Auo Enginer4051070 2011(1)Enimn:汽車工程師FOCUS技術(shù)聚焦設(shè)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股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)中心)摘要:能源和環(huán)境問題推動了新能源汽車的開發(fā)和使用，乙醇作為替代燃料之一逐漸引起了人們的重視。通過一款4氣門靈活燃料乙醇汽油發(fā)動機在3種比例E10， E50， E90下的熱力學(xué)計算，對發(fā)動機燃燒乙醇汽油的工作過程進行了工作特性計算研究。著重對最大扭矩工況下發(fā)動機燃燒乙醇汽油混合燃料時壓縮比、對點火提前角、進氣門遲閉角及空燃比耦合作用下的發(fā)動機工作過程進行優(yōu)化計算。對3種燃料進行對比分析，對整機性能做出預(yù)測。為優(yōu)化汽油機結(jié)構(gòu)和進一步的三維計算分析提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞:發(fā)動機;乙醇汽油; AVL boost; 優(yōu)化設(shè)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工業(yè)發(fā)展的上，運用AVL-boost軟件對某4缸發(fā)動機采用乙醇汽2大障礙。面對這一-因境，開發(fā)和使用新能源汽車已油 靈活燃料E10, E5O, E90 后進行熱力學(xué)計算，預(yù)經(jīng)成為未來汽車工業(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(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)，并燃料之一逐漸引起了人們的重視。乙醇以一定的比為進 -一步的三維計算分析提供依據(jù)。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(chǔ)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)動機的模擬計算模型，建立的原汽油機模型，如為主，無法確定發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)是否使圖 1所示。氣體從進氣系統(tǒng)的環(huán)境邊界，流經(jīng)進氣管發(fā)動機燃燒乙醇汽油混合燃料時的性能得到應(yīng)有的發(fā)-+空濾器→進后。懶必后廢氣通過排氣揮道一排氣管→中國煤化工排氣系統(tǒng)的環(huán)文章通過在原有單一汽油燃料的汽油機的基礎(chǔ)境邊界?！癥HCNMHG-32-AutoEnineer第1期Enimn:汽車工程師FOCUS技術(shù)聚焦COENDesign-Innovation發(fā)動機工作模型是比較成功的。因此，可以應(yīng)用該模型進一步對乙醇汽油靈活燃料發(fā)動機性能進行預(yù)測及來運行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。0ε6ol 一計算值。-試驗值總40白300年10002000 3000 4000 5 0006 000轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)1000 2 000’ 00..40005000 6000主要的發(fā)動機參數(shù)，如表1所示。發(fā)動機的摩擦b外特性下扭矩的對比功數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)驗公式模擬計算結(jié)果給出，進排氣道的362[344流量系數(shù)是氣道實驗臺測試的結(jié)果，燃燒放熱率的曲326線根據(jù)發(fā)動機試驗測量得出。90E“。-計算值表1發(fā)動機主要參數(shù)-←試驗值數(shù)值室238缸徑/mm73100020003000 4000 5000 6000轉(zhuǎn)速/ ( r/min)沖程/mm80外特性下比油耗的對比連桿長度/mm129.5圖2原機模型的標定2發(fā) 動機性能預(yù)測總排量/L1.3392.1燃料特 性的確定氣缸數(shù)發(fā)動機工作過程中進入氣缸的工質(zhì)是空氣和燃料點火順序1-3-4-2的混合氣。為使問題簡化，假設(shè)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(yīng)用數(shù)學(xué)模型對發(fā)動機進行有效的工作過程?