胡亞楠

(遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，撫順 111003)

乙醇作為一種替代燃料，對(duì)緩解能源危機(jī)，降低排放污染具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。由于燃料理化特性的差異，在原有發(fā)動(dòng)機(jī)上燃用乙醇汽油，必然影響其最大性能的發(fā)揮。如果通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行研究，不僅需要較高的費(fèi)用，而且需要很長的工作時(shí)間，借助于數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)于縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低產(chǎn)品的研發(fā)成本等起到事半功倍的效果[2，3]。

本文利用GT-POWER模擬軟件，建立發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇汽油的工作模型，研究發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇汽油時(shí)各參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，并對(duì)主要影響因素進(jìn)行靈敏度分析，為發(fā)動(dòng)機(jī)的改造或設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作模型的建立

所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)4缸、4沖程、雙氣門、排量1.595L，壓縮比為9.0:1的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。圖1為利用GT-POWER軟件建立的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)工作過程模型[4]。模型的修正及驗(yàn)證工作是通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)完成的，由發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測控系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷、轉(zhuǎn)速在1000~5500r/min(步長為500r/min)十種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩、油耗、水溫、機(jī)油壓力等參數(shù)進(jìn)行記錄。其主要性能指標(biāo)的實(shí)測值與模擬計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

從圖2不難看出，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間存在一定的差異，但相對(duì)差值比較小，扭矩、功率的相對(duì)誤差都在5%以內(nèi)，除了個(gè)別計(jì)算點(diǎn)外，油耗量和油耗率的相對(duì)誤差大多也在5%以內(nèi)，而且在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)模擬結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果之間的變化規(guī)律基本一致。而且在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果之間的變化規(guī)律基本一致。因此，可以應(yīng)用該模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程進(jìn)行研究。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇汽油工作過程模型Fig.1 Model of engine fueled with ethanol-gasoline

圖2 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果比較Fig.2 Comparison of the experiment results with the simulation results

2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響因素分析

為了確定單一參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇汽油時(shí)性能的影響，以3500r/min為例，在滿負(fù)荷情況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣門遲閉角、空燃比進(jìn)行變參數(shù)模擬計(jì)算，而在改變上述參數(shù)的過程中，模型的其他參數(shù)保持原來的設(shè)置不變。在對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行說明的過程中，以壓縮沖程的上止點(diǎn)作為0℃A，上止點(diǎn)之前的曲軸轉(zhuǎn)角取值為負(fù)，之后取值為正。

為了確定發(fā)動(dòng)機(jī)獲得最大扭矩時(shí)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，在參數(shù)的合理變化范圍內(nèi)通過增大或降低參數(shù)的值進(jìn)行模擬計(jì)算，然后將不同參數(shù)值下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，最大扭矩對(duì)應(yīng)的參數(shù)值即為所研究參數(shù)在該工況下的最佳值，其計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 獲取最佳參數(shù)值流程圖Fig.3 Flow chat to obtain the optimum value

2.1 點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響如圖4所示，從圖中可以看出，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)每一工況都存在一個(gè)最佳的點(diǎn)火提前角，使發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩最大，燃油消耗率最低。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3500r/min時(shí)燃用乙醇汽油，點(diǎn)火提前角為16℃A時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩達(dá)到最大，最大值為130.252N.m。同樣也存在一個(gè)點(diǎn)火提前角使得燃油消耗率最低，燃油消耗率最低時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火提前角為18℃A。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)性能與點(diǎn)火提前角關(guān)系Fig.4 Relationship between engine performance and spark angle

2.2 進(jìn)氣門遲閉角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

對(duì)2500r/min和3500r/min兩種轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣遲閉角進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果如圖5~圖8所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在同一轉(zhuǎn)速下，不同的進(jìn)氣遲閉角所對(duì)應(yīng)的扭矩、燃油消耗率是不同的。在進(jìn)氣遲閉角的變化范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而燃油消耗率則呈先減小后增大的趨勢。

比較2500r/min和3500r/min兩種轉(zhuǎn)速下的計(jì)算結(jié)果可以看出，不同的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最佳進(jìn)氣遲閉角是不同的，轉(zhuǎn)速高時(shí)，獲得最大扭矩時(shí)所對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣遲閉角也大。這是因?yàn)闅怏w的流動(dòng)慣性與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，氣體慣性比較大，適當(dāng)增大進(jìn)氣遲閉角可以利用氣體慣性增加進(jìn)氣量，提高充氣效率；而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速時(shí)，氣體的流動(dòng)慣性小，較大的進(jìn)氣遲閉角會(huì)使氣體由于慣性不足，而使一部分氣體被推回進(jìn)氣管，使充氣系數(shù)減小。因而，要強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)，提高轉(zhuǎn)速，加大輸出功率，應(yīng)適當(dāng)加大進(jìn)氣遲閉角，如果要加大低速扭矩，提高爬坡及低速時(shí)的加速能力，應(yīng)適當(dāng)減小進(jìn)氣遲閉角。

