乙醇汽油灵活燃料汽油机仿真计算

Auo Enginer4051070 2011(1)Enimn:汽车工程师FOCUS技术聚焦设计.创新I乙醇汽油灵活燃料汽油机仿真计算郭兰刘小平天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心)摘要:能源和环境问题推动了新能源汽车的开发和使用，乙醇作为替代燃料之一逐渐引起了人们的重视。通过一款4气门灵活燃料乙醇汽油发动机在3种比例E10， E50， E90下的热力学计算，对发动机燃烧乙醇汽油的工作过程进行了工作特性计算研究。着重对最大扭矩工况下发动机燃烧乙醇汽油混合燃料时压缩比、对点火提前角、进气门迟闭角及空燃比耦合作用下的发动机工作过程进行优化计算。对3种燃料进行对比分析，对整机性能做出预测。为优化汽油机结构和进一步的三维计算分析提供了依据。关键词:发动机;乙醇汽油; AVL boost; 优化设计;仿真计算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能源紧缺和环境污染成为制约汽车工业发展的上，运用AVL-boost软件对某4缸发动机采用乙醇汽2大障碍。面对这一-因境，开发和使用新能源汽车已油 灵活燃料E10, E5O, E90 后进行热力学计算，预经成为未来汽车工业发展的必然方向。乙醇作为替代测 整机性能，优化汽油机的结构参数和运行参数，并燃料之一逐渐引起了人们的重视。乙醇以一定的比为进 -一步的三维计算分析提供依据。例添加到普通汽油中，可以有效减少汽油的使用量，:计算模型的建立且能在一-定程度上降低排放，成为新- -代高质量替代首先在标定后的汽油机的基础上建立使用灵活燃能源。然而，目前对乙醇汽油的研究大多还是以试验料 发动机的模拟计算模型，建立的原汽油机模型，如为主，无法确定发动机的结构参数和运行参数是否使图 1所示。气体从进气系统的环境边界，流经进气管发动机燃烧乙醇汽油混合燃料时的性能得到应有的发-+空滤器→进后。懒必后废气通过排气挥道一排气管→中国煤化工排气系统的环文章通过在原有单一汽油燃料的汽油机的基础境边界。“YHCNMHG-32-AutoEnineer第1期Enimn:汽车工程师FOCUS技术聚焦COENDesign-Innovation发动机工作模型是比较成功的。因此，可以应用该模型进一步对乙醇汽油灵活燃料发动机性能进行预测及来运行参数优化设计。0ε6ol 一计算值。-试验值总40白300年10002000 3000 4000 5 0006 000转速/r/min)a 外特性下功率的对比1411298-之70一一-计算值P12。试验值图1模拟计算模型1.1输入的数据1000 2 000’ 00..40005000 6000主要的发动机参数，如表1所示。发动机的摩擦b外特性下扭矩的对比功数据根据经验公式模拟计算结果给出，进排气道的362[344流量系数是气道实验台测试的结果，燃烧放热率的曲326线根据发动机试验测量得出。90E“。-计算值表1发动机主要参数-←试验值数值室238缸径/mm73100020003000 4000 5000 6000转速/ ( r/min)冲程/mm80外特性下比油耗的对比连杆长度/mm129.5图2原机模型的标定2发 动机性能预测总排量/L1.3392.1燃料特 性的确定气缸数发动机工作过程中进入气缸的工质是空气和燃料点火顺序1-3-4-2的混合气。为使问题简化，假设空气主要由氧气和氮压缩比10.0气组成。燃料是汽油和乙醇的混合燃料，其中乙醇的1.2原机模型的标定在应用数学模型对发动机进行有效的工作过程模化学成分为C2H2OH,汽油的主要成分取为C.Hs.,，拟计算之前，必须进行模型相关参数修正，使模型适燃料中各组分的质量分数及其性质直接影响燃烧质合于特定发动机结构，有效进行特定运行工况的性能量，在建模过程中对各组分的热力特性参数需要通过预测。文章对原汽油机模型进行标定，进行了多组发计算求得[13),，灵活燃料发动机的燃料特性参数，如动机外特性试验，在试验过程中对进气压力、进气温.表2所示。表2乙醇汽油灵活燃料的工质参数度、冷却水温度、机油温度、点火提前角及发动机的性能参数等进行了测量，对模型参数进行了相应的修乙醇体醇低热值/辛烷理论空汽油的体积质量/的质( MJ/kg )慨比;E。