；瘜W(xué)成分為C2H2OH,汽油的主要成分取為C.Hs.,，擬計算之前，必須進行模型相關(guān)參數(shù)修正，使模型適燃料中各組分的質(zhì)量分數(shù)及其性質(zhì)直接影響燃燒質(zhì)合于特定發(fā)動機結(jié)構(gòu)，有效進行特定運行工況的性能量，在建模過程中對各組分的熱力特性參數(shù)需要通過預(yù)測。文章對原汽油機模型進行標定，進行了多組發(fā)計算求得[13),，靈活燃料發(fā)動機的燃料特性參數(shù)，如動機外特性試驗，在試驗過程中對進氣壓力、進氣溫.表2所示。表2乙醇汽油靈活燃料的工質(zhì)參數(shù)度、冷卻水溫度、機油溫度、點火提前角及發(fā)動機的性能參數(shù)等進行了測量，對模型參數(shù)進行了相應(yīng)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。在整個汽油00.7323.0593 14.5轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，結(jié)果之間的變化規(guī)律- -致， 模擬結(jié)果與E10 0.0.738.107 41.30194.8 13.909實測結(jié)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%以內(nèi)?？紤]到在建模過程中使用了各種簡化E90 0.9 0.780CNMH G9.2 9.512條件和假設(shè)，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汽車工程師2011年1月設(shè)計創(chuàng)新2.2外特性預(yù)測發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性得到改善。另外，隨著壓縮圖3示出靈活燃料發(fā)動機與汽油機外特性計算結(jié)比的增大會使發(fā)動機的爆震傾向增大,缸內(nèi)溫度升高，果，由圖3可以看出，在對發(fā)動機不做任何改動的情有利于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(shè)計要氣排放法規(guī)的限制。求。因此，需要在原機的基礎(chǔ)上對運行參數(shù)進行優(yōu)化。通過分析可以看出，提高壓縮比可以使發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性都得到提高，所以，在容許的爆震和NO,排放要求下，應(yīng)盡量提高發(fā)動機的壓縮比。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)動機的抗爆性增加。-E90計算值20} s-汽油因此，可以考慮通過適當(dāng)提高壓縮比的辦法來提高發(fā)1000 2000 3000 .，4000 5000 6 000動機的動力性能和經(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(zhuǎn)速(/min))扭矩外特性圖3靈活燃料發(fā)動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)動機燃燒乙醇汽油工作過程變單參數(shù)的確定129 E-E50 .在經(jīng)過驗證的發(fā)動機模型基礎(chǔ)上，主要分析壓縮-E90.比、點火提前角、進氣門遲閉角和空燃比對發(fā)動機性112119能的影響，計算得出在確定工況下發(fā)動機燃燒乙醇汽e 105油達到最佳性能時對應(yīng)的參數(shù)值。發(fā)動機達到最佳性目91上能的評價指標有多種，由于各參數(shù)在不同的評價指標下對應(yīng)的參數(shù)值不同145)，文章選用最大扭矩作用點下發(fā)動機功率、扭矩和比油耗作為評價指標來確定發(fā)b壓縮比對扭矩的影響動機燃燒乙醇汽油混合燃料時各參數(shù)的最佳值，取轉(zhuǎn)460 F速4400r/min為計算點，在改變1個參數(shù)的過程中,.440[a 420|模型的其他參數(shù)保持原設(shè)置不變。三400-E10. E502.3.1壓縮比對發(fā)動機性能的影響品360E90壓縮比是影響汽車發(fā)動機性能指標的一一個重要參三320E數(shù)。選取10~ 12區(qū)間段11 種壓縮比(步長為0.2)空300L進行工作過程模擬計算，分析壓縮比對發(fā)動機性能的影響。壓縮比對比油耗的影響圖4示出壓縮比對發(fā)動機性能的影響，由圖4可圖4壓縮比對發(fā)動機性能的影響以看出，隨著壓縮比的提高，發(fā)動機的功率和扭矩增2.3.2點火提前角對發(fā)動機性能的影響大，燃油消耗率則有降低趨勢。