第3卷第1期汽車工程學(xué)報(bào)Vol.3 No.12013年1月Chinese Journal of Automotive EngineeringJan. 2013甲醇靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真李釗',倪計(jì)民',齊洪元",嚴(yán)治國,陳明’，張小矛3(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院， 上海201804; 2. 上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車公司， 上海200438;3. .上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，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(jī)的前期開發(fā)過程進(jìn)行了仿真計(jì)算。首先進(jìn)行了原汽油機(jī)的模型標(biāo)定，并考慮到了火焰?zhèn)鞑ニ俣?在不改變原機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下對靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明，隨著甲醇比例的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性逐步提高，比油耗(Brake Specific Fuel Consumption,BSFC)也相應(yīng)提高，但是熱效率增大。最后，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的綜合評價(jià)體系，對M100燃料的節(jié)氣門全開(WOT)工況進(jìn)行了基于模型的標(biāo)定優(yōu)化。結(jié)果表明，耗油率有顯著下降，熱效率顯著提高，優(yōu)化效果明顯。關(guān)鍵詞:靈活燃料;數(shù)值仿真;試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DoE) ;優(yōu)化中圖分類號: TK464文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)70年代以來，由于石油危機(jī)以及汽活燃料汽車 (FFV) ，在解決使用中發(fā)現(xiàn)的問題并車污染的日趨嚴(yán)重，國外對醇燃料進(jìn)行了大規(guī)模的對其進(jìn)行改進(jìn)的過程中積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。研究，并且在不同車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(shè)立了“M100應(yīng)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(yīng)用技術(shù)”項(xiàng)目，在國產(chǎn)汽車上進(jìn)行試驗(yàn)格又比乙醇低，所以主要研究開發(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(jī)數(shù)值仿真067車實(shí)際使用等試驗(yàn)研究;山西云岡汽車集團(tuán)公司也1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)建模在車用汽油機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)成功M100發(fā)動(dòng)機(jī)(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(nèi)直噴模型包括進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、氣缸、曲柄發(fā)動(dòng)機(jī)和甲醇HCCI燃燒特性與排放進(jìn)行了研究[5-6。連桿機(jī)構(gòu)等。 其中發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、空燃比、配氣本文針對靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的前期開發(fā)，使用一相位等直接輸入到模型中， 在管內(nèi)流體計(jì)算上，用款國產(chǎn)1.5L VCT發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行了甲醇靈活燃料發(fā)一 維非定常流動(dòng)來代替實(shí)際復(fù)雜的三維流動(dòng)，用動(dòng)機(jī)的數(shù)值仿真研究，針對M100燃料的WTO工Woschni 傳熱模型來計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱，在燃燒方?jīng)r進(jìn)行了基于模型的標(biāo)定，對點(diǎn)火提前角以及過量面，采用湍流火焰?zhèn)鞑ツＰ??？諝庀禂?shù)進(jìn)行了優(yōu)化，為靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的前期開1.2.1湍流火焰?zhèn)鞑ツＰ桶l(fā)提供了依據(jù)。湍流火焰?zhèn)鞑ツＰ涂紤]到了氣缸的尺寸，點(diǎn)火提前角、氣流運(yùn)動(dòng)和燃料性質(zhì)。進(jìn)入火焰前鋒的質(zhì)1發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模型的建立 與標(biāo)定量卷吸率和燃燒速率可以由以下幾個(gè)方程來表示(6.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)質(zhì)量卷吸率:發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)見表1.dMe=PuA(S +Sl)，(1)表1 1. 5L VCT 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)dt質(zhì)量燃燒速率:缸徑B/mm沖程S/m84.8dMp_ Me-M,(2)最大轉(zhuǎn)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(shù)，s; λ為Taylor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(shù)t(s) 的倒數(shù)，時(shí)間常數(shù)為Taylor 微尺度比層流火焰速度。