第3卷第1期汽車工程學報Vol 3 No. 12013年1月Chinese Journal of Automotive engineeringJan.2013甲醇靈活燃料發(fā)動機數(shù)值仿真李釗',倪計民',齊洪元,2,嚴治國1,陳明3,張小矛(1.同濟大學汽車學院,上海201804;2.上海汽車集團股份有限公司商用車公司,上海2004383.上海汽車集團股份有限公司乘用車公司,上海201804)摘要:針對某款15L可變進氣凸輪正時( Variable Cam Timing,vCT)甲醇靈活燃料發(fā)動機的前期開發(fā)過程進行了仿真計算。首先進行了原汽油機的模型標定,并考慮到了火焰?zhèn)鞑ニ俣?在不改變原機結構的情況下對靈活燃料發(fā)動機的性能進行了預測。結果表明,隨著甲醇比例的增大,發(fā)動機的動力性逐步提高,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)動機動力性和經(jīng)濟性的綜合評價體系,對M100燃料的節(jié)氣門全開(woT)工況進行了基于模型的標定優(yōu)化。結果表明,耗油率有顯著下降,熱效率顯著提高,優(yōu)化效果明顯。關鍵詞:靈活燃料;數(shù)值仿真;試驗設計(DoE);優(yōu)化中圖分類號:TK464文獻標識碼:ADO:10.3969/issn.2095-14692013.01.11Numerical Simulation of Methanol Flexible Fuel EngineLi Zhao, Ni Jimin,, Qi Hongyuan, Yan Zhiguo", Chen Ming, Zhang Xiaomao(1. School of Automobile, Tongji University, Shanghai 201804, China2. 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 proportionof 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 economicerformance, 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 considerablKey words: flexible fuel; numerical simulation; design of examination (DoE);optimization自20世紀70年代以來,由于石油危機以及汽活燃料汽車(FFV),在解決使用中發(fā)現(xiàn)的問題并車污染的日趨嚴重,國外對醇燃料進行了大規(guī)模的對其進行改進的過程中積累了寶貴的經(jīng)驗。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”期間設立了“M100應用-23。由于考慮到生產(chǎn)甲醇的原料較豐富,價甲醇燃料應用技術”項目,在國產(chǎn)汽車上進行試驗格又比乙醇低,所以主要研究開發(fā)甲醇燃料以及靈研究,然后中國煤化工非放、潤滑、汽CNMHG收稿日期:2012-09-24第1期李釗等:甲醇靈活燃料發(fā)動機數(shù)值仿真067車實際使用等試驗研究;山西云岡汽車集團公司也1.2發(fā)動機建模在車用汽油機的基礎上開發(fā)成功M00發(fā)動機;GT- Power一維仿真模型如圖1所示。西安交通大學和天津大學分別對靈活燃料缸內(nèi)直噴模型包括進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、氣缸、曲柄發(fā)動機和甲醇H燃燒特性與排放進行了研究6。連桿機構等。其中發(fā)動機結構參數(shù)、空燃比、配氣本文針對靈活燃料發(fā)動機的前期開發(fā),使用一相位等直接輸入到模型中,在管內(nèi)流體計算上,用款國產(chǎn)15LVCT發(fā)動機,進行了甲醇靈活燃料發(fā)維非定常流動來代替實際復雜的三維流動,用動機的數(shù)值仿真研究,針對M100燃料的WTo工 Woschni傳熱模型來計算發(fā)動機的傳熱,在燃燒方?jīng)r進行了基于模型的標定,對點火提前角以及過量面,采用湍流火焰?zhèn)鞑ツＰ涂諝庀禂?shù)進行了優(yōu)化,為靈活燃料發(fā)動機的前期開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,點火發(fā)動機數(shù)值模型的建立與標定提前角、氣流運動和燃料性質(zhì)。進入火焰前鋒的質(zhì)量卷吸率和燃燒速率可以由以下幾個方程來表示。1.1發(fā)動機基本參數(shù)質(zhì)量卷吸率:發(fā)動機的基本參數(shù)見表1。Ae(S+sn)表11.5LV0T發(fā)動機參數(shù)缸徑B/mm質(zhì)量燃燒速率:沖程S/mm84.8dM,M。