這主要是由于壓縮比點火提前角是影響點燃式發(fā)動機性能的重要因提高后，壓縮時所產(chǎn)生的氣缸壓力與溫度相對提高，素，為了使發(fā)動機的功率最大，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(qū)間段的7種點火提前角(步長為2°CA)對發(fā)動中國煤化工計算，點火提加.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)動機性CNMHG所示。合。點火時能使混合氣燃燒速度加快，熱效率提高，-34-Auto Enpineer第1期Enimn:汽車工程師FOCUS技術(shù)聚焦CErNDesign-Innovation |從計算結(jié)果不難看出，點火提前角對發(fā)動機的動120F115E力性和經(jīng)濟性有很大影響。隨著點火提前角的增加，110F一E10 .一E50乙醇汽油的動力性顯著增大，比油耗略有升高。目105-E90一EI010060顯955:日90F85三50570575 580 585云4Ca進氣遲閉角對扭矩的影響35-18_ 1:點火提前角/CA- E50三400a點火提前角對功率的影響馬380-E10墨340E岔320_E90.10605 610 6152105進氣門遲閉角/CAb進氣遲閉角對油耗的影響1.00p0.95E10(-) ~-20-80.90EF501-. E90(- )b點火提前角對扭矩的影響50.85E0.80[550p一E100.75[-E50. E900.70518161412一108主450400c進氣遲閉角對充氣效率的影響典350圖6進氣遲閉角對發(fā)動機性能的影響2.3.4空燃比對發(fā)動機性能的影響五300空燃比也是影響發(fā)動機性能的重要參數(shù)，空燃比-2-16-1-10是否合適決定了發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性及排放性能的c點火提前角對比油耗的影響好壞。因此，為滿足發(fā)動機不同的使用工況應(yīng)選用不圖5點火提前角對發(fā)動機性能的影響同的空燃比。2.3.3進氣遲閉角對發(fā)動機性能的影響選取不同區(qū)間段的10種空燃比(步長為1)對由于研究的發(fā)動機為可變進氣氣門正時發(fā)動機,發(fā)動機的工作過程進行模擬計算。擬合后計算結(jié)果，而配氣正時直接影響發(fā)動機的充氣效率，進而影響發(fā)如圖7所示。不難看出，在空燃比的變化范圍內(nèi)，發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性。因此主要通過對進氣遲閉角動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能都存在最佳值，但的模擬計算來研究其對發(fā)動機性能的影響。扭矩、燃油消耗率及充氣效率隨進氣遲閉角的變是各種指標達到最佳時所對應(yīng)的空燃比是不同的，因化關(guān)系，如圖6所示。在同一轉(zhuǎn)速下，不同的進氣遲而在實際的工作中還應(yīng)根據(jù)排放的具體要求確定空燃閉角所對應(yīng)的充氣效率、扭矩和燃油消耗率是不同的。120p在進氣遲閉角的變化范圍內(nèi)，發(fā)動機的扭矩和充氣效=110[率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而燃油消耗率則呈現(xiàn)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時所對應(yīng)的進氣遲閉角是不同的。比較3種不同的燃油比例的計算結(jié)果可以看出，不同的燃油對應(yīng)的最佳進氣遲閉角是不同的，大比例乙醇汽油對應(yīng)的最佳遲中國煤化工，一MHCNMH G .131閉角向前移動。a空燃比對扭矩的影響-35-AuoEngineer藝技術(shù)聚焦 FOCUSEngime汽車工程師2011年1月設(shè)計創(chuàng)新6[前角的尋優(yōu)范圍設(shè)為一26 ~-2 °CA,進氣門開啟提前32|角的尋優(yōu)范圍設(shè)為-36 ~-2 °CA，空燃比的尋優(yōu)范圍_E100[_ E50設(shè)為10~ 5.5。三46]-E902.4.2優(yōu)化結(jié)果分析每4442[本次優(yōu)化計算共進行了325次循環(huán)計算，計算結(jié)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)動機的扭矩有很大的影響，在參數(shù)的影響范空怏比圍內(nèi)，扭矩在一定范圍內(nèi)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點火提前角10? 