汽油機瞬態工況仿真與試驗*

李西秦，黎 蘇

(1.浙江科技學院機械與汽車工程學院,杭州 310023； 2.河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300130)

前言

汽車在市區行駛時汽油機經常處于瞬態工況，尤其在加速工況時所產生的機械負荷和運動件慣性滯后較大，使汽油機的噪聲升高、磨損加大。從工作過程的角度考慮，瞬態工況對汽油機的混合氣形成(空燃比、充氣效率)、熱力狀態和燃燒均造成影響，致使在瞬態工況下汽油機的動力性、經濟性和排放指標均比相應的穩態工況時要差。汽車有害排放和燃油消耗的40%～80%來自瞬態工況，其中加速工況占30%～70%。

為掌握汽油機在瞬態工況下的工作特性，文獻[1]中建立了發動機瞬態工況非線性模型，設計了滑模控制器和PID控制器分別對節氣門開度和點火時刻進行自適應調節。文獻[2]中在現有內燃機曲軸扭振計算分析軟件TVCA及數據庫基礎上,采用經典非周期激擾力矩計算方法,開發了用于計算瞬態工況曲軸扭振響應的程序,并進行了驗證和應用。文獻[3]中將最優H∞控制理論用于電噴發動機空燃比控制，采用面向對象的GT-Power仿真軟件,建立了電噴發動機仿真模型,提高了空燃比的控制精度。文獻[4]和文獻[5]中將信息融合理論應用于汽油機過渡工況進氣流量預測，提出了汽油機過渡工況空燃比控制的信息融合模型,進而對汽油機空燃比系統中信息融合在不同層次上的實現方法進行了討論。

對車用汽油機瞬態工況的研究是汽車行駛優化的一個組成部分，本文中建立了汽油機準維燃燒模型，編制了循環仿真程序，針對某四缸汽油機穩態和瞬態加速工況進行了仿真，并進行臺架試驗來驗證仿真結果的有效性和精度。

1 汽油機準維燃燒模型

準維燃燒模型由熱力學平衡方程、燃燒室結構幾何模型和火焰傳播模型構成；而燃燒室中的質量燃燒速率定義為紊流火焰速度、火焰前鋒面積和未燃混合氣密度的乘積。

1.1 傳熱量的計算

分別對未燃區和已燃區應用熱力學第一定律，計算出未燃區和已燃區的傳熱量。考慮到氣體與氣缸蓋、缸體和活塞頂面接觸的表面積及溫度差，運用能量守恒定律，將未燃區和已燃區的傳熱量相加求得傳熱損失如下：

(1)

采用修正的Woschni公式求得瞬時傳熱系數h[6]：

式中：qw為傳熱量，kJ；Aij為傳熱面積，m2；n為曲軸轉速，r/min；φ為曲軸轉角，(°)；T為燃燒溫度，K；Tw為燃燒室壁面溫度，K；d為缸徑，m；Cm為活塞平均速度，m/s；Vh為氣缸排量，L；V1、T1、p1為壓縮始點容積(L)、溫度(K)和壓力(kPa)；p0為拖動時的氣缸壓力，kPa；Cu為渦流速度，取Cu=πdn/60。

1.2 氣體成分的計算

(1) 未燃氣體 對于燃料CnHmOl摩爾分數為x12、過量空氣系數為α、殘余廢氣系數為γ的1mol未燃混合氣，可列出如下化學平衡方程式：

x12[CnHmOl+α(n+m/4-l/2)(O2+3.76N2)+

γ(x1CO+x2CO2+x3O2+x4H2+x5H2O+x10N2)]=

x1CO+x2CO2+x3O2+x4H2+x5H2O+x10N

(2)

式中x1～x5、x10分別為CO、CO2、O2、H2、H2O和N2的摩爾分數。

(2) 已燃氣體 設摩爾分數為x12的燃料CnHmOl在過量空氣系數為α的混合氣中燃燒生成1mol由CO、CO2、O2、H2、H2O、OH、H、O、NO、N2、N 11種物質組成的氣相燃燒產物，則總的化學反應平衡方程式為

x12[CnHmOl+α(n+m/4-l/2)(O2+3.76N2)]=

x1CO+x2CO2+x3O2+x4H2+x5H2O+x6OH+x7H+

x8O+x9NO+x10N2+x11N

(3)

式中x6～x9、x11分別為OH、H、O、NO和N的摩爾分數。

將各種物質的化學反應平衡關系式代入式(2)和式(3)，便可得到其平衡濃度。

1.3 燃燒室幾何模型

在準維燃燒仿真中，須計算不同火焰傳播距離時的火焰前鋒面積、已燃區與未燃區的體積和兩區對燃燒室壁面的傳熱面積，因此必須建立燃燒室幾何模型。本文中按不同燃燒室形狀分為6個子模型，即浴盆形、半球形、楔形、碗形、圓盤形和緊湊型。對常用的這6種形狀燃燒室分別進行積分計算，不僅保證了計算精度，更大大簡化了程序的數據輸入接口，提高了運算速度。

1.4 紊流火焰傳播的分形幾何學模型

汽油機的燃燒過程發生在一隨時間不斷變化的紊流場中，本文中從紊流場的結構出發，建立汽油機的紊流燃燒模型。假設汽油機中紊流的火焰面具有分形幾何上的自相似層次結構，即不同尺寸的標度(特征長度尺度)之間是自相似的。用不同的測量標度來度量火焰前鋒面的面積，隨著標度的減小，火焰前鋒面積變大，這種關系可表示為[7]

uT=uLAT/AL=uL(Lm/Ln)D-2

(4)

