甲醇灵活燃料发动机数值仿真

第3卷第1期汽车工程学报Vol.3 No.12013年1月Chinese Journal of Automotive EngineeringJan. 2013甲醇灵活燃料发动机数值仿真李钊',倪计民',齐洪元",严治国,陈明’，张小矛3(1.同济大学汽车学院， 上海201804; 2. 上海汽车集团股份有限公司商用车公司， 上海200438;3. .上海汽车集团股份有限公司乘用车公司，上海201804)摘要:针对某款1.5L可变进气凸轮正时(Variable Cam Timing, VCT)甲醇灵活燃料发动机的前期开发过程进行了仿真计算。首先进行了原汽油机的模型标定，并考虑到了火焰传播速度,在不改变原机结构的情况下对灵活燃料发动机的性能进行了预测。结果表明，随着甲醇比例的增大，发动机的动力性逐步提高，比油耗(Brake Specific Fuel Consumption,BSFC)也相应提高，但是热效率增大。最后，建立了发动机动力性和经济性的综合评价体系，对M100燃料的节气门全开(WOT)工况进行了基于模型的标定优化。结果表明，耗油率有显著下降，热效率显著提高，优化效果明显。关键词:灵活燃料;数值仿真;试验设计(DoE) ;优化中图分类号: TK464文献标识码: 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世纪70年代以来，由于石油危机以及汽活燃料汽车 (FFV) ，在解决使用中发现的问题并车污染的日趋严重，国外对醇燃料进行了大规模的对其进行改进的过程中积累了宝贵的经验。研究，并且在不同车辆上取得了不同程度的推广“及我国原国家科委在“七五”期间设立了“M100应用1-2。由于考虑到生产甲醇的原料较丰富，价甲醇燃料应用技术”项目，在国产汽车上进行试验格又比乙醇低，所以主要研究开发甲醇燃料以及灵研究，然后又与德国合作，进行了排放、润滑、汽收稿日期: 2012 09-24第1期李钊等:甲醇灵活燃料发动机数值仿真067车实际使用等试验研究;山西云冈汽车集团公司也1.2 发动机建模在车用汽油机的基础上开发成功M100发动机(4;GT-Power一维仿真模型如图1所示。西安交通大学和天津大学分别对灵活燃料缸内直喷模型包括进气系统、排气系统、气缸、曲柄发动机和甲醇HCCI燃烧特性与排放进行了研究[5-6。连杆机构等。 其中发动机结构参数、空燃比、配气本文针对灵活燃料发动机的前期开发，使用一相位等直接输入到模型中， 在管内流体计算上，用款国产1.5L VCT发动机，进行了甲醇灵活燃料发一 维非定常流动来代替实际复杂的三维流动，用动机的数值仿真研究，针对M100燃料的WTO工Woschni 传热模型来计算发动机的传热，在燃烧方况进行了基于模型的标定，对点火提前角以及过量面，采用湍流火焰传播模型。空气系数进行了优化，为灵活燃料发动机的前期开1.2.1湍流火焰传播模型发提供了依据。湍流火焰传播模型考虑到了气缸的尺寸，点火提前角、气流运动和燃料性质。进入火焰前锋的质1发动机数值模型的建立 与标定量卷吸率和燃烧速率可以由以下几个方程来表示(6.1.1 发动机基本参数质量卷吸率:发动机的基本参数见表1.dMe=PuA(S +Sl)，(1)表1 1. 5L VCT 发动机参数dt质量燃烧速率:缸径B/mm冲程S/m84.8dMp_ Me-M,(2)最大转矩T/N.m135 (5 000 r/min)τ最大功率P/kW78 (6 000 r/min)并且压缩比10.5VCT型式进气排气双VCT(3)S式中: Me为未燃混合气卷吸质量，kg; P. 为未燃混合气密度，g/cm'; A. 为火焰前锋面积，m'; Sr为湍流火焰速度，kg; SL 为层流火焰速度，kg; M。 为燃混合气质量，kg; r为时间常数，s; λ为Taylor微尺度，m。