基于乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)建模的基本點(diǎn)火角

陳智君, 周小康, 游伏兵, 向 拉, 韋曉承

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 武漢 430063；2.斯克萊德大學(xué) a.船體、海洋與輪機(jī)工程系;b.輪機(jī)安全研究中心， 英國 格拉斯哥 G4 0LZ)

以含水乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象[1]，該發(fā)動(dòng)機(jī)在LJ4K18QS雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上加裝乙醇重整器與緩沖罐[2]，其工作模式分為汽油模式和乙醇重整氣模式。在乙醇重整氣模式下，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用含水乙醇裂解后,以具有良好燃燒特性的富氫混合氣與乙醇燃料相混合作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，與汽油相比，可提升燃油的經(jīng)濟(jì)性并改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放。

乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)在汽油模式和重整氣模式下的控制是有區(qū)別的，體現(xiàn)在對(duì)各控制參數(shù)的控制脈譜圖中。本文重點(diǎn)研究是在發(fā)動(dòng)機(jī)乙醇重整氣工作模式下，如何合理設(shè)定工作參數(shù)以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(Engine Control Unit, ECU)中固化的脈譜圖是發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。[3]脈譜圖的確定需要進(jìn)行大量的標(biāo)定試驗(yàn)，基于建模軟件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真和建模，通過模型的計(jì)算預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下的最佳運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù),指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行控制的脈譜圖。點(diǎn)火控制效果的好壞是發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略中影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的直接因素。

本文以發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角控制為例，采用GT-Power進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的建模和仿真，設(shè)置和校準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)汽油模型可使其充分代表發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)重整氣模型。通過發(fā)動(dòng)機(jī)建模對(duì)在重整氣模式下，各工況點(diǎn)的不同點(diǎn)火提前角與空燃比下的運(yùn)行計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，選擇在各工況條件下的最佳空燃比和最佳點(diǎn)火提前角[4]，組成基于轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的點(diǎn)火提前角脈譜圖，對(duì)點(diǎn)火提前角的控制策略進(jìn)行指導(dǎo)。

1 乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)

乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以4缸LJ4K18QS汽油和天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為原型，在進(jìn)氣道加裝乙醇重整氣噴氣閥氣軌，在排氣管后加裝自主研發(fā)設(shè)計(jì)的乙醇重整器與重整氣緩沖罐(見圖1)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

發(fā)動(dòng)機(jī)使用乙醇經(jīng)過重整器在催化劑作用下發(fā)生重整反應(yīng)后的富氫氣體作為燃料，含水乙醇在經(jīng)過重整后可提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，也使發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能得到改善，其工作原理見圖2。

圖2 乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)以汽油模式和乙醇模式等2種狀態(tài)運(yùn)行。在汽油模式下完成啟動(dòng)、暖機(jī)后進(jìn)入工作狀態(tài)后，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路的排溫逐步升高，通過排氣管的廢氣余熱提升與之相連的乙醇重整器的床溫，當(dāng)床溫足夠高后，乙醇進(jìn)入重整器發(fā)生重整反應(yīng)，建立與之相連的緩沖器的壓力，當(dāng)產(chǎn)生足夠的壓力后，ECU由汽油模式切換為乙醇模式。主要測(cè)試設(shè)備包括：江蘇啟測(cè)的Y380測(cè)功器和EMC900測(cè)功監(jiān)控系統(tǒng)；Kistler5015A型電荷放大器和KISTLER7013壓力傳感器。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)建模相關(guān)參數(shù)

LJ4K18QS發(fā)動(dòng)機(jī)采用自然吸氣式進(jìn)氣系統(tǒng)，氣缸內(nèi)的工作介質(zhì)是理想氣體，發(fā)動(dòng)機(jī)建模相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)建模相關(guān)參數(shù)

3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型建立

GT-Power是一種廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)建模和分析的一維仿真軟件。通過一套復(fù)雜的求解器和算法，GT-Power能夠模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程，還可模擬在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)狀態(tài)下各種發(fā)動(dòng)機(jī)類型的操作，是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程模擬的有效工具之一。[5]設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)模型的步驟為

1)選擇組件塊，使其足以表示發(fā)動(dòng)機(jī)布局并建立適當(dāng)?shù)幕ミB。

2)設(shè)置所有模塊的輸入數(shù)據(jù)。對(duì)參考點(diǎn)執(zhí)行模型常數(shù)的初步校準(zhǔn)，并執(zhí)行模擬運(yùn)行。

3)完成模型常數(shù)微調(diào)，獲得所需的精度。

設(shè)置模型所需的輸入數(shù)據(jù)包括:發(fā)動(dòng)機(jī)幾何數(shù)據(jù)、進(jìn)氣閥和排氣閥的升程曲線、發(fā)動(dòng)機(jī)模型常數(shù)(燃燒、傳熱和摩擦)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)(負(fù)載/速度)和環(huán)境條件、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、進(jìn)排氣管道中所含工作介質(zhì)的溫度、壓力和成分等初始條件[6](見圖3)。

圖3 GT-Power環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)模型

4 發(fā)動(dòng)機(jī)模型驗(yàn)證

在模型建立完畢之后，選擇100%負(fù)荷，分析在1 200～4 400 r/min內(nèi)各工況下的模型計(jì)算結(jié)果，并與實(shí)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)相比對(duì)。對(duì)比模型參數(shù)包括:發(fā)動(dòng)機(jī)指示功率、發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率(Indicated Specific Fuel Consumption,ISFC)、最高缸壓與最高缸壓對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角以及在3 200 r/min、100%負(fù)荷下的完整缸壓曲線見圖4。

