FSAE賽車發動機燃油經濟性改善的仿真與試驗

吳新燁,羅樹友,黃紅武

(1.廈門大學建筑與土木工程學院,2.廈門大學物理與機電工程學院,福建廈門361005)

FSAE賽車發動機燃油經濟性改善的仿真與試驗

吳新燁1*,羅樹友2,黃紅武2

(1.廈門大學建筑與土木工程學院,2.廈門大學物理與機電工程學院,福建廈門361005)

FSAE比賽要求賽車發動機氣缸的進氣都必須安裝限制器,但進氣量限制器降低了發動機最大的進氣量和燃料的燃燒速率,造成了進氣管內的壓力損失,從而導致賽車的實際油耗相對增加.以單缸四沖程賽車發動機為研究對象,利用AVL BOOST分析軟件對所建立的FSAE賽車發動機模型進行仿真,分析限制器造成的進氣管內的壓力損失以及對發動機功率、充氣效率和燃油消耗的影響,根據分析結果結合電噴系統的特點建立了進氣量修正方案.最后通過對發動機噴油脈寬的檢測,驗證了進氣量修正控制單元滿足設計要求,從而達到了降低油耗、提高賽車的競爭力的目的.

FSAE;燃油經濟性;限制器;控制單元

出于比賽安全性考慮,FSAE賽事要求在進氣系統的節氣門與發動機之間安裝一個單獨的圓形的限制器,并且規定所有發動機的進氣都必須通過此限制器,目的是為了限制發動機最大輸出功率[1].比賽規定汽油燃料和E-85燃料賽車限制器最大直徑分別為20和19 mm.在任何情況下圓形限制器界面不可移動,如果使用了多缸發動機,所有氣缸的進氣都必須流經這個限制器.另外,對于具有增壓器的發動機,限制器必須安裝在增壓器上游[1].而燃油經濟性是FSAE的一個重要指標,一般用燃油消耗量或油里程表示,因而降低賽車燃油消耗也成為重要的研究課題.目前對于限制器的研究,有的側重于限制器的建模,從而提供一個流量與壓降的較準確關系[2-3];也有的針對限制器的形狀及最優安裝位置[4-5];另外還有研究限制器對賽車發動機相關性能的影響[6].本文將系統地從限制器對發動機性能的影響以及進氣修正單元的設計,最后進行相關試驗進行驗證,從而達到提高本賽車的競爭力.

1 限制器對發動機性能的影響分析

進氣量限制器引起了發動機進氣管內壓力損失,使得電噴系統對進氣量測量的精度下降,從而影響了噴油和空燃比的控制精度.下面將利用AVL BOOST軟件對所建立的賽車發動機模型進行一維循環模擬計算,分析限制器對發動機性能的影響,為建立進氣量修正方案提供依據.

1.1 BOOST缸內工作過程

內燃機氣缸內的工作過程是很復雜的,它包含了物理、化學、流動、傳熱等綜合過程[7].為了描述氣缸內的狀態變化,BOOST視氣缸為一個傳熱系統,系統的邊界由活塞頂、氣缸蓋及氣缸套諸壁組成.系統內的工作狀態由壓力P、溫度T、質量m這3個基本參數所確定.為了比較精確且方便地模擬缸內熱力交換的過程作如下假設[8]:

1)在燃燒開始時,混合氣體是均勻的;

2)在燃燒期間,空燃比是定值;

3)雖然未燃氣體與已燃氣體的組成成分不同,但有相同的壓力和溫度.

根據以上假設,氣體狀態基本參數(P,T,m)可以用能量守恒、質量守恒方程及狀態方程把整個工作過程聯系在一起,并可以利用這3個方程聯合求解基本狀態參數[9-11].

1.2 管道內工作過程

發動機的工作過程是間隙性和周期性地進行的,在進排氣系統中的氣體也是非定常流動的.一維模型考慮了沿管長方向上壓力波傳遞的時間的影響,認為管內壓力波的傳遞不但隨時間變化,而且在同一時刻,沿管長方向不同位置壓力波動也是不同的,即管中的氣體壓力P不僅是時間的函數,也是位置的函數[12].為了比較精確且簡便地模擬計算管道內的流動,BOOST模擬作如下假設:

1)由于管道軸向的幾何尺寸比徑向幾何尺寸大得多,管道內軸向流動效應比徑向流動效應大得多,因此忽略氣體徑向流動效應,假設管道內流動是一維的,對于每個流動參量都理解為在相應管道界面上該流動參量的平均值.

2)管內流動是不定常的,每一個流動參量都是橫向坐標與時間的函數,氣體所流經的管道的截面積變化比較緩慢的,而且管壁是剛性的.

