开环控制时乙醇的体积分数对汽油-乙醇混合燃料发动机性能的影响

第15巷第3期山东交通学院学报2007年9月JOURNAL OF SHANDONG JIAO!ONG UNIVKRSITY开环控制时乙醇的体积分数对汽油一乙醇混合燃料发动机性能的影响刘晓辉!,包君2〔L.山东交通职业学院,山东腺坊2612(6;2.哈尔滨理工大学杋栊动力工程学院,黑龙江哈尔滨150080)摘要:以普通直列叫缸发动机为基础,设计了发动机台架试验的控制系统。通过试验分析了乙醇与汽油按不同比例泥合时对汽油发动机动力性、经济性和排放性能的影响。结果表明在保持汽油机参数不变的前提下随看乙醇的体积分数的增大汽油机的动力性提高,燃油消耗量增加,CO0和NO2的排放量降低,但乙醇的体积分数大于40%时HC的排放量增加明显关键词:开坏控制;乙醇的休积分数;汽油机;动力性;经济性;排放中图分类号:U464;TK46文献标识码;A文章编号:1672-0032(2007)03-0006-05由于能源的日趋紧张,特别是排放法规的囗益严格汽车代用燃料得到了广泛的应用。乙醇具有可再生性、产烷值高和低污染排放等优点是一种优良的汽车发动机代用生物燃料,目前已形成了巨大的乙醉代用燃料汽车市场。我国消费的汽油中,有20%是乙醇汽油。在汽油中按体积比掺人一定量的乙醇,形成汽油一乙醇混合燃料代替汽油燃料,因其具有较高的辛烷值同时降低了汽车尾气屮的污染物含量,H不要求改动原汽车发动机结构,得到了广泛的推广应用。3本文以一台普通直列四缸水冷发动机为基础,采取廾环控制策略,设计∫发动机试验控制系统。以此系统进行了乙醇与汽汕按不同体积比混合燃料对汽油发动机动力性、经济性和排放性能影响的研究。1试验系统试验系统采用TU32K(K2D)发动机,主要技术参数见表1,主要试验设备见表2。表1TU32K(K2D)发动机主要技术参数技术参数技术参数气缸直径x行程/( Imu x nInt)最大扭矩/X·m(转速/rmin1)120(3000)压缩比最低燃油消耗/(g·(kW·h)-1)总排最/L怠速转速/(r·min-1)最大功率w(转速/r·min-1)55(5600)最低起动温度/℃试验控制系统的主要仟务是对试验发动机的运行参数进表2主要试验设备行采集与处理,输出控制信号,利用控制信号使发动机工作在设备名称指定工况,同时调整汽油一乙醇的混合比例、节气门开度、发油耗仪HHC燃油消耗测量仪动机转速等,还扣负着对测功机、油耗计废气分析仪等排气分析仪HPC02设备的控制任务中国煤化工x系列电涡流测功器在发动机实时控制过程中,控制系统的这些功能是通CNMHG-1100计异钒收稿日期:2007-4-16作者简介:刘咣辉(1981-),男,山东潍坊人,山东交通职业学院助教,主要研究方向为溉合动力发动机性能研究第3期刘晓辉等:开环控制时乙醇的体积分数对汽汕一乙醇混合燃料发动机性能的彰响硬件来共同实现的。根据实际需要釆用了以P℃机为控制核心的电子控制系统,具有外围电路简单、软件实现容易以及控制参数模型修改方便等优点。在控制系统软件的支持下,能实现系统调试、实验过程控制分析等功能,达到系统通用性和优化控制的目的。根据试验H的要求,输入量与输出量之间的关系基本确定,同时不存在内部下扰与外部干扰或干扰影响不大,因此试验系统采用开环控制策略(如图1所示)。开环控制也叫硬性控制,是指施控系统将可控输人转化为信号后作用于受控系统,受控系统的输出结果不再送回输入端并形成两控制的直链控制方式。即:在施控和受控2个系统间没有反馈环节,不能构成系统回路·。在开环控制状态下,发动机就能按试验要求进行各工况下各项发动机性能的试验分析。输人量最佳控制量被控量输出控制器被控对象发动机发动机状态参数图1发动机开环控制方案示意图1.1试验系统硬件设计试验系统要完成动力性、经济性和排放性等相「发执行器多功能关特性的测试,也需要为被测发动机提供一个标准PC计的测试条件。试验控制系统由各种传感器执行接口板传感器算机构和测试仪器等组成每一个系统部件的性能都将测功机影响到试验系统的测试精度和试验效果。