其中，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹閷恿骰鹧嫠俣扰c湍流火焰速度之和，且層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?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(jī)模型(1- 2.06(Diltion)EMO)第1期李釗等:甲醇靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真069的升高而升高。雖然甲醇熱值比汽油低得多，但是在壓縮過程汽化，吸收熱量，降低缸內(nèi)溫度，減少發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷和外特性的情況下采用開環(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(shè)置過量空氣系數(shù)φ與原機(jī)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(diào)整，空燃比下的熱值要高于汽油，加之充氣效率的提高也會對燃燒熱效率帶來-定的影響。但是總體來講，使噴入氣缸的燃料增加，所以噴入缸內(nèi)燃料的總熱使用靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和熱效率明值隨著甲醇含量的增加而增加，并且甲醇燃料的燃顯提高。20世紀(jì)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，但隨著通用公司某款車改為M100汽油車，最大轉(zhuǎn)矩上升甲醇混合量的增多，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩嗌?，放?5%4)，由此可見，汽油機(jī)改為靈活燃料汽車后，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(nèi)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(zhuǎn)速n/ (r.min^')音500圖4靈活燃料的充 氣系數(shù)(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(zhuǎn)角C1 °CA轉(zhuǎn)速n/ (r.min~')圖52000r/min全負(fù)荷下靈活燃料的缸壓曲線圖6靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能從圖6中可知，隨著甲醇比例的增大，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(biāo)定汽油低;同時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的熱效率增高，這主要因?yàn)橛捎谌剂系男再|(zhì)發(fā)生了改變，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策甲醇燃燒速率快，并且汽化潛熱高，多數(shù)甲醇液滴略也會發(fā)生相應(yīng)的改變。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)更好地發(fā)揮070汽車工程學(xué)報(bào)第3卷其性能，需要對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行重新標(biāo)定。發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)570定主要還是由試驗(yàn)來完成，但是大量的試驗(yàn)必然會耗費(fèi)大量的物力和財(cái)力,而在發(fā)動(dòng)機(jī)的前期開發(fā)中,主5s在樣機(jī)沒有完全開發(fā)成熟之前，可以應(yīng)用DoE方法后540{對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行基于模型的虛擬標(biāo)定，為發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)控制策略提供參考，預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)性能。3. 1優(yōu)化目標(biāo)的確定-4-6-8-10-12-14.9 0.85點(diǎn)火提前角p/'CA過量空氣系數(shù)對汽油機(jī)電控噴射系統(tǒng)而言，最基本的控制目圖7耗油 率隨點(diǎn)火提前角和過量空氣系數(shù)變化關(guān)系標(biāo)就是過量空氣系數(shù)與點(diǎn)火提前角，它們應(yīng)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷工況而變。為此，必須事先經(jīng)過大量的標(biāo)定試驗(yàn)。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(jié)氣門全開工況進(jìn)行研究。飛1453.2建立綜合評價(jià)體系; 143以發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性指標(biāo)轉(zhuǎn)矩和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)耗油率作為評價(jià)指標(biāo),把爆震和排氣溫度作為限制指標(biāo)，-4-6-8-10-12-14 095 0點(diǎn)火提前角0/° CA)建立發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性評價(jià)體系。為了將復(fù)雜的、相互制約的多項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)化圖8轉(zhuǎn)矩隨點(diǎn)火提前角和過量空氣系數(shù)變化關(guān)系為單一的、容易比較的單指標(biāo)量，引入了加權(quán)系數(shù)從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率隨著點(diǎn)火提的概念，即反映評價(jià)者對該指標(biāo)的重視程度，無量前角的增大而先減小后增大，而隨著過量空氣系數(shù)綱化方法采用標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的轉(zhuǎn)矩隨著點(diǎn)火提前角的增系數(shù)方程式。大而先增大,后減小,隨著過量空氣系數(shù)增大而減小。c=之KxX-XI (n=1,2,3..)