代号积比(g/mL)量比(kg/kg)原机模型计算与试验对比，如图2所示。在整个汽油00.7323.0593 14.5转速范围内，结果之间的变化规律- -致， 模拟结果与E10 0.0.738.107 41.30194.8 13.909实测结果之间存在一定的差异， 但是二者的相对误差E50 0.:0.7中国煤化工2都在5%以内。考虑到在建模过程中使用了各种简化E90 0.9 0.780CNMH G9.2 9.512条件和假设，以及测试仪器本身的测量误差，建立的乙醇0.79226.75- 33-Auo Enginer技术聚焦FOCUSEngime汽车工程师2011年1月设计创新2.2外特性预测发动机的动力性与经济性得到改善。另外，随着压缩图3示出灵活燃料发动机与汽油机外特性计算结比的增大会使发动机的爆震倾向增大,缸内温度升高，果，由图3可以看出，在对发动机不做任何改动的情有利于NO,的形成，因而压缩比的提高又要受到尾况下，外特性功率和扭矩明显下降，不能达到设计要气排放法规的限制。求。因此，需要在原机的基础上对运行参数进行优化。通过分析可以看出，提高压缩比可以使发动机的动力性和经济性都得到提高，所以，在容许的爆震和NO,排放要求下，应尽量提高发动机的压缩比。由于乙醇的辛烷值比汽油高，将乙醇按一-定比例与汽油混40--E10计算值E50计算值合后，燃料的辛烷值提高，使发动机的抗爆性增加。-E90计算值20} s-汽油因此，可以考虑通过适当提高压缩比的办法来提高发1000 2000 3000 .，4000 5000 6 000动机的动力性能和经济性能。a功率外特性8.0F2.246.4 .I40[40.634.88429970上--一-E10计算值B 17.4. E50计算值9011.6备2E90计算值-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压缩比转速(/min))扭矩外特性图3灵活燃料发动机与汽油机外特性对比a压缩比对功率的影响一E102.3发动机燃烧乙醇汽油工作过程变单参数的确定129 E-E50 .在经过验证的发动机模型基础上，主要分析压缩-E90.比、点火提前角、进气门迟闭角和空燃比对发动机性112119能的影响，计算得出在确定工况下发动机燃烧乙醇汽e 105油达到最佳性能时对应的参数值。发动机达到最佳性目91上能的评价指标有多种，由于各参数在不同的评价指标下对应的参数值不同145)，文章选用最大扭矩作用点下发动机功率、扭矩和比油耗作为评价指标来确定发b压缩比对扭矩的影响动机燃烧乙醇汽油混合燃料时各参数的最佳值，取转460 F速4400r/min为计算点，在改变1个参数的过程中,.440[a 420|模型的其他参数保持原设置不变。三400-E10. E502.3.1压缩比对发动机性能的影响品360E90压缩比是影响汽车发动机性能指标的一一个重要参三320E数。选取10~ 12区间段11 种压缩比(步长为0.2)空300L进行工作过程模拟计算，分析压缩比对发动机性能的影响。压缩比对比油耗的影响图4示出压缩比对发动机性能的影响，由图4可图4压缩比对发动机性能的影响以看出，随着压缩比的提高，发动机的功率和扭矩增2.3.2点火提前角对发动机性能的影响大，燃油消耗率则有降低趋势。这主要是由于压缩比点火提前角是影响点燃式发动机性能的重要因提高后，压缩时所产生的气缸压力与温度相对提高，素，为了使发动机的功率最大，燃油消耗率最低，选混合气中的燃料分子气化得更完全，颗粒更细密，再取-20~-8 °CA区间段的7种点火提前角(步长为2°CA)对发动中国煤化工计算，点火提加.上涡流和紊流效果，将使燃料与空气更加均匀地混前角对发动机性CNMHG所示。合。点火时能使混合气燃烧速度加快，热效率提高，-34-Auto Enpineer第1期Enimn:汽车工程师FOCUS技术聚焦CErNDesign-Innovation |从计算结果不难看出，点火提前角对发动机的动120F115E力性和经济性有很大影响。随着点火提前角的增加，110F一E10 .一E50乙醇汽油的动力性显著增大，比油耗略有升高。