甲醇靈活燃料發(fā)動(dòng)機數值仿真

第3卷第1期汽車(chē)工程學(xué)報Vol.3 No.12013年1月Chinese Journal of Automotive EngineeringJan. 2013甲醇靈活燃料發(fā)動(dòng)機數值仿真李釗',倪計民',齊洪元",嚴治國,陳明’，張小矛3(1.同濟大學(xué)汽車(chē)學(xué)院， 上海201804; 2. 上海汽車(chē)集團股份有限公司商用車(chē)公司， 上海200438;3. .上海汽車(chē)集團股份有限公司乘用車(chē)公司，上海201804)摘要:針對某款1.5L可變進(jìn)氣凸輪正時(shí)(Variable Cam Timing, VCT)甲醇靈活燃料發(fā)動(dòng)機的前期開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行了仿真計算。首先進(jìn)行了原汽油機的模型標定，并考慮到了火焰傳播速度,在不改變原機結構的情況下對靈活燃料發(fā)動(dòng)機的性能進(jìn)行了預測。結果表明，隨著(zhù)甲醇比例的增大，發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性逐步提高，比油耗(Brake Specific Fuel Consumption,BSFC)也相應提高，但是熱效率增大。最后，建立了發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性和經(jīng)濟性的綜合評價(jià)體系，對M100燃料的節氣門(mén)全開(kāi)(WOT)工況進(jìn)行了基于模型的標定優(yōu)化。結果表明，耗油率有顯著(zhù)下降，熱效率顯著(zhù)提高，優(yōu)化效果明顯。關(guān)鍵詞:靈活燃料;數值仿真;試驗設計(DoE) ;優(yōu)化中圖分類(lèi)號: TK464文獻標識碼: ADOI: 0.3969/.ssn.2095- 1469.2013.01.11Numerical Simulation of Methanol Flexible Fuel EngineLi Zhao'，Ni Jjimin'，Qi Hongyuan'?, Yan Zhiguo', Chen Ming', Zhang Xiaomao'(1. School of Automobile, Tongji University, Shanghai 201804, China;2. SAIC Motor CVTC, Shanghai 200438, China; 3. SAIC Motor LLC, Shanghai 201804, China)Abstract: The simulations for a 1.5 L variable cam timing (VCT) methanol flexible fuel engine were carriedout during its pre development process. Firstly, in consideration of the laminar flame speed and turbulentflame speed, the engine model was calibrated, and engine performance was predicted by a new engine modelwhose fuel was replaced by the methanol flexible fuel. The results show that, with the increasing proportionf methanol, the engine torque would be increased, as well as the brake specific fuel consumption (BSFC) ,however, the thermal efficiency was also raised. Finally, in consideration of the engine dynamic and economicperformance, a comprehensive evaluation system was established, and the model based calibration of M100 wideopen throttle(WOT) driving cycle was carried out. As a consequence, the BSFC was decreased obviously andthe thermal efficiency was increased considerably.Key words: flexible fuel; numerical simulation; design of examination (DoE); optimization自20世紀70年代以來(lái)，由于石油危機以及汽活燃料汽車(chē) (FFV) ，在解決使用中發(fā)現的問(wèn)題并車(chē)污染的日趨嚴重，國外對醇燃料進(jìn)行了大規模的對其進(jìn)行改進(jìn)的過(guò)程中積累了寶貴的經(jīng)驗。