圖5 2500r/min時(shí)扭矩與進(jìn)氣遲閉角關(guān)系Fig.5 Relationship between torque and intake valve close angle at 2500r/min

圖6 2500r/min時(shí)燃油消耗率與進(jìn)氣遲閉角關(guān)系Fig.6 Relationship between fuel consumption and intake valve close angle at 2500r/min

圖7 3500r/min時(shí)扭矩與進(jìn)氣遲閉角關(guān)系Fig.7 Relationship between torque and intake valve close angle at 3500r/min

圖8 3500r/min時(shí)燃油消耗率與進(jìn)氣遲閉角關(guān)系Fig.8 Relationship between fuel consumption and intake valve close angle at 3500r/min

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與空燃比的關(guān)系Fig.9 Relationship between torque and air-fuel ratio

圖10 燃油經(jīng)濟(jì)性與空燃比的關(guān)系Fig.10 Relationship between fuel consumption and air-fuel ratio

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇汽油混合燃料時(shí)，在2500r/min和3500r/min兩種轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩達(dá)到最大值時(shí)的進(jìn)氣門關(guān)閉角分別為-154℃A和-140℃A，即進(jìn)氣遲閉角分別為 26℃A 和 40℃A，對(duì)應(yīng)的最大扭矩分別為124.177 N.m和127.789 N.m。

2.3 空燃比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

本文計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)3500r/min轉(zhuǎn)速下空燃比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，如圖9、圖10所示，從圖中可以看出，在空燃比的變化范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性都存在最佳值，但是各種指標(biāo)達(dá)到最佳時(shí)所對(duì)應(yīng)的空燃比是不同的，因而在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況及具體要求確定空燃比。

通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇汽油時(shí)獲得最大扭矩所對(duì)應(yīng)的空燃比為13.6，略小于其理論空燃比13.9，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大扭矩為127.796N.m；最低的燃油消耗率則在空燃比為15.2時(shí)獲得，最低值為296.8g/KW.h。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的多參數(shù)模擬優(yōu)化

以發(fā)動(dòng)機(jī)的主要影響參數(shù)，即點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣門遲閉角和空燃比作為尋優(yōu)變量，以發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩為目標(biāo)函數(shù)，確定這些參數(shù)耦合作用下發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能。

以發(fā)動(dòng)機(jī)3500r/min下的運(yùn)行工況進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化研究。本次優(yōu)化計(jì)算共進(jìn)行了132次循環(huán)，優(yōu)化計(jì)算的迭代收斂過程如圖11所示，從圖可以看出，尋優(yōu)變量的不同組合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩有很大的影響，隨著迭代計(jì)算的進(jìn)行，扭矩逐漸趨于最大值。在參數(shù)的變化范圍內(nèi)，扭矩的最低值 118.42 N.m，最大值為130.497N.m。

圖11 優(yōu)化計(jì)算的迭代過程Fig.11 Iterative process of optimization calculations

通過模擬計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇汽油獲得最大扭矩時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火提前角為-16℃A，進(jìn)氣遲閉角為40℃A，空燃比為13.25，此時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩為130.497N.m。相對(duì)于優(yōu)化前3500r/min時(shí)的扭矩127.792 N.m提高了2.1%。

圖12 尋優(yōu)變量對(duì)扭矩的靈敏度分析Fig.12 Sensitivity analysis of optimum variables on torque

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程及其復(fù)雜，各參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響具有不確定性，因而靈敏度分析就顯得尤為重要。通過靈敏度分析，可以確定影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣門遲閉角和空燃比三個(gè)參數(shù)進(jìn)行靈敏度計(jì)算，結(jié)果如圖12所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，在點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣門遲閉角和空燃比三個(gè)參數(shù)的變化范圍內(nèi)，空燃比的靈敏度最大，即空燃比的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的影響程度大于點(diǎn)火提前角和進(jìn)氣遲閉角。

在單參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算過程中，3500r/min運(yùn)行工況下，其它參數(shù)不變，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火提前角為-16℃A，進(jìn)氣遲閉角為 40℃A，空燃比為13.6。而在多參數(shù)優(yōu)化計(jì)算過程中，扭矩達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火提前角為-16℃A，進(jìn)氣遲閉角 40℃A，空燃比13.25，這進(jìn)一步說明了在三個(gè)參數(shù)中，空燃比為影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的關(guān)鍵參數(shù)。

4 結(jié)論

本文建立了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇汽油的工作模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程進(jìn)行模擬計(jì)算。通過發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的單參數(shù)計(jì)算，闡述了點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣門遲閉角及空燃比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，確定在特定工況下燃燒乙醇汽油，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。

通過多參數(shù)優(yōu)化計(jì)算，確定在3500r/min工況條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)獲得最大扭矩時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)值；參數(shù)靈敏度分析結(jié)果表明，在三個(gè)參數(shù)的優(yōu)化過程中，空燃比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的影響最大。

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