式中：uT為紊流火焰速度；uL為層流火焰速度；AT為紊流火焰前鋒面積；AL為按球面傳播的層流火焰前鋒面積；D為火焰面的分形維數。可取Lm為積分長度；Ln為Kolmogorov標度。

這里的關鍵是分形維數D的信息，文獻[8]中提出了如下關系式：

式中u′為紊流強度，可認為它與活塞平均速度Cm成正比。

對于層流火焰速度uL，本文中采用Kuehl的經驗公式[9]：

式中：p為壓力，kPa；Tu、Tb分別為未燃區和已燃區的溫度，K。

2 瞬態工況燃燒仿真程序

根據上述準維燃燒模型，基于工控機設計了汽油機瞬態工況工作過程循環仿真軟件。該軟件按不同的燃燒室結構分為6個模塊共20個子程序組成，每個模塊均可獨立運行，解決了較大型軟件運行時內存復蓋的程序管理問題。程序中用節氣門開度變化率和曲軸角加速度標示瞬態工況，并且考慮了瞬態加速工況下空燃比、充氣、傳熱與機械損失的變化情況。

(1) 空燃比λ由于燃油與空氣的慣性差異使得過渡過程的缸內空燃比相對于穩態工況發生瞬時變化,而且變化的程度正比于節氣門開度的變化和曲軸角加速度。對于多點噴射系統，由試驗結果歸納出以下經驗公式：

(5)

式中：dω/dt為曲軸角加速度，1/s2；dKd/dt為節氣門開度變化率，%/s；下標w表示相應的穩態工況(下同)。

(2) 充氣效率ηv在瞬態工況下,隨著曲軸角加速度增加，充氣效率降低；另一方面由熱力狀態滯后造成的機件平均溫度下降，使得進氣溫度降低，又會提高充氣效率。可以認為，只有在節氣門開度變化的瞬態工況，熱慣性才對充氣效率有較大影響。由此得出下列充氣效率修正公式：

(6)

(3) 傳熱系數α加速工況下燃燒室壁面的傳熱系數大于相應穩態工況，且轉速越高兩者的差異越大；另一方面，加速工況燃燒室壁面的平均溫度卻略低于相應穩態工況。這兩者綜合作用的結果將導致加速工況下燃燒過程的傳熱損失增大。為了簡化，程序中將加速時壁面平均溫度的下降統一考慮到傳熱系數上，歸納出如下的修正公式：

α=(0.8+0.0003n)αw

(7)

式中n為曲軸轉速，r/min。

(4) 機械損失平均壓力pm與相應穩態工況比較，瞬態工況下的機械損失中增加了發動機運動質量引起的慣性損失。這種慣性損失的存在排除了加速過程獲得超過相應穩態工況功率的可能；但當發動機減速運行時，慣性損失的能量又可轉化為功而不耗散。考慮慣性損失時的機械損失平均壓力為

(8)

式中d為缸徑，mm。

3 汽油機瞬態工況仿真和試驗

車用汽油機最常見的瞬態工況是加、減速工況，尤以加速工況更為重要。加速工況有3種：(1)自由加速(轉速、節氣門開度同時變化)；(2)沿速度特性加速(節氣門開度不變)；(3)等速下加載。本文中針對(1)、(2)兩種情況，以某四缸浴盆形燃燒室汽油機為例，利用仿真程序對表1所示外特性加速過程和自由加速過程及其相應穩態工況進行了仿真，并對該四缸汽油機進行了大量臺架試驗，測錄了瞬態過渡過程及其相應穩態工況的連續示功圖。

表1 某四缸汽油機加速過程

如果同一汽油機的穩態工況A與瞬態工況B具有相同的曲軸轉速和節氣門開度，則稱穩態工況A是瞬態工況B的相應穩態工況。圖1為其中的兩個瞬態工況與相應穩態工況的仿真示功圖與實測示功圖比較。由圖可見：無論穩態工況還是瞬態工況，仿真預測值與實驗值均能較好地吻合，壓力曲線的相對誤差均不超過11%，平均指示壓力誤差小于5%，平均有效壓力誤差在8%以內。

與圖1各工況相對應的燃燒放熱率見圖2。圖2給出了燃燒放熱率的仿真與實測值比較曲線，由圖可見，燃燒放熱率的仿真與實測值也吻合較好。

圖3為自由加速過程、外特性加速過程及相應穩態工況的平均指標壓力pi仿真和試驗結果，在各種轉速和負荷時仿真均能很好地反映試驗結果。

4 結論

本文中所建立的準維燃燒模型充分考慮了汽油機燃燒室內紊流流動、燃燒室形狀和瞬態工況對燃燒過程與性能指標的影響。該模型對某四缸汽油機穩態與瞬態工況的仿真結果表明，缸內燃燒壓力、燃燒放熱率和平均指示壓力等指標與實測結果的一致性較好，證實該模型的合理性和有效性。

仿真程序的計算與使用表明，用模塊式程序結構建立的汽油機燃燒室幾何模型使用方便，通用性強，計算速度快，計算精度較高。該幾何模型可用于研究火花塞位置、燃燒室結構尺寸的變化對汽油機燃燒過程及火焰傳播的影響。

燃燒仿真程序具有較完備的輸入、輸出處理功能和良好的運行可視性。經修正的熱力學燃燒模型與汽油機運轉參數和燃燒室參數建立了一定的聯系，具有較高的仿真精度，可用于汽油機的性能分析和本科生、研究生的教學。

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