3)考慮到管壁的摩擦和熱傳導,為了簡化仍用一維流動模型,但流動過程是非等熵的;管道內的氣體是完全氣體,并不計重力.

1.3 賽車發動機分析模型的建立

1.3.1 模型的建立

賽車發動機選用的是單缸水冷四沖程汽油機,其缸徑94 mm,行程85 mm,壓縮比為9.7∶1,排氣量589.9 cm3.發動機的三維實體模型如圖1所示.

圖1 發動機三維實體模型Fig.1 Three-dimensional entity model on engine

圖2 為賽車發動機BOOST循環模擬模型.其中發動機吸氣是從周圍大氣SB1,通過管1進入空氣濾清器CL1,管道2與管道3連接空氣濾清器與噴油嘴,管道13為Φ20 mm限制器連接管道4進氣管,管道6連接排氣管5與三元催化器,消聲器是由3個氣流回轉腔PL1、PL2、PL3以及管道8、9、11組成,最后廢氣由位于邊界系統SB2的管道10排出.

圖2 FSAE賽車發動機BOOST循環模擬模型Fig.2 BOOST cycle simulation model on FSAE car engine

1.3.2 參數輸入

發動機循環模擬分析模型建立后,關鍵是選擇模型的參數,因為合理的參數可以使模擬結果更精確.具體參數包括如下幾個方面:

1)邊界條件.在此模型中,系統邊界條件就是進氣管與排氣管端的邊界(圖2中的SB1和SB2).它需要輸入的參數主要包括壓力、溫度、流量系數和空燃比A/F等.

2)管道.進、排氣系統的模型主要由形狀及尺寸不同的管道構成,循環模擬模型中管道中的流動按一維模式進行處理,每個管道均通過管徑、長度、彎曲角度和摩擦系數等參數進行描述.

3)空氣濾清器.空氣濾清器對氣體動力學性能的影響由其幾何尺寸和進出口的壓降決定.空氣濾清器需要輸入的參數包括空氣濾清器的體積、進口收集腔體積、出口收集腔的體積、過濾器長度、質量流量、目標壓損、入口壓力、溫度和流體系數等.

4)噴油器.噴油器向進氣管道噴射霧化燃料,霧化的燃料與空氣形成可燃的氣體.在BOOST中,噴油器是通過流體系數、空燃比、噴射方式和空氣流量的測量點等參數描述的.

5)限流閥.限流閥模型是用于描述在管道內某些特定的地方壓力損失,它由連接管的流量系數來描述.

6)氣缸.描述氣缸的結構主要參數包括缸徑、沖程、壓縮比、連桿長度、活塞銷偏移量、活塞表面積、氣缸頭的表面積、氣缸套的表面積、進氣門間隙、排氣門間隙、進氣門座直徑、配氣門做直徑、氣門正時參考值等.

氣缸內燃料的燃燒是一個復雜的化學過程,它受很多參數影響.BOOST中通過韋伯函數來描述氣缸的燃燒.本文采用半經驗公式的單韋伯模型,它是針對汽油機近似均勻混合氣的情況下,結合大量的試驗數據以反應動力學推導的半經驗公式,應用在單杠四沖程的FSAE賽車發動機比較符合.韋伯函數由燃燒起始角、燃燒持續周期、形狀參數和燃燒程度參數來描述.

1.4 仿真結果分析

1.4.1 限制器對發動機功率輸出的影響

通過對所建模型仿真分析發現,在進氣管內安裝Φ20 mm限制器后,發動機的性能受到很大的影響,并且這種影響隨著發動機轉速的增加更加明顯.圖3所示為安裝限制器前后發動機功率隨轉速變化的對比,在轉速比較低的情況下(低于3 000 r/min),發動機功率受限制器的影響不甚明顯,基本與安裝前的發動機功率的變化曲線相一致,但當發動機轉速超過3 000 r/min,發動機的功率受限制器的影響逐漸明顯,并在轉速3 500 r/min時達到最大值.發動機最大功率比安裝限制器之前降低了21%.

圖3 功率-轉速對比曲線Fig.3 Contrast between power and speed

與發動機功率一樣,發動機輸出扭矩也受到限制器很大影響.發動機轉速在5 000 r/min時,在一個循環周期內,峰值扭矩下降了近20%.發動機轉速5 000 r/min時,扭矩隨曲軸轉角的變化如圖4.