由圖4可知：模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)機(jī)測(cè)試結(jié)果之間的誤差均在3%以內(nèi)，可驗(yàn)證模型的足夠精度[7]，以用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)行為。

5 構(gòu)建乙醇重整氣模式點(diǎn)火提前角脈譜圖

5.1 乙醇重整氣燃料成分分析和燃燒模型構(gòu)建

進(jìn)入氣缸的重整氣在各工況下的成分是不同的，原因是重整燃料的重整率在各個(gè)工況下不同。重整率[8]為

(1)

重整氣經(jīng)氣液分離器后氣態(tài)組分和含量采用氣相色譜儀GC7900進(jìn)行分析。由臺(tái)架試驗(yàn)所得各工況下乙醇重整氣的成分質(zhì)量百分比見表2。

a)發(fā)動(dòng)機(jī)功率

b)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩

c)發(fā)動(dòng)機(jī)最高缸壓

d)發(fā)動(dòng)機(jī)最高缸壓對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角

e)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率

f)3 200 r/min、100%負(fù)荷缸壓曲線

由于乙醇重整氣的火焰層流燃燒速度低于汽油，因此,需要對(duì)燃燒模型中的層流火焰速度進(jìn)行重新定義。影響乙醇重整氣燃燒速度的各參數(shù)見表3。

表2 各工況下的重整氣成分及比例

表3 重整氣層流燃燒速度參數(shù)

表3中:Bm為最大層流速度；BΦ為層流速度衰減值；Φ為缸內(nèi)當(dāng)量比；Φm為最大轉(zhuǎn)速時(shí)的當(dāng)量比；α為溫度指數(shù)；β為壓力指數(shù)。

5.2 提前角脈譜圖構(gòu)建策略

基于發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下乙醇重整燃料的成分質(zhì)量比，將燃料配比輸入到模型中。觀察將點(diǎn)火提前角以1°CA為間隔，在35°CA～5°CA內(nèi)，比較發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)定的穩(wěn)定工況下,不同點(diǎn)火提前角的有效功率、有效扭矩和油耗率，選擇在功率和扭矩最大、燃?xì)庀穆首钚r(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)值作為此工況下最優(yōu)點(diǎn)火提前角。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇重整燃料需要熱穩(wěn)定狀態(tài)，最適合的應(yīng)用為發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)，本文的模擬工況選取低、中和高速的負(fù)荷特性。首先，在固定的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，找出發(fā)動(dòng)機(jī)在1 200 r/min、2 000 r/min、2 800 r/min、3 600 r/min和4 400 r/min等5個(gè)不同轉(zhuǎn)速下點(diǎn)火提前角的最優(yōu)值;隨著調(diào)節(jié)節(jié)氣門的開度，使發(fā)動(dòng)機(jī)分別處于25%、50%、75%和100%等4個(gè)不同負(fù)荷，以達(dá)到覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)的不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的目的。

計(jì)算結(jié)束后，每個(gè)點(diǎn)都按照轉(zhuǎn)速和負(fù)荷排列，形成一張乙醇重整發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角的脈譜圖，指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)在重整氣模式下的控制策略。

在25%、50%、75%和100%負(fù)荷下，不同點(diǎn)火提前角對(duì)各轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、功率和燃?xì)庀穆实挠绊懙挠?jì)算結(jié)果曲線分別見圖5～圖8。

分析圖5～圖8的計(jì)算結(jié)果，對(duì)扭矩和功率而言，各工況下最佳點(diǎn)火提前角見表4;對(duì)油耗率而言，各工況最佳點(diǎn)火提前角見表5。

由于動(dòng)力性最佳的點(diǎn)火提前角與經(jīng)濟(jì)性最佳的點(diǎn)火提前角非常接近，因此,采用平均的方法，對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮，選擇功率和扭矩最高而燃?xì)庀穆首畹偷狞c(diǎn)火提前角。總結(jié)以上在各工況下的最佳點(diǎn)火角，可得在乙醇重整氣模式下的最佳點(diǎn)火提前角指導(dǎo)脈譜表和脈譜圖分別見表6和圖9。

a)扭矩

b)功率

c)燃?xì)庀穆?/p>

a)扭矩

b)功率

c)燃?xì)庀穆?/p>

a)扭矩

b)功率

c)燃?xì)庀穆?/p>

a)扭矩

b)功率

c)燃?xì)庀穆?/p>

表4 最佳點(diǎn)火提前角脈譜表

表5 最佳點(diǎn)火提前角脈譜表

表6 最佳點(diǎn)火提前角脈譜表

圖9 最佳點(diǎn)火提前角指導(dǎo)脈譜圖

6 結(jié)束語

為使乙醇在重整氣模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略更加完備，通過改變?cè)谝掖贾卣剂舷掳l(fā)動(dòng)機(jī)模型的點(diǎn)火提前角，并基于模型計(jì)算結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的指導(dǎo)選擇各工況的最佳點(diǎn)火提前角，得出1張重整氣模式點(diǎn)火控制的最佳點(diǎn)火提前角脈譜圖。以LJ4K18Q型點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇重整燃料控制策略為指導(dǎo)，ECU根據(jù)此點(diǎn)火角脈譜圖,在發(fā)動(dòng)機(jī)理想狀態(tài)下可獲得最佳的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。由計(jì)算結(jié)果可知:負(fù)荷不變轉(zhuǎn)速增加，點(diǎn)火提前角增大；轉(zhuǎn)速不變負(fù)荷增加，點(diǎn)火提前角減小。