目105-E90一EI010060显955:日90F85三50570575 580 585云4Ca进气迟闭角对扭矩的影响35-18_ 1:点火提前角/CA- E50三400a点火提前角对功率的影响马380-E10墨340E岔320_E90.10605 610 6152105进气门迟闭角/CAb进气迟闭角对油耗的影响1.00p0.95E10(-) ~-20-80.90EF501-. E90(- )b点火提前角对扭矩的影响50.85E0.80[550p一E100.75[-E50. E900.70518161412一108主450400c进气迟闭角对充气效率的影响典350图6进气迟闭角对发动机性能的影响2.3.4空燃比对发动机性能的影响五300空燃比也是影响发动机性能的重要参数，空燃比-2-16-1-10是否合适决定了发动机动力性、经济性及排放性能的c点火提前角对比油耗的影响好坏。因此，为满足发动机不同的使用工况应选用不图5点火提前角对发动机性能的影响同的空燃比。2.3.3进气迟闭角对发动机性能的影响选取不同区间段的10种空燃比(步长为1)对由于研究的发动机为可变进气气门正时发动机,发动机的工作过程进行模拟计算。拟合后计算结果，而配气正时直接影响发动机的充气效率，进而影响发如图7所示。不难看出，在空燃比的变化范围内，发动机的动力性与经济性。因此主要通过对进气迟闭角动机的动力性、经济性和排放性能都存在最佳值，但的模拟计算来研究其对发动机性能的影响。扭矩、燃油消耗率及充气效率随进气迟闭角的变是各种指标达到最佳时所对应的空燃比是不同的，因化关系，如图6所示。在同一转速下，不同的进气迟而在实际的工作中还应根据排放的具体要求确定空燃闭角所对应的充气效率、扭矩和燃油消耗率是不同的。120p在进气迟闭角的变化范围内，发动机的扭矩和充气效=110[率呈现先增大后减小的趋势，而燃油消耗率则呈现先g 10[减小后增大的趋势，获得最大扭矩和最低燃油消耗率一100时所对应的进气迟闭角是不同的。比较3种不同的燃油比例的计算结果可以看出，不同的燃油对应的最佳进气迟闭角是不同的，大比例乙醇汽油对应的最佳迟中国煤化工，一MHCNMH G .131闭角向前移动。a空燃比对扭矩的影响-35-AuoEngineer艺技术聚焦 FOCUSEngime汽车工程师2011年1月设计创新6[前角的寻优范围设为一26 ~-2 °CA,进气门开启提前32|角的寻优范围设为-36 ~-2 °CA，空燃比的寻优范围_E100[_ E50设为10~ 5.5。三46]-E902.4.2优化结果分析每4442[本次优化计算共进行了325次循环计算，计算结果，如图8所示，从图8可以看出，寻优变量的不同3 14组合对发动机的扭矩有很大的影响，在参数的影响范空怏比围内，扭矩在一定范围内的最低值为66.42Nm，最b空燃比对功率的影响大值为94.001 4 Nm。900t点火提前角10? 800空燃比，700进气门开启提前角90夏600量500全400300要运一102009101112 13 14易研留-20c空燃比对油耗的影响啦3-30图7空燃比对发动机性能的影响电2.4发动机工作过程的变多参数模拟优化计算次数/次前面应用建立的模型对发动机的工作过程进行了a变量的变化过程单参数研究，分析了发动机在燃用乙醇汽油时性能随所研究的参数变化的规律。这些模拟计算都是在单参数的变化范围内进行的，因而只能反映发动机性能在这些单- -参数作用下的变化规律，无法全面反映各之80-参数之间的交互作用，难以确定各项参数耦合作用下发动机的最佳性能。应用所建立的发动机模型，采用AVL-boost与isight相结合的方式对发动机在1004400r/min'下，使用E90燃料时进行多参数优化研究，b目标值的变化过程在模拟计算中以多个参数作为寻优变量，确定目标函书数,确定多个参数耦合作用下发动机的最佳扭矩性能。2.4.1寻优变 量的确定在优化的过程中通常要选取对目标函数影响较大2而又可控的参数作为寻优变量，发动机输出扭矩受多因素影响，但是每个因素影响的方式和影响程度是不同的:压缩比对发动机扭矩的影响具有单向性，即在变量的设置及最优变量参数图8多变量耦合分析图允许的爆震条件和环保等条件下，发动机的扭矩随着通过模拟计算得到发动机燃烧乙醇汽油灵活这些参数的增大而增大,由于本机为灵活燃料发动机，燃料发动机扭矩达到最大值时对应的点火提前角最终取压缩比不变为10;而在点火提前角、进气迟为- -26 °CA，进气迟闭角为- 20 °CA，空燃比为8，此闭角和空燃比的变化范围内，发动机的扭矩具有最佳时 对应的发动机最大扭矩为94 Nm。