从式(1) ~ (3) 中可知，卷入火焰前锋的未燃混合气的速率与湍流火焰速度和层流火焰速度之和成正比，燃烧速率与未燃混合气质量成正比，比例为时间常数t(s) 的倒数，时间常数为Taylor 微尺度比层流火焰速度。其中，火焰传播速度为层流火焰速度与湍流火焰速度之和，且层流火焰传播速度(7]为曲轴"消声器与催化器S.=(B. +B(φ -)|([(品) .图11.5L VCT GT-power发动机模型(1- 2.06(Diltion)EMO)第1期李钊等:甲醇灵活燃料发动机数值仿真069的升高而升高。虽然甲醇热值比汽油低得多，但是在压缩过程汽化，吸收热量，降低缸内温度，减少发动机在大负荷和外特性的情况下采用开环控制方压缩功。虽然从图中可以看出M100的热效率要比式。设置过量空气系数φ与原机相同，而甲醇理论M80热效率略有下降，由于点火提前角未作调整，空燃比下的热值要高于汽油，加之充气效率的提高也会对燃烧热效率带来-定的影响。但是总体来讲，使喷入气缸的燃料增加，所以喷入缸内燃料的总热使用灵活燃料发动机可以使发动机转矩和热效率明值随着甲醇含量的增加而增加，并且甲醇燃料的燃显提高。20世纪80年代，德克萨斯州技术大学将烧速度比汽油要快，虽然点火提前角相同，但随着通用公司某款车改为M100汽油车，最大转矩上升甲醇混合量的增多，火焰传播速度不断升高，放热25%4)，由此可见，汽油机改为灵活燃料汽车后，可率随之增大，所以缸压增高率不断提高。综上所述，以使动力性增加。缸内爆发压力逐步增高(图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转速n/ (r.min^')音500图4灵活燃料的充 气系数(相对大气状态)3060-- MO50MI5171640--- M30g --- MSO150z 14宜20-_ M100E 130实12011-60 -40 -20020406080103000000曲轴转角C1 °CA转速n/ (r.min~')图52000r/min全负荷下灵活燃料的缸压曲线图6灵活燃料发动机性能从图6中可知，随着甲醇比例的增大，耗油率.(g/ kW.h)也逐渐增大，这主要是由于甲醇热值比3基于模型的标定汽油低;同时，内燃机的热效率增高，这主要因为由于燃料的性质发生了改变，发动机的控制策甲醇燃烧速率快，并且汽化潜热高，多数甲醇液滴略也会发生相应的改变。为了使发动机更好地发挥070汽车工程学报第3卷其性能，需要对发动机进行重新标定。发动机的标570定主要还是由试验来完成，但是大量的试验必然会耗费大量的物力和财力,而在发动机的前期开发中,主5s在样机没有完全开发成熟之前，可以应用DoE方法后540{对发动机进行基于模型的虚拟标定，为发动机电控系统控制策略提供参考，预测发动机性能。3. 1优化目标的确定-4-6-8-10-12-14.9 0.85点火提前角p/'CA过量空气系数对汽油机电控喷射系统而言，最基本的控制目图7耗油 率随点火提前角和过量空气系数变化关系标就是过量空气系数与点火提前角，它们应随发动机转速与负荷工况而变。为此，必须事先经过大量的标定试验。本文选择环境温度为300K,大气压14力为101 kKPa (请换 算成国际单位kPa)，对M100节气门全开工况进行研究。飞1453.2建立综合评价体系; 143以发动机的动力性指标转矩和经济性指标耗油率作为评价指标,把爆震和排气温度作为限制指标，-4-6-8-10-12-14 095 0点火提前角0/° CA)建立发动机动力性和经济性评价体系。为了将复杂的、相互制约的多项评价指标转化图8转矩随点火提前角和过量空气系数变化关系为单一的、容易比较的单指标量，引入了加权系数从图中可以看出，发动机的耗油率随着点火提的概念，即反映评价者对该指标的重视程度，无量前角的增大而先减小后增大，而随着过量空气系数纲化方法采用标准化处理法[9)，由此得到综合评价的增大而减小;发动机的转矩随着点火提前角的增系数方程式。大而先增大,后减小,随着过量空气系数增大而减小。