研究，并且在不同車(chē)輛上取得了不同程度的推廣“及我國原國家科委在“七五”期間設立了“M100應用1-2。由于考慮到生產(chǎn)甲醇的原料較豐富，價(jià)甲醇燃料應用技術(shù)”項目，在國產(chǎn)汽車(chē)上進(jìn)行試驗格又比乙醇低，所以主要研究開(kāi)發(fā)甲醇燃料以及靈研究，然后又與德國合作，進(jìn)行了排放、潤滑、汽收稿日期: 2012 09-24第1期李釗等:甲醇靈活燃料發(fā)動(dòng)機數值仿真067車(chē)實(shí)際使用等試驗研究;山西云岡汽車(chē)集團公司也1.2 發(fā)動(dòng)機建模在車(chē)用汽油機的基礎上開(kāi)發(fā)成功M100發(fā)動(dòng)機(4;GT-Power一維仿真模型如圖1所示。西安交通大學(xué)和天津大學(xué)分別對靈活燃料缸內直噴模型包括進(jìn)氣系統、排氣系統、氣缸、曲柄發(fā)動(dòng)機和甲醇HCCI燃燒特性與排放進(jìn)行了研究[5-6。連桿機構等。 其中發(fā)動(dòng)機結構參數、空燃比、配氣本文針對靈活燃料發(fā)動(dòng)機的前期開(kāi)發(fā)，使用一相位等直接輸入到模型中， 在管內流體計算上，用款國產(chǎn)1.5L VCT發(fā)動(dòng)機，進(jìn)行了甲醇靈活燃料發(fā)一 維非定常流動(dòng)來(lái)代替實(shí)際復雜的三維流動(dòng)，用動(dòng)機的數值仿真研究，針對M100燃料的WTO工Woschni 傳熱模型來(lái)計算發(fā)動(dòng)機的傳熱，在燃燒方?jīng)r進(jìn)行了基于模型的標定，對點(diǎn)火提前角以及過(guò)量面，采用湍流火焰傳播模型?？諝庀禂颠M(jìn)行了優(yōu)化，為靈活燃料發(fā)動(dòng)機的前期開(kāi)1.2.1湍流火焰傳播模型發(fā)提供了依據。湍流火焰傳播模型考慮到了氣缸的尺寸，點(diǎn)火提前角、氣流運動(dòng)和燃料性質(zhì)。進(jìn)入火焰前鋒的質(zhì)1發(fā)動(dòng)機數值模型的建立 與標定量卷吸率和燃燒速率可以由以下幾個(gè)方程來(lái)表示(6.1.1 發(fā)動(dòng)機基本參數質(zhì)量卷吸率:發(fā)動(dòng)機的基本參數見(jiàn)表1.dMe=PuA(S +Sl)，(1)表1 1. 5L VCT 發(fā)動(dòng)機參數dt質(zhì)量燃燒速率:缸徑B/mm沖程S/m84.8dMp_ Me-M,(2)最大轉矩T/N.m135 (5 000 r/min)τ最大功率P/kW78 (6 000 r/min)并且壓縮比10.5VCT型式進(jìn)氣排氣雙VCT(3)S式中: Me為未燃混合氣卷吸質(zhì)量，kg; P. 為未燃混合氣密度，g/cm'; A. 為火焰前鋒面積，m'; Sr為湍流火焰速度，kg; SL 為層流火焰速度，kg; M。 為燃混合氣質(zhì)量，kg; r為時(shí)間常數，s; λ為T(mén)aylor微尺度，m。從式(1) ~ (3) 中可知，卷入火焰前鋒的未燃混合氣的速率與湍流火焰速度和層流火焰速度之和成正比，燃燒速率與未燃混合氣質(zhì)量成正比，比例為時(shí)間常數t(s) 的倒數，時(shí)間常數為T(mén)aylor 微尺度比層流火焰速度。其中，火焰傳播速度為層流火焰速度與湍流火焰速度之和，且層流火焰傳播速度(7]為曲軸"消聲器與催化器S.=(B. +B(φ -)|([(品) .圖11.5L VCT GT-power發(fā)動(dòng)機模型(1- 2.06(Diltion)EMO)第1期李釗等:甲醇靈活燃料發(fā)動(dòng)機數值仿真069的升高而升高。雖然甲醇熱值比汽油低得多，但是在壓縮過(guò)程汽化，吸收熱量，降低缸內溫度，減少發(fā)動(dòng)機在大負荷和外特性的情況下采用開(kāi)環(huán)控制方壓縮功。雖然從圖中可以看出M100的熱效率要比式。設置過(guò)量空氣系數φ與原機相同，而甲醇理論M80熱效率略有下降，由于點(diǎn)火提前角未作調整，空燃比下的熱值要高于汽油，加之充氣效率的提高也會(huì )對燃燒熱效率帶來(lái)-定的影響。但是總體來(lái)講，使噴入氣缸的燃料增加，所以噴入缸內燃料的總熱使用靈活燃料發(fā)動(dòng)機可以使發(fā)動(dòng)機轉矩和熱效率明值隨著(zhù)甲醇含量的增加而增加，并且甲醇燃料的燃顯提高。