这说明发动机值，这些参数过大或过小都会使发动机的扭矩降低，的 工作过程是- -个 多参数相互耦合的过程，在寻求发因而他们耦合作用下对发动机性能的影响更大。因此动机性能最优指标时应综合考虑多方面的因素。以点火提前角、进气迟闭角及空燃比作为自变量对发最终的3种燃外性州营切6用如图9所示。动机工作过程进行优化研究，考虑到这3个参数改变乙醇汽油灵活中国煤化工基本达到汽油IHCNMHG,的可能性并根据上面计算的参数变动范围，将点火提燃料 下的功率和心，M只且较低，比油耗AutoDEngineer第1期Enimn:汽车工程师FOCUS技术聚焦CErtN| Design-Innovation |有较多的增加，但当量比油耗相对原汽油机来说会有3结论一.定量的减小。1)对发动机的工作过程进行变参数计算分析和120p多参数耦合作用下的优化计算可以加深对该参数作用效果的认识，对发动机的标定起着指导作用，可满足100|灵活燃料发动机开发的性能要求。与汽油发动机相比，30}灵活燃料发动机综合性能指标基本能达到汽油机的水安6(+ E10校正扭矩平，是一种汽车新能源值的发展方向。. E50校正扭矩. E90校正扭矩2)通过AVL- boost模拟计算软件获得了十分有40f+E10校正功率20价值的仿真结果，通过对这些结果的详细分析，充分. E50校正功率E90校正功率| 10提高了发动机的开发效率。仿真计算是一一种有效、可靠且准确度高的设计方法，为性能升级和开发新发动1200 2000 2800.3600 44005200 6 0000机的设计和优化奠定了良好的基础。a功率和h率和扣矩图参考文献600[1]王运生.基于KIVA-3V的乙醇汽油燃烧过程仿真研究[D].重庆:重庆大学，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]胡亚楠.捷达ATK发动机燃烧乙醇汽油混合燃料工作过程数值模←E1O拟分析[D].黑龙江:东北林业大学, 2007.200士E50[4] Rafael C.Clemente, Edward Werninghaus, Eugenio P. D. Coelho100 |et al. Development of an Internal Combustion Alcohol FueledEngine[].SAE，2001 :2001-01-3917.“1200 2000 2800 3600 4400 5200 6 0005] 胡亚楠，孙玉兰发动机燃烧乙醇汽油数值模拟与试验[D]. 长春转速/(r/min)理工大学学报:自然科学版, 2009, 32 (4) :614-617.(收稿日期: 2010-10-08)图9 3种燃料最终外特性模拟图(上接第14页)接作用于收益车型: 1.6 L以下乘用车和微型客车等，模是由该国具备购车能力群体的大小决定的。--般来受到刺激政策作用，这些车型市场需求高速增长。二说，只有达到一定收入水平的人群才 具备购车能力,是由于汽车在国民经济中的突出地位，汽车市场的快此收入水平即所谓的购车收入临界点，家庭年收入高速 增长对经济企稳回升起到了重要的拉动作用，而经于收入临界点的人群即具备了购车能力。一个国家购济 企稳回升带来了所有车型的全面增长。车收入临界点受车价、购车税费以及使用费用等因素而2011年随着相关政策取消，居民购车收入临的影响，车价越低，购车收入临界点越低，购车费用界点将略升高，购车的门槛提升。同时经济增长速度降低和使用费用下降都会使得购车收入临界点降低。回落使得新增群体数量会有所减少。综合判断,2011年2009年密集出台相关汽车消费鼓励政策的延续以及最大可能是以长期潜在增长率为轴心上下小幅度波2010年政策力度的加强有效降低了消费购车费用和使动。应该说，略低于潜在增长率的可能性更大些，毕用费用，购车收入临界点降低，导致具备购车能力的竟 2年时间内仅乘用车就实现了600多万辆的增长(总家庭户数非正常性地大幅增加。这与2002年我国加入体近 900万辆)，中国煤化工判断2011年WTO后，车价大幅下降后效果基本上是一致的。政乘用 车增长速度MHCNMHG能性较大。府刺激汽车需求的鼓励政策有2种效果，一.是政策直(收稿日期2011-01-12)