的過(guò)程，在尋求發(fā)因而他們耦合作用下對發(fā)動(dòng)機性能的影響更大。因此動(dòng)機性能最優(yōu)指標時(shí)應綜合考慮多方面的因素。以點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣遲閉角及空燃比作為自變量對發(fā)最終的3種燃外性州營(yíng)切6用如圖9所示。動(dòng)機工作過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化研究，考慮到這3個(gè)參數改變乙醇汽油靈活中國煤化工基本達到汽油IHCNMHG,的可能性并根據上面計算的參數變動(dòng)范圍，將點(diǎn)火提燃料 下的功率和心，M只且較低，比油耗AutoDEngineer第1期Enimn:汽車(chē)工程師FOCUS技術(shù)聚焦CErtN| Design-Innovation |有較多的增加，但當量比油耗相對原汽油機來(lái)說(shuō)會(huì )有3結論一.定量的減小。1)對發(fā)動(dòng)機的工作過(guò)程進(jìn)行變參數計算分析和120p多參數耦合作用下的優(yōu)化計算可以加深對該參數作用效果的認識，對發(fā)動(dòng)機的標定起著(zhù)指導作用，可滿(mǎn)足100|靈活燃料發(fā)動(dòng)機開(kāi)發(fā)的性能要求。與汽油發(fā)動(dòng)機相比，30}靈活燃料發(fā)動(dòng)機綜合性能指標基本能達到汽油機的水安6(+ E10校正扭矩平，是一種汽車(chē)新能源值的發(fā)展方向。. E50校正扭矩. E90校正扭矩2)通過(guò)AVL- boost模擬計算軟件獲得了十分有40f+E10校正功率20價(jià)值的仿真結果，通過(guò)對這些結果的詳細分析，充分. E50校正功率E90校正功率| 10提高了發(fā)動(dòng)機的開(kāi)發(fā)效率。仿真計算是一一種有效、可靠且準確度高的設計方法，為性能升級和開(kāi)發(fā)新發(fā)動(dòng)1200 2000 2800.3600 44005200 6 0000機的設計和優(yōu)化奠定了良好的基礎。a功率和h率和扣矩圖參考文獻600[1]王運生.基于KIVA-3V的乙醇汽油燃燒過(guò)程仿真研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2008.500[2] Wen Dai, Sreeni Cheemalamarri, Eric W.Curtis, et al. Engine Cycle三400Simulation of Ethanol and Gasoline Blends[J]. SAE, 2003 :2003-01-3093.墨300|[3]胡亞楠.捷達ATK發(fā)動(dòng)機燃燒乙醇汽油混合燃料工作過(guò)程數值?！鸈1O擬分析[D].黑龍江:東北林業(yè)大學(xué), 2007.200士E50[4] Rafael C.Clemente, Edward Werninghaus, Eugenio P. D. Coelho100 |et al. 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