-M1最大轉矩TN·m135(5000r/min最大功率P/kW78(6000r/min)并且壓縮比VCT型式進氣排氣雙CT(3)式中:M為未燃混合氣卷吸質(zhì)量,kg;p為未燃混合氣密度,g/cm3;A為火焰前鋒面積,m2;Sr為湍流火焰速度,kg:S2為層流火焰速度,kg;M為燃混合氣質(zhì)量,kg;τ為時間常數(shù),s;λ為 Taylor微尺度,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,比例為時間常數(shù)r(s)的倒數(shù),時間常數(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)鞑ニ俣惹袨橄暺髋c催化器,8YH國化圖115 L VCT GT- power發(fā)動機模型(1-2.06(Dilution)(4)068汽車工程學報第3卷湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣葹镾=S4+002v',(5)式中:Bn為最大層流火焰速度,m/s;B為層流速度衰減值,m/s;中為過量空氣系數(shù);φn為最大層流火焰速度對應的過量空氣系數(shù);Tm=298K;Pmr=100kPa;T為未燃氣體溫度,K;p為缸內(nèi)壓試驗值力,kPa;a、B為經(jīng)驗系數(shù);r為平均火焰半徑,m-仿真值w'’為湍流強度,m/s; Dilution為殘余廢氣摩爾分數(shù);320DEM為修正系數(shù)。表2給出了汽油和甲醇的經(jīng)驗畫280數(shù)值。表2汽油與甲醇的經(jīng)驗數(shù)值100020003000400050006000燃料Bn/(m/s)B/(m/s)φn轉速n(r·min1)汽油0305-0551.2124-0.27135-0357+0427圖3外特性模擬與試驗結果對比甲醇0.371.411.112.18-0.8(4-1)-1.6+022(-1表3甲醇燃料的理化性質(zhì)1.3模型的標定性質(zhì)分別對各個轉速下的缸壓曲線進行了標定。其分子式C-12的烴化合物CHOH中,2000r/min工況缸內(nèi)壓力標定結果如圖2所示,相對密度p/(g·cm-3)0.7~078發(fā)動機的外特性曲線標定結果如圖3所示。結果表理論空燃比14.2~15.1明,缸壓曲線基本重合,外特性曲線誤差在5%以內(nèi),低熱值H/(M·kg)43.5滿足工程需要,可以進行后續(xù)的計算。汽化潛熱(MJ·kg1)l109辛烷值RON1142靈活燃料發(fā)動機性能預測與分析理論空燃比下的混合氣熱值He/(MJ·kg)3.072.1甲醇燃料的性質(zhì)為了便于比較和分析,汽油和甲醇的主要性質(zhì)2.2仿真模型計算列如表3。文獻[8]表明,MO、Ml5、M30、M50、M8045M100的層流火焰速度呈遞增趨勢,但是由于目前對甲醇混合燃料的層流火焰速度的研究相對較少,試驗缸壓并沒有一個明確的經(jīng)驗公式來反映甲醇的比例對火仿真缸壓焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?所以本文對Bn、B。、φn等進行了線性插值,分別計算了M0、M15、M30、M50、M80、M006種燃料的外特性。計算結果表明,充氣效率(圖4)隨著甲醇含-80-60-40-20020406080量的增高中國煤化醇的汽化潛熱比日口M曲軸轉角C/°CA較大,甲酊CNMHG低氣道溫度,使圖22000r/min下缸壓曲線對比發(fā)動機充氣效率增大。而缸壓曲線也隨著甲醇比例第1期李釗等:甲醇靈活燃料發(fā)動機數(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)動機在大負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。設置過量空氣系數(shù)Φ與原機相同,而甲醇理論M80熱效率略有下降,由于點火提前角未作調(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一定的影響。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)動機可以使發(fā)動機轉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80年代,德克薩斯州技術大學將燒速度比汽油要快,雖然點火提前角相同,但隨著通用公司某款車改為M100汽油車,最大轉矩上升甲醇混合量的增多,火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩嗌?放熱25%4,由此可見,汽油機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,以使動力性增加。缸內(nèi)爆發(fā)壓力逐步增高(圖5)。0.9526%M100M8010002000300050006000轉速n(r·min)圖4靈活燃料的充氣系數(shù)(相對大氣狀態(tài))雖8100020003000400050006000曲軸轉角C/CA轉速n/(rmin1)圖52000r/min全負荷下靈活燃料的缸壓曲線圖6靈活燃料發(fā)動機性能從圖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\基于模型的標定中國煤化工汽油低;同時,內(nèi)燃機的熱效率增高,這主要因為由于燃冂 CNMHG動機的控制策甲醇燃燒速率快,并且汽化潛熱髙,多數(shù)甲醇液滴略也會發(fā)生相應的改變。為了使發(fā)動機更好地發(fā)揮070汽車工程學報第3卷其性能,需要對發(fā)動機進行重新標定。發(fā)動機的標定主要還是由試驗來完成,但是大量的試驗必然會耗費大量的物力和財力,而在發(fā)動機的前期開發(fā)中,在樣機沒有完全開發(fā)成熟之前,可以應用DoE方法對發(fā)動機進行基于模型的虛擬標定,為發(fā)動機電控系統(tǒng)控制策略提供參考,預測發(fā)動機性能5203.1優(yōu)化目標的確定4-6-8-10-12-140.95090.85點火提前角/°CA過量空氣系數(shù)對汽油機電控噴射系統(tǒng)而言,最基本的控制目圖7耗油率隨點火提前角和過量空氣系數(shù)變化關系標就是過量空氣系數(shù)與點火提前角,它們應隨發(fā)動機轉速與負荷工況而變。