c=之KxX-XI (n=1,2,3..)， (6)即过量空气系数-定时， 存在一个最佳点火提前角使转矩达到最大，耗油率最小。式中: 8为第j项指标观测值的样本均值; s; 为第j3.4基于模型的标定项指标的样本均方差; X; 为样本; K; 为第j项指标以转速2 000 r/min为例，对M100的过量空气的权重系数。系数和点火提前角进行优化，在GT-Power软件中,3.3试验设计可以通过遗传算法直接对用户定义的函数进行取极在DoE模块中，采用拉丁方方法对点火提前角值，也就是说，可以直接对式(6)中 进行优化，并和过量空气系数进行试验设计。这种方法与全因子且在软件中引入含有Douaud和Eyzat爆震公式(7]的设计相比可以大大减少试验次数，并且可以比较均模块，对爆震进行限制，并且限制了排气温度。为匀地对试验数据进行排列组合。将50组试验设计了 使耗油率的油耗效果更加明显，所以主观预测耗的结果带入到软件中进行计算，选用四阶响应曲面油率的权重系数为0.8，转矩权重系数为0.2。优化法对数据进行建模，如图7、图8所示。.后结果是点火提前角为8.279。CA,过量空气系数为第1期李钊等:甲醇灵活燃料发动机数值仿真0710.928，转矩由145.123 N.m增大至147.1 N.m,耗的权重系数较小，耗油率权重系数较大，优化时偏油率由542.374 g/ (kW. h)降低至518.4 g/ (kW. h)。重于优化耗油率;另外，从优化结果也可以看出，3.5优化结果的验证过量空气系数较原机增大(图10),喷油量随之减小，将优化结果带入到原模型中，进行了仿真模型而点火提前角也进行了相应的优化，使转矩没有降的验证，验证结果与原结果对比见表4。低，所以耗油率降低，热效率显著提高。表4优化值与仿真值对比评价指标优化值计算值误差0.95转矩/N*m147.12147.260.10%耗油率/[g(kW.h)-]518.38518.960.11%0.85- - -优化前过量空气系数结果表明，转矩和耗油率的误差都在0.1%左右，-优化后过量空气系数0.80优化结果可靠。把上述结果带入到式(6)中，得1000 2 000300040005000 6000转速n/r●min~到综合评价值为1.33,优化前综合评价值为-0.31.由式(6) 可知，优化前水平低于50组样本的平均图10优化前后过量空气系数对比水平，优化后水平高于50组样本的平均水平，并结论有较大提升。同理，分别对其它转速进行优化，优化结果如(1)对原机进行了整机建模及标定,结果显示，图9所示。标定结果与试验结果误差在5%以内，建立的模型.具有较高的精度。750.3770(2)基于原机建立了灵活燃料发动机模型，并0.3665进行了仿真计算。仿真结果分析表明，灵活燃料发0.350.3动机可以使发动机的充气效率提高，转矩增大，同ss”时热效率增大。t 0.32菜0.31(3)建立了发动机动力性和经济性综合评价体0.30. 优化前热效率40、0.29-优化后热效率系，以发动机的点火提前角和过量空气系数为优化350.0.27优化前转矩30目标，对M100的外特性工况进行了基于模型的标0.26优化后转矩25定。优化结果表明，发动机的转矩比优化前略有提0.252010005000高，但是耗油率显著下降，热效率显著提高，优化转速n/ (r●min~'效果明显。通过GT-Power软件进行基于模型的标图9优化结果定可以在发动机的前期开发中预测发动机性能，为从图9中可以看出，优化后转矩与原来基本持发动机电控系统和发动机ECU硬件在环仿真的控制平，但是热效率有显著提高。主要原因是由于转矩策略提供参考。072汽车工程学报第3卷参考文献(References)[1] ARAPATSAKOS C I, KARKANIS A N. 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