800空燃比，700進氣門開啟提前角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)動機性能的影響電2.4發(fā)動機工作過程的變多參數(shù)模擬優(yōu)化計算次數(shù)/次前面應(yīng)用建立的模型對發(fā)動機的工作過程進行了a變量的變化過程單參數(shù)研究，分析了發(fā)動機在燃用乙醇汽油時性能隨所研究的參數(shù)變化的規(guī)律。這些模擬計算都是在單參數(shù)的變化范圍內(nèi)進行的，因而只能反映發(fā)動機性能在這些單- -參數(shù)作用下的變化規(guī)律，無法全面反映各之80-參數(shù)之間的交互作用，難以確定各項參數(shù)耦合作用下發(fā)動機的最佳性能。應(yīng)用所建立的發(fā)動機模型，采用AVL-boost與isight相結(jié)合的方式對發(fā)動機在1004400r/min'下，使用E90燃料時進行多參數(shù)優(yōu)化研究，b目標值的變化過程在模擬計算中以多個參數(shù)作為尋優(yōu)變量，確定目標函書數(shù),確定多個參數(shù)耦合作用下發(fā)動機的最佳扭矩性能。2.4.1尋優(yōu)變 量的確定在優(yōu)化的過程中通常要選取對目標函數(shù)影響較大2而又可控的參數(shù)作為尋優(yōu)變量，發(fā)動機輸出扭矩受多因素影響，但是每個因素影響的方式和影響程度是不同的:壓縮比對發(fā)動機扭矩的影響具有單向性，即在變量的設(shè)置及最優(yōu)變量參數(shù)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)動機的扭矩隨著通過模擬計算得到發(fā)動機燃燒乙醇汽油靈活這些參數(shù)的增大而增大,由于本機為靈活燃料發(fā)動機，燃料發(fā)動機扭矩達到最大值時對應(yīng)的點火提前角最終取壓縮比不變?yōu)?0;而在點火提前角、進氣遲為- -26 °CA，進氣遲閉角為- 20 °CA，空燃比為8，此閉角和空燃比的變化范圍內(nèi)，發(fā)動機的扭矩具有最佳時 對應(yīng)的發(fā)動機最大扭矩為94 Nm。這說明發(fā)動機值，這些參數(shù)過大或過小都會使發(fā)動機的扭矩降低，的 工作過程是- -個 多參數(shù)相互耦合的過程，在尋求發(fā)因而他們耦合作用下對發(fā)動機性能的影響更大。因此動機性能最優(yōu)指標時應(yīng)綜合考慮多方面的因素。以點火提前角、進氣遲閉角及空燃比作為自變量對發(fā)最終的3種燃外性州營切6用如圖9所示。動機工作過程進行優(yōu)化研究，考慮到這3個參數(shù)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(jù)上面計算的參數(shù)變動范圍，將點火提燃料 下的功率和心，M只且較低，比油耗AutoDEngineer第1期Enimn:汽車工程師FOCUS技術(shù)聚焦CErtN| Design-Innovation |有較多的增加，但當(dāng)量比油耗相對原汽油機來說會有3結(jié)論一.定量的減小。1)對發(fā)動機的工作過程進行變參數(shù)計算分析和120p多參數(shù)耦合作用下的優(yōu)化計算可以加深對該參數(shù)作用效果的認識，對發(fā)動機的標定起著指導(dǎo)作用，可滿足100|靈活燃料發(fā)動機開發(fā)的性能要求。與汽油發(fā)動機相比，30}靈活燃料發(fā)動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，是一種汽車新能源值的發(fā)展方向。. E50校正扭矩. E90校正扭矩2)通過AVL- boost模擬計算軟件獲得了十分有40f+E10校正功率20價值的仿真結(jié)果，通過對這些結(jié)果的詳細分析，充分. E50校正功率E90校正功率| 10提高了發(fā)動機的開發(fā)效率。仿真計算是一一種有效、可靠且準確度高的設(shè)計方法，為性能升級和開發(fā)新發(fā)動1200 2000 2800.3600 44005200 6 0000機的設(shè)計和優(yōu)化奠定了良好的基礎(chǔ)。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)動機燃燒乙醇汽油混合燃料工作過程數(shù)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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