1.4.2 進氣壓力損失與充氣效率的變化

對比安裝限制器前后進氣管內進氣壓力傳感器處(進氣壓力傳感器安裝在節氣門之后,限制器和噴油器上游,電噴系統以此處的進氣壓力作為計算進氣量的依據)壓力變化發現,在安裝限制器之后,此處氣體壓力在低于轉速3 000 r/min時,基本與未安裝限制器前變化一致,但隨著轉速的增加,變化逐漸趨緩(如圖5所示),且氣壓值高于安裝限制器前的氣壓值,它們氣壓值之差也隨著轉速的增加,氣壓值之差最大值約3 k Pa.

圖4 轉速5 000 r/min時扭矩隨曲軸轉角的變化Fig.4 Torque change with crank angle at 5 000 r/min

圖5 進氣壓力傳感器處壓力隨轉速的變化Fig.5 Air intake pressure change with revolution

進氣門處混合氣體壓力的變化與發動機每一循環混合氣體的吸入量有著密切的關系.圖6所示為安裝限制器前后進氣門處壓力隨轉速變化的對比.由圖上可以看出未安裝限制器時,進氣門處混合氣體壓力的變化與進氣壓力傳感器處變化基本一致;安裝限制器之后,進氣門處的壓力一定程度上降低,并且安裝限制器前、后進氣門處的壓力之差隨著轉速的增加逐漸增大,在轉速7 000 r/min時差值達到約5.8 kPa.

圖6 進氣門處壓力隨轉速的變化Fig.6 Pressure change in inlet valve with revolution

充氣效率表示發動機氣缸每次循環實際吸入氣缸的新鮮空氣的質量與進氣狀態下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣的質量的比值,它是衡量發動機動力性能和進氣過程完善程度的重要指標.由于進氣管安裝進氣量限制器,該處的通過面積變小,且截面變化很大,造成了很大的流動損失,從而也導致了發動機充氣效率下降.充氣效率變化曲線如圖7所示,在最大轉速處充氣效率比未安裝限制器下降30%左右,發動機的性能受到嚴重的影響.

圖7 充氣效率變化曲線Fig.7 Intake efficiency change

1.4.3 限制器對燃油消耗的影響

安裝進氣量限制器后,將會對燃油消耗產生如下影響:

1)由于充氣效率下降,發動機單位時間內燃燒的空氣的質量下降,如圖8所示.

圖8 單位時間內空氣燃燒質量變化Fig.8 Combustion quality change per unit time

2)單位時間內燃油燃燒質量下降,但是通過對噴油脈寬的檢測發現,實際的噴油量卻略有增加,從而發動機有效燃燒效率(BSFC,它表示發動機每輸出1 k W·h的有效功所消耗的燃油量)升高.安裝限制器前后有效燃油消耗率變化如圖9所示.

由圖9可知,發動機有效燃油消耗率升高,燃油經濟性下降.這一方面是由于進氣質量的減少,燃料燃燒不充分導致,另一方面限制器上游進氣壓力傳感器處的壓力升高,而電噴系統以此處壓力作為進氣量計算的依據,必然導致計算的進氣量比實際的進氣量高,在一定空燃比要求下,燃油噴射“過量”從而加劇了燃油經濟性的下降.

圖9 有效燃油消耗率的變化Fig.9 Change of effective fuel consumption rate

2 進氣量修正方案

2.1 發動機電噴系統調整的途徑

針對賽車發動機電噴系統測量的進氣量高于實際的進氣量,從而造成一定程度的噴油“過量”的問題,本文擬通過對電噴系統進氣測量部分適當地調整,對進氣量的測量進行修正.目前電噴系統調整的途徑主要有以下3種:

1)通過轉存程序芯片修改電控單元;

2)利用外部可調式的控制單元;

3)使用專業級的電控單元.

針對FSAE賽車發動機電噴系統的特點以及賽事的比賽規則對于成本的要求(按比賽規則計算整車成本不大于25 000美元),本文擬通過設計控制單元,改變進氣溫度傳感器信號,實現對電噴系統進氣量的修正,進而降低噴油量,調高燃油的經濟性.

2.2 進氣量修正方案的建立

通過對FSAE賽車電噴系統的分析,與進氣量測量密切相關的傳感器主要有進氣壓力傳感器、進氣溫度傳感器、曲軸位置傳感器以及節氣門位置傳感器.本文采用修改進氣溫度傳感器信號,達到修正進氣量的目的.進氣溫度傳感器是電阻式傳感器,因此可以通過外接電路改變其信號的阻值,達到修正溫度的阻值.而溫度補償傳感器阻值可以參考表1通過非線性插值取得.由于進氣溫度傳感器具有負溫度系數特性,因此可以通過并聯不同阻值的電位器實現不同轉速下阻值改變.

