M15 發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬研究

高啟明，周斌

( 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

0 引言

從20 世紀(jì)70 年代起，世界各工業(yè)國(guó)家都明顯地預(yù)感到石油燃料終將枯竭。在長(zhǎng)期對(duì)內(nèi)燃機(jī)代用燃料的研究中人們發(fā)現(xiàn)，醇類燃料是石油、天然氣以外最有前途的燃料。在醇類燃料中，甲醇因具有與汽油的諸多相似性和生產(chǎn)便利性受到各國(guó)學(xué)者的青睞。純甲醇具有很高的腐蝕性和較強(qiáng)的揮發(fā)性能，在不改變現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)條件下不宜直接使用。但近期研究發(fā)現(xiàn)： 低比例甲醇汽油混合燃料在摻入添加劑的條件下可以直接在現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)上使用，其熱效率、動(dòng)力性、啟動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性良好，具有降低排放、節(jié)省石油、安全方便等特點(diǎn)。但因?yàn)榧状甲陨砭哂休^高的氣化潛熱值及較快的燃燒速度特點(diǎn)，導(dǎo)致混合燃料與原發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)不匹配，其中點(diǎn)火提前角就是一個(gè)受影響的重要參數(shù)，點(diǎn)火提前角過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性產(chǎn)生很大影響。文中從混合燃料特性改變上分析，利用GTPower 軟件對(duì)某4 缸VVT 汽油機(jī)使用M15 (含有15%甲醇的汽油) 時(shí)某工況下的工作過(guò)程進(jìn)行仿真研究，通過(guò)調(diào)整點(diǎn)火提前角達(dá)到提高其動(dòng)力性的目的。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立

作者利用GT-Power 軟件對(duì)某4 缸VVT 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模。建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、氣缸、排氣系統(tǒng)三部分組成。建立的模型見(jiàn)圖1。發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)

2 模型的驗(yàn)證

輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)到所建立的模型中，運(yùn)行程序可得到轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)最高壓力、平均有效壓力、機(jī)械效率等結(jié)果，通過(guò)與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，來(lái)驗(yàn)證模型的可用性。模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表2。

由表2 可以看出，根據(jù)建立的模型計(jì)算得出的各目標(biāo)值與實(shí)驗(yàn)值誤差均在4%以內(nèi)，證明了模型的正確性、可用性。

在此模型中直接使用M15，得到的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能指標(biāo)(平均指示壓力、功率、扭矩及最大扭矩) 見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化前動(dòng)力性能指標(biāo)比較

可以看出： 發(fā)動(dòng)機(jī)在直接使用M15 后，動(dòng)力性能會(huì)有不同程度的降低。原因主要是甲醇的物性及燃燒特性較汽油有很大差異，從而導(dǎo)致了燃料與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)不匹配，其中點(diǎn)火提前角就是被影響到的一個(gè)重要因素。作者將從甲醇特性出發(fā)，通過(guò)對(duì)點(diǎn)火提前角的調(diào)整，以期提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。

3 點(diǎn)火提前角的調(diào)整

3.1 點(diǎn)火提前角度調(diào)整依據(jù)

汽油摻燒15%甲醇后，混合燃料特性會(huì)有如下變化：

(1) 混合燃料辛烷值增大。辛烷值越大表明燃料的抗爆性能好，可縮短點(diǎn)火提前時(shí)間。

(2) 混合燃料氣化潛熱高。潛熱大，使缸內(nèi)壓縮溫度和燃燒最高溫度下降。

(3) 混合燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蟆计诳s短，可適當(dāng)縮短點(diǎn)火提前時(shí)間。

綜上分析可知： 使用原汽油機(jī)燃用M15，應(yīng)適當(dāng)縮短點(diǎn)火提前時(shí)間。按照燃料混合原理計(jì)算出甲醇汽油的物性參數(shù)，同時(shí)最佳點(diǎn)火提前角必須滿足原氣缸壓強(qiáng)和相關(guān)扭矩的極限范圍。原汽油機(jī)在3 000 r/min 時(shí)的最佳點(diǎn)火提前角θig是-18.5℃A，根據(jù)以上條件，把此工況下點(diǎn)火提前角優(yōu)化范圍設(shè)定在-13 ～-18.5 ℃A 之間。

3.2 各點(diǎn)火提前角下的動(dòng)力性能指標(biāo)比較

圖2 和3 分別是不同點(diǎn)火角度對(duì)應(yīng)下的內(nèi)燃機(jī)P -v 圖與扭矩圖。

同時(shí)得到不同點(diǎn)火提前角下，發(fā)動(dòng)機(jī)平均壓力、平均功率及平均扭矩的大小，見(jiàn)表4。

表4 各提前角下動(dòng)力性能指標(biāo)對(duì)比

通過(guò)P-v 圖、扭矩圖以及表4，可以得出： 在不改變?cè)蜋C(jī)的結(jié)構(gòu)下，通過(guò)調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與扭矩; 在-18.5 ～-13 ℃A 內(nèi)，點(diǎn)火提前角調(diào)整到-15 ℃A 左右可以得到最高的動(dòng)力性能，與優(yōu)化前相比得到表5。

表5 優(yōu)化前后動(dòng)力性能指標(biāo)比較

通過(guò)表2 與表5 的比較可以看出： 發(fā)動(dòng)機(jī)使用M15，通過(guò)改變點(diǎn)火提前角，氣缸內(nèi)平均壓力提高0.87%，功率提高0.88%，扭矩提高0.81%，有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M15 與純汽油時(shí)的動(dòng)力性指標(biāo)接近，其中最大扭矩較原汽油機(jī)有了很大提高。

4 結(jié)論

利用專業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)模擬仿真軟件GT-Power，對(duì)某VVT 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模，分析研究其使用M15 后動(dòng)力性能變化，并分析點(diǎn)火提前角對(duì)其動(dòng)力性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1) 直接在原發(fā)動(dòng)機(jī)上使用M15，其動(dòng)力性能指標(biāo)有不同程度的降低，這跟甲醇的物性及燃燒特性有關(guān)。

(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)使用M15 后，可以通過(guò)調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角，使汽油機(jī)動(dòng)力性能得到提高。

【1】何學(xué)良.內(nèi)燃機(jī)燃料［M］.北京：中國(guó)石化出版社，1999.

【2】崔心存.內(nèi)燃機(jī)的代用燃料［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

【3】劉圣華，李暉，呂勝春，等. 甲醇-汽油混合燃料對(duì)汽油機(jī)性能和排放的影響［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40(1) ：1-4.

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【5】朱清江，司利增.車用甲醇汽油燃料性能研究［C］//第四屆北京國(guó)際清潔汽車技術(shù)研討暨展覽會(huì)論文集，2005：354 -357.