20世紀80年代，德克薩斯州技術(shù)大學(xué)將燒速度比汽油要快，雖然點(diǎn)火提前角相同，但隨著(zhù)通用公司某款車(chē)改為M100汽油車(chē)，最大轉矩上升甲醇混合量的增多，火焰傳播速度不斷升高，放熱25%4)，由此可見(jiàn)，汽油機改為靈活燃料汽車(chē)后，可率隨之增大，所以缸壓增高率不斷提高。綜上所述，以使動(dòng)力性增加。缸內爆發(fā)壓力逐步增高(圖5)。36%1.10F341.05-，321.000.95----MO-- - M3028-.- MIS0.90---- MS26%---M300.85...... M80----- M5070....... M800.801000 2 0003000 4 0005000 6 000- M100轉速n/ (r.min^')音500圖4靈活燃料的充 氣系數(相對大氣狀態(tài))3060-- MO50MI5171640--- M30g --- MSO150z 14宜20-_ M100E 130實(shí)12011-60 -40 -20020406080103000000曲軸轉角C1 °CA轉速n/ (r.min~')圖52000r/min全負荷下靈活燃料的缸壓曲線(xiàn)圖6靈活燃料發(fā)動(dòng)機性能從圖6中可知，隨著(zhù)甲醇比例的增大，耗油率.(g/ kW.h)也逐漸增大，這主要是由于甲醇熱值比3基于模型的標定汽油低;同時(shí)，內燃機的熱效率增高，這主要因為由于燃料的性質(zhì)發(fā)生了改變，發(fā)動(dòng)機的控制策甲醇燃燒速率快，并且汽化潛熱高，多數甲醇液滴略也會(huì )發(fā)生相應的改變。為了使發(fā)動(dòng)機更好地發(fā)揮070汽車(chē)工程學(xué)報第3卷其性能，需要對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行重新標定。發(fā)動(dòng)機的標570定主要還是由試驗來(lái)完成，但是大量的試驗必然會(huì )耗費大量的物力和財力,而在發(fā)動(dòng)機的前期開(kāi)發(fā)中,主5s在樣機沒(méi)有完全開(kāi)發(fā)成熟之前，可以應用DoE方法后540{對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行基于模型的虛擬標定，為發(fā)動(dòng)機電控系統控制策略提供參考，預測發(fā)動(dòng)機性能。3. 1優(yōu)化目標的確定-4-6-8-10-12-14.9 0.85點(diǎn)火提前角p/'CA過(guò)量空氣系數對汽油機電控噴射系統而言，最基本的控制目圖7耗油 率隨點(diǎn)火提前角和過(guò)量空氣系數變化關(guān)系標就是過(guò)量空氣系數與點(diǎn)火提前角，它們應隨發(fā)動(dòng)機轉速與負荷工況而變。為此，必須事先經(jīng)過(guò)大量的標定試驗。本文選擇環(huán)境溫度為300K,大氣壓14力為101 kKPa (請換 算成國際單位kPa)，對M100節氣門(mén)全開(kāi)工況進(jìn)行研究。飛1453.2建立綜合評價(jià)體系; 143以發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性指標轉矩和經(jīng)濟性指標耗油率作為評價(jià)指標,把爆震和排氣溫度作為限制指標，-4-6-8-10-12-14 095 0點(diǎn)火提前角0/° CA)建立發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性和經(jīng)濟性評價(jià)體系。為了將復雜的、相互制約的多項評價(jià)指標轉化圖8轉矩隨點(diǎn)火提前角和過(guò)量空氣系數變化關(guān)系為單一的、容易比較的單指標量，引入了加權系數從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機的耗油率隨著(zhù)點(diǎn)火提的概念，即反映評價(jià)者對該指標的重視程度，無(wú)量前角的增大而先減小后增大，而隨著(zhù)過(guò)量空氣系數綱化方法采用標準化處理法[9)，由此得到綜合評價(jià)的增大而減小;發(fā)動(dòng)機的轉矩隨著(zhù)點(diǎn)火提前角的增系數方程式。大而先增大,后減小,隨著(zhù)過(guò)量空氣系數增大而減小。c=之KxX-XI (n=1,2,3..)， (6)即過(guò)量空氣系數-定時(shí)， 存在一個(gè)最佳點(diǎn)火提前角使轉矩達到最大，耗油率最小。式中: 8為第j項指標觀(guān)測值的樣本均值; s; 為第j3.4基于模型的標定項指標的樣本均方差; X; 為樣本; K; 為第j項指標以轉速2 000 r/min為例，對M100的過(guò)量空氣的權重系數。