表1 進氣溫度傳感器溫度阻值表Tab.1 Temperature resistance of air inflow temperature sensor

2.3 進氣量修正控制單元設計框圖

為了對FSAE發動機電噴系統進氣量進行實時修正,需要設計與現有的電控系統匹配的控制單元.控制單元硬件電路要求可靠性高,且不影響原有的系統正常工作;軟件設計要求足夠的控制精度,且具有一定抗干擾能力.

控制單元的硬件電路設計包括單片機系統的電路設計、轉速信號采集電路的設計,以及驅動電路設計.根據第2.2節所描述的建立的補償控制方案的要求,確定硬件電路的總體方案,控制系統組成如圖10所示.

圖10 進氣量修正控制單元框圖Fig.10 The control unit diagram of air inflow correction

3 試 驗

3.1 試驗設備

為了驗證進氣量修正控制單元是否滿足設計要求,本文對其與發動機進行了試驗測試.試驗設備包括FSAE賽車電噴發動機、進氣量修正控制單元和泰克TDS1002示波器.

3.2 試驗結果

在分析噴油控制信號脈沖寬度和燃油消耗量的關系的基礎上,可以知道:噴油控制信號脈沖寬度直接反映了燃油消耗量的變化,因此可以通過測量噴油脈寬來檢測燃油消耗的變化.試驗中噴油控制信號如圖11中所示.

圖11 噴油控制信號Fig.11 Fuel injection control signals

在試驗中,進氣量修正控制單元的輸出信號線,與電噴系統溫度傳感器信號線并聯.試驗過程中,進氣量修正控制單元配合原有的電控系統可以穩定地工作.表2是噴油脈沖寬度的測量數據,其中t1為未安裝限制器時的噴油脈寬,t2為安裝限制器且無進氣量修正的噴油脈寬,t3為安裝限制器并有進氣補償的噴油脈寬.

表2 噴油信號測試結果Tab.2 Test results on injection signal

從表2中可以看出,通過對進氣量的修正,賽車發動機噴油控制信號脈沖寬度得到了有效降低.進氣量修正控制單元在一定程度上降低了燃油消耗量,提高了賽車的燃油經濟性.

4 結 論

本文基于BOOST發動機循環模擬的理論,建立了FSAE賽車發動機一維循環模擬的分析模型;并在此基礎上分析了引入限制器對發動機的影響.根據仿真分析結果,結合賽車電噴系統的特點,建立了利用改變溫度傳感器信號進行進氣量修正的方案,對基于賽事規則安裝的Φ20 mm限制器的影響進行了分析,通過分析發動機電控噴油系統建立改變進氣溫度傳感器信號實現進氣量修正的方案,并通過發動機匹配測試,檢測噴油信號的變化驗證補償方案的可行性;從而最終達到了降低油耗、提高賽車競爭力的目的.

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Simulation and Experiment Research on Improving Fuel Economy of Engine for FSAE

WU Xin-ye1*,LUO Shu-you2,HUANG Hong-wu2
(1.School of Architecture and Civil Engineering,Xiamen University, 2.School of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

:In order to limit the maximum output power of formula society of automotive engineers(FSAE)car′s engine,a single circular restrictor is required to be installed at the engine.But the restrictor lowers the air flow speed and fuel burning rate,and the pressure of intake pipe declines.In this paper,the four-stroke engine of the FSAE car was investigated.We analyze the influence of intake restrictor on engine power,intake pipe′s pressure,volumetric efficiency and fuel consumption.One-dimensional engine cycle will be simulated by using AVL BOOST.Intake quantity correction was designed based on the characteristics of electronic fuel injection(EFI)system and analysis results.According to pulse width of driving signal for injecting fuel,the performance of FSAE car′s engine was improved by intake quantity correction of the control unit.Fuel consumption decreases,and fuel economical efficiency is improved.This research has provided an alternative method in order to improve the competitiveness of FSAE car with practical significance.

FSAE;fuel economic;restrictor;control unit

U 464.12

A

0438-0479(2015)03-0422-06

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.03.023

2013-12-11 錄用日期:2014-12-04

國家自然科學基金(51305372);國家公派出國留學項目(201306315012)

*通信作者:wuxinye@xmu.edu.cn

吳新燁,羅樹友,黃紅武.FSAE賽車發動機燃油經濟性改善的仿真與試驗[J].廈門大學學報:自然科學版,2015,54

(3):422-427.

:Wu Xinye,Luo Shuyou,Huang Hongwu.Simulation and experiment research on improving fuel economy of engine for FSAE[J].Journal of Xiamen University:Natural Science,2015,54(3):422-427.(in Chinese)