， (6)即過量空氣系數(shù)-定時(shí)， 存在一個(gè)最佳點(diǎn)火提前角使轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，耗油率最小。式中: 8為第j項(xiàng)指標(biāo)觀測值的樣本均值; s; 為第j3.4基于模型的標(biāo)定項(xiàng)指標(biāo)的樣本均方差; X; 為樣本; K; 為第j項(xiàng)指標(biāo)以轉(zhuǎn)速2 000 r/min為例，對M100的過量空氣的權(quán)重系數(shù)。系數(shù)和點(diǎn)火提前角進(jìn)行優(yōu)化，在GT-Power軟件中,3.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以通過遺傳算法直接對用戶定義的函數(shù)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，可以直接對式(6)中 進(jìn)行優(yōu)化，并和過量空氣系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)相比可以大大減少試驗(yàn)次數(shù)，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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行排列組合。將50組試驗(yàn)設(shè)計(jì)了 使耗油率的油耗效果更加明顯，所以主觀預(yù)測耗的結(jié)果帶入到軟件中進(jìn)行計(jì)算，選用四階響應(yīng)曲面油率的權(quán)重系數(shù)為0.8，轉(zhuǎn)矩權(quán)重系數(shù)為0.2。優(yōu)化法對數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，如圖7、圖8所示。.后結(jié)果是點(diǎn)火提前角為8.279。CA,過量空氣系數(shù)為第1期李釗等:甲醇靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真0710.928，轉(zhuǎn)矩由145.123 N.m增大至147.1 N.m,耗的權(quán)重系數(shù)較小，耗油率權(quán)重系數(shù)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(jié)果也可以看出，3.5優(yōu)化結(jié)果的驗(yàn)證過量空氣系數(shù)較原機(jī)增大(圖10),噴油量隨之減小，將優(yōu)化結(jié)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(yīng)的優(yōu)化，使轉(zhuǎn)矩沒有降的驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果與原結(jié)果對比見表4。低，所以耗油率降低，熱效率顯著提高。表4優(yōu)化值與仿真值對比評價(jià)指標(biāo)優(yōu)化值計(jì)算值誤差0.95轉(zhuǎn)矩/N*m147.12147.260.10%耗油率/[g(kW.h)-]518.38518.960.11%0.85- - -優(yōu)化前過量空氣系數(shù)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)矩和耗油率的誤差都在0.1%左右，-優(yōu)化后過量空氣系數(shù)0.80優(yōu)化結(jié)果可靠。把上述結(jié)果帶入到式(6)中，得1000 2 000300040005000 6000轉(zhuǎn)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)化前后過量空氣系數(shù)對比水平，優(yōu)化后水平高于50組樣本的平均水平，并結(jié)論有較大提升。同理，分別對其它轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如(1)對原機(jī)進(jìn)行了整機(jī)建模及標(biāo)定,結(jié)果顯示，圖9所示。標(biāo)定結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，建立的模型.具有較高的精度。750.3770(2)基于原機(jī)建立了靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)模型，并0.3665進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真結(jié)果分析表明，靈活燃料發(fā)0.350.3動(dòng)機(jī)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率提高，轉(zhuǎn)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(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)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(jī)的點(diǎn)火提前角和過量空氣系數(shù)為優(yōu)化350.0.27優(yōu)化前轉(zhuǎn)矩30目標(biāo)，對M100的外特性工況進(jìn)行了基于模型的標(biāo)0.26優(yōu)化后轉(zhuǎn)矩25定。優(yōu)化結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩比優(yōu)化前略有提0.252010005000高，但是耗油率顯著下降，熱效率顯著提高，優(yōu)化轉(zhuǎn)速n/ (r●min~'效果明顯。通過GT-Power軟件進(jìn)行基于模型的標(biāo)圖9優(yōu)化結(jié)果定可以在發(fā)動(dòng)機(jī)的前期開發(fā)中預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)性能，為從圖9中可以看出，優(yōu)化后轉(zhuǎn)矩與原來基本持發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU硬件在環(huán)仿真的控制平，但是熱效率有顯著提高。主要原因是由于轉(zhuǎn)矩策略提供參考。072汽車工程學(xué)報(bào)第3卷參考文獻(xiàn)(References)[1] ARAPATSAKOS C I, KARKANIS A N. 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