為此,必須事先經(jīng)過大量的標定試驗。本文選擇環(huán)境溫度為300K,大氣壓力為101kPa(請換算成國際單位kPa),對M100147節(jié)氣門全開工況進行研究。E.z32建立綜合評價體系143以發(fā)動機的動力性指標轉矩和經(jīng)濟性指標耗油率作為評價指標,把爆震和排氣溫度作為限制指標,-4-6-8-10-12-140950.9085點火提前角@/°CA)量空氣系數(shù)建立發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性評價體系。為了將復雜的、相互制約的多項評價指標轉化圖8轉矩隨點火提前角和過量空氣系數(shù)變化關系為單一的、容易比較的單指標量,引入了加權系數(shù)從圖中可以看出,發(fā)動機的耗油率隨著點火提的概念,即反映評價者對該指標的重視程度,無量綱化方法采用標準化處理法⑨,由此得到綜合評價前角的增大而先減小后增大,而隨著過量空氣系數(shù)的增大而減小;發(fā)動機的轉矩隨著點火提前角的增系數(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。Kx=X(n=1,2,3-),(6)即過量空氣系數(shù)一定時,存在一個最佳點火提前角使轉矩達到最大,耗油率最小。式中:x為第j項指標觀測值的樣本均值;S為第3.4基于模型的標定項指標的樣本均方差;X為樣本;K為第j項指標的權重系數(shù)。以轉速2000rmin為例,對M100的過量空氣系數(shù)和點火提前角進行優(yōu)化,在GT- Power軟件中,3.3試驗設計可以通過遺傳算法直接對用戶定義的函數(shù)進行取極在DoE模塊中,采用拉丁方方法對點火提前角值,也就是說,可以直接對式(6)中進行優(yōu)化,并和過量空氣系數(shù)進行試驗設計。這種方法與全因子且在軟件中引入含有 Douaud和 Eyzat爆震公式團的設計相比可以大大減少試驗次數(shù),并且可以比較均模塊,對爆震進行限制,并且限制了排氣溫度。為勻地對試驗數(shù)據(jù)進行排列組合。將50組試驗設計了使耗油率中國煤化工斤以主觀預測耗的結果帶入到軟件中進行計算,選用四階響應曲面油率的權重aHCNMHG數(shù)為02。優(yōu)化法對數(shù)據(jù)進行建模,如圖7、圖8所示。后結果是點火提前角為879°CA,過量空氣系數(shù)為第1期李釗等:甲醇靈活燃料發(fā)動機數(shù)值仿真710928,轉矩由145123N·m增大至1471N·m,耗的權重系數(shù)較小,耗油率權重系數(shù)較大,優(yōu)化時偏油率由542.374g/(kW·h)降低至5184g/(kW·h)。重于優(yōu)化耗油率;另外,從優(yōu)化結果也可以看出,35優(yōu)化結果的驗證過量空氣系數(shù)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,進行了仿真模型而點火提前角也進行了相應的優(yōu)化,使轉矩沒有降的驗證,驗證結果與原結果對比見表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指標優(yōu)化值轉矩/N·m147.12耗油率/g(kW·h)1518.38518960.11%0.85一優(yōu)化前過量空氣系數(shù)結果表明,轉矩和耗油率的誤差都在01%左右,尤化后過量空氣系數(shù)優(yōu)化結果可靠。把上述結果帶入到式(6)中,得00020003000400050006000轉速 n/r. min到綜合評價值為133,優(yōu)化前綜合評價值為-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,并有較大提升。4結論同理,分別對其它轉速進行優(yōu)化,優(yōu)化結果如(1)對原機進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%以內(nèi),建立的模型具有較高的精度。0.37(2)基于原機建立了靈活燃料發(fā)動機模型,并165進行了仿真計算。仿真結果分析表明,靈活燃料發(fā)0.350.34動機可以使發(fā)動機的充氣效率提高,轉矩增大,同價0.32時熱效率增大。0.3(3)建立了發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性綜合評價體-優(yōu)化前熱效率優(yōu)化后熱效率系,以發(fā)動機的點火提前角和過量空氣系數(shù)為優(yōu)化一優(yōu)化前轉矩目標,對M100的外特性工況進行了基于模型的標優(yōu)化后轉矩定。優(yōu)化結果表明,發(fā)動機的轉矩比優(yōu)化前略有提3000高,但是耗油率顯著下降,熱效率顯著提高,優(yōu)化轉速n/(r·min1)效果明顯。通過GT- Power軟件進行基于模型的標圖9優(yōu)化結果定可以在發(fā)動機的前期開發(fā)中預測發(fā)動機性能,為從圖9中可以看出,優(yōu)化后轉矩與原來基本持發(fā)動機電控系統(tǒng)和發(fā)動機ECU硬件在環(huán)仿真的控制平,但是熱效率有顯著提高。主要原因是由于轉矩策略提供參考。H中國煤化工CNMHG072汽車工程學報第3卷參考文獻( References)[1] ARAPATSAKOS C I, KARKANIS A N. 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