因此,发L油耗仪动机试验控制系统的硬件设计,在很大程度上是对废气分析仪器设备的选优和组合。本试验系统的硬件设计主要内容包括PC机及其数据采集电路模块、测功转速表机、油耗仪、转速表废气分析仪和输出执行机构电图2试验控制系统硬件结构框图路等几个部分的选择与组合设计,如图2所示。1.2试验系统软件设计程序开始试验控制系统的软件由适合各种发动机控制的通用程序部分和为特定发动机控制的程序初始化专用部分组成。通用部分主要由各种数据采果集信号数据集、数据处理、中断响应以及干扰后处理等组成。专用部分主要是为特定发动机专门设计转速<800r/mi起动控制模式的基本参数控制数据。本试验控制系统的设计采用∫把相应的任务设计成功能模块的形节气冂开度<5%怠速控制模式式,因此,整个控制程序由多个功能模块组成。这一方面便于程序的调试、移植和修改节气门开度加浓控制模式另一方面也可以简化控制程序、节省程序存转速>3000r/min加速控制模式储空间,从而提高程序的效率。控制核心PC机对外部数据的接收基本上采用查询方式,稳态工况模式与多功能接口板间以CAN总线迕接,通过程序请求D0方式进行通讯。PC机控制及显中国煤化工示程序采用C语言编写,在控制发动机运行CNMHG的同时还能将发动机和测功机的运行工况数据用PC机显示,试验发动机主控制程序流程结束如图3所示。图3发动机主控制程序流程图山东交通学院学报20079月第15卷2汽油发动机台架试验结果与分析2.1汽油发动机动力性分析为了分析乙醇的体积分数对发动机动力性能的影响,将不同的乙醇的体积分数下发动机的外特性曲线与原TU32K(K2D)发动机的外特性曲线进行了比较,比较结果如图4所示。从图中可以看出,在节气门全开的情况下,随着燃料中乙醇的体积分数的增加,发动机的动力性有所提高。乙醇的体积分数为20%吋,发动机输出扭矩和功率基木与原机持平;而当乙醇的体积分数分别为40%,60%和80%时,发动机的最大扭矩和最大功率分别比原机增加了约5.0%和3.8%,8.4%和7.7%,10.9%和11.5%;当发动机燃用纯乙醇时,其最大扭矩出现在3000r/min附近,比原汽油机提高∫约16.0%,最大功率出现在4500r/min附近,比原汽油机增加了约15.4%。在发动机高速人负荷状态下,燃料中乙醇的体积分数越大,发动机输出的扭矩和功率就越大。动力性的提高主要得益」:高速大负荷下,发动机进气节流增大而燃料喷射量也加大,单位时间燃烧反应次数增加。此时汽油机过量空气系数小于1,燃料燃烧得不到充足的空气。而乙醇是含氧燃料,这使得缸内混合气的氧原子分布更均匀,因此乙醇混合气比汽油混合气燃烧得更充分,并且由于乙醇的汽化潜热较高,使乙醇发动机进气温度较低,提高了充气效率。只要供给足够多的混合气,乙醇发动机就可以发出比汽油机更大的功率。在转速较低时,乙醇的体积分数对发动机动力性的影响不是很明显,这主要是低转速时的进气节流减小,乙醇含氧的优势就不那么明显了。∽-原发动机一日一乙醇的体积分数20%一·△-·乙醇的体积分数40%乙醇的体积分数60原发动机x…乙醇的体积分数80%乙醇的体积分数100%日乙醇的体积分数20%乙醇的体积分数40%一乙醇的体积分数60%%乙醇的体积分数80%-乙醇的体积分数100%4000600080002000400060008000发动机转速(x·min-)发动机转速/r·min)a)不同乙醇的体积分数与发动机功奉的关系b)不冋乙醉的体积分数与发动机转矩的关系图4不同乙醇的体积分教下发动机外特性与原机对比2.2汽油发动机燃油经济性分析图5、图6是汽油发动机在部分负荷工况,转速为3000r/min4000/min时燃用普通汽油和汽油乙醇按不同体积比例混合的燃料的燃油消耗量曲线图。从图5、图6的纯汽油和乙醇的体积分数分别为20%,4%,60%,80%和100%的混合燃料燃烧刈比试验结果看出,在发动机转速3000r/min、功率50kW时随着乙醇的体积分数的提高,燃料消耗量有所增加,分别增加3.2%,4.8%,9.6%,12.9%,17.7%;在发动机转速400r/min、功率50kW时,随着乙醇的体积分数的提高,燃料消耗量分别增加4.1%,5.3%,9.7%,13.1%,17.9%。