系數和點(diǎn)火提前角進(jìn)行優(yōu)化，在GT-Power軟件中,3.3試驗設計可以通過(guò)遺傳算法直接對用戶(hù)定義的函數進(jìn)行取極在DoE模塊中，采用拉丁方方法對點(diǎn)火提前角值，也就是說(shuō)，可以直接對式(6)中 進(jìn)行優(yōu)化，并和過(guò)量空氣系數進(jìn)行試驗設計。這種方法與全因子且在軟件中引入含有Douaud和Eyzat爆震公式(7]的設計相比可以大大減少試驗次數，并且可以比較均模塊，對爆震進(jìn)行限制，并且限制了排氣溫度。為勻地對試驗數據進(jìn)行排列組合。將50組試驗設計了 使耗油率的油耗效果更加明顯，所以主觀(guān)預測耗的結果帶入到軟件中進(jìn)行計算，選用四階響應曲面油率的權重系數為0.8，轉矩權重系數為0.2。優(yōu)化法對數據進(jìn)行建模，如圖7、圖8所示。.后結果是點(diǎn)火提前角為8.279。CA,過(guò)量空氣系數為第1期李釗等:甲醇靈活燃料發(fā)動(dòng)機數值仿真0710.928，轉矩由145.123 N.m增大至147.1 N.m,耗的權重系數較小，耗油率權重系數較大，優(yōu)化時(shí)偏油率由542.374 g/ (kW. h)降低至518.4 g/ (kW. h)。重于優(yōu)化耗油率;另外，從優(yōu)化結果也可以看出，3.5優(yōu)化結果的驗證過(guò)量空氣系數較原機增大(圖10),噴油量隨之減小，將優(yōu)化結果帶入到原模型中，進(jìn)行了仿真模型而點(diǎn)火提前角也進(jìn)行了相應的優(yōu)化，使轉矩沒(méi)有降的驗證，驗證結果與原結果對比見(jiàn)表4。低，所以耗油率降低，熱效率顯著(zhù)提高。表4優(yōu)化值與仿真值對比評價(jià)指標優(yōu)化值計算值誤差0.95轉矩/N*m147.12147.260.10%耗油率/[g(kW.h)-]518.38518.960.11%0.85- - -優(yōu)化前過(guò)量空氣系數結果表明，轉矩和耗油率的誤差都在0.1%左右，-優(yōu)化后過(guò)量空氣系數0.80優(yōu)化結果可靠。把上述結果帶入到式(6)中，得1000 2 000300040005000 6000轉速n/r●min~到綜合評價(jià)值為1.33,優(yōu)化前綜合評價(jià)值為-0.31.由式(6) 可知，優(yōu)化前水平低于50組樣本的平均圖10優(yōu)化前后過(guò)量空氣系數對比水平，優(yōu)化后水平高于50組樣本的平均水平，并結論有較大提升。同理，分別對其它轉速進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結果如(1)對原機進(jìn)行了整機建模及標定,結果顯示，圖9所示。標定結果與試驗結果誤差在5%以?xún)?，建立的模?具有較高的精度。750.3770(2)基于原機建立了靈活燃料發(fā)動(dòng)機模型，并0.3665進(jìn)行了仿真計算。仿真結果分析表明，靈活燃料發(fā)0.350.3動(dòng)機可以使發(fā)動(dòng)機的充氣效率提高，轉矩增大，同ss”時(shí)熱效率增大。t 0.32菜0.31(3)建立了發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性和經(jīng)濟性綜合評價(jià)體0.30. 優(yōu)化前熱效率40、0.29-優(yōu)化后熱效率系，以發(fā)動(dòng)機的點(diǎn)火提前角和過(guò)量空氣系數為優(yōu)化350.0.27優(yōu)化前轉矩30目標，對M100的外特性工況進(jìn)行了基于模型的標0.26優(yōu)化后轉矩25定。優(yōu)化結果表明，發(fā)動(dòng)機的轉矩比優(yōu)化前略有提0.252010005000高，但是耗油率顯著(zhù)下降，熱效率顯著(zhù)提高，優(yōu)化轉速n/ (r●min~'效果明顯。通過(guò)GT-Power軟件進(jìn)行基于模型的標圖9優(yōu)化結果定可以在發(fā)動(dòng)機的前期開(kāi)發(fā)中預測發(fā)動(dòng)機性能，為從圖9中可以看出，優(yōu)化后轉矩與原來(lái)基本持發(fā)動(dòng)機電控系統和發(fā)動(dòng)機ECU硬件在環(huán)仿真的控制平，但是熱效率有顯著(zhù)提高。主要原因是由于轉矩策略提供參考。072汽車(chē)工程學(xué)報第3卷參考文獻(References)[1] ARAPATSAKOS C I, KARKANIS A N. 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