中国煤化工23汽油发动机排放性能分析CNMHG汽油发动机的有害排放物主要是一氧化碳C0、氮氧化物NO4、碳氢化合物HC和微粒等。CO是燃料氧气不足的情况下部分燃烧生成;NO,主要生成在火焰面下游侧特别是在火焰面下游侧局部高温、局部氧浓度大及烟气停留时间长的那些区域;HC主要来源于燃烧室壁面的淬熄区、压缩余隙和活塞、第3期刘晓辉等:开坏控制时醇的体积分数对汽油一乙醇混合燃料发动机性能的影响活塞环、缸壁形成的环形区域汽油·日·乙醇的体积分数一-汽油乙醇的体积分数20%·乙醇的体积分数60%--乙醇的体积分数4乙醇的体积分数40%厶……乙醇的体积分数40%乙醇的体积分数一乙醇的体积分数60%x··乙醇的体积分数80%乙醇的体积分数100%积35002400200.0功率/W功率kW图5n=3000r/min时发动机经济性与乙的体积分数的关系图6n=4000r/nin时发动机经济性与乙醇的体积分数的关系2.3.1发动机HC的排放特性发动机各工况下HC的排放试验结果如图7所示,400醇的体积分数小于20%时,随着乙醇的体积分数的增加,HC的体积分数呈下降趋势,当乙醇的休积分数大于自360020%时,随着乙醇的体积分数的增加,HC的体积分数增餐加明显;当乙醇的体积分数大于60%时,随着乙醇的体积分数的增加HC的体积分数增加变缓。+…怠速母中小负荷同时研究了HC的排放与发动机负荷的关系,发现一大负荷随着发动机负荷的升高,HC排放可以逐渐降低。2.3.2发动机CO的排放特性发动机各工况下CO的排放试验结果如图8所示,乙醇的体积分数隔随着乙醇的体积分数的增加,CO的体积分数程下降趋图7HC的排放特性势。发动机怠速状态乙醇的体积分数从0增到20%时,CO的体积分数下降5.3%;乙醇的体积分数从20%增到40%,CO的体积分数下降变化不大;当乙醇的体积分数分别从40%增到60%、60%增到80%80%增到100%时,CO的体积分数分别下降3.5%,1,5%和2.2%;在大负荷空燃比开环控制下,由于提供的混合气较浓,乙醇汽油混合燃料的高含氧量有助亍燃料的充分燃烧,使得CO排放显著降低。2.3.3发动机NO,的排放特性NO,生成的条件为高温、富氧和高温持续时间。在中小负荷时,由于乙醇汽化潜热高,混合气温度降低,从而抑制了NO,的生成量;大负荷下,乙醇的加入使滞燃期延长,NO,的生成量有所增加。乙醇的体积分数小于40%时,随着乙醇的体积分数增加NO,下降明显;当乙醇的体积分数大于40%时,随乙醇的体积分数增加,NO,下降变缓,如图9所示。x…怠速0.026}A-·怠速—中小负荷×—中小负荷一大负荷△大负荷中国煤化工CNMHG乙醇的体积分数隅乙醇的体积分数/%田8CO的排放特性图9NO4的排放特性山东交通学院学报2007年9月第15卷3结论1)通过试验,开发的主控程序满足了试验要求,得到了理想的试验结果。2)在怠速状态和小负荷工况,乙醇的体积分数的提高对发动机动力性影响不大,在大负荷上况,随乙醇的体积分数增大,汽油发动机动力性有所提高。3)在同等工况条件下,随着乙醇的体积分数的提高,汽油发动机燃料消耗量有所增加。4)随乙醇的体积分数增大,汽油机CO和NO4的体积分数降低,但乙醇的体积分数大于40%时HC的体积分数增加明显。参考文献:[1 AL-HASAN M. 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But HC discharge will increase signifieantlywhen volume grade of alcohol is more than 40%Key words: open-loop control; volume grade of alcohol gasoline machine; engine power; economy; discharge责任编辑:杨秀红)中国煤化工CNMHG