胡亚楠

(辽宁石油化工大学 机械工程学院，抚顺 111003)

乙醇作为一种替代燃料，对缓解能源危机，降低排放污染具有重要的战略意义[1]。由于燃料理化特性的差异，在原有发动机上燃用乙醇汽油，必然影响其最大性能的发挥。如果通过台架试验对发动机性能进行研究，不仅需要较高的费用，而且需要很长的工作时间，借助于数值模拟技术对发动机的工作过程进行模拟计算，对于缩短产品研发周期、提高产品设计质量、降低产品的研发成本等起到事半功倍的效果[2，3]。

本文利用GT-POWER模拟软件，建立发动机燃烧乙醇汽油的工作模型，研究发动机燃烧乙醇汽油时各参数对发动机性能的影响，并对主要影响因素进行灵敏度分析，为发动机的改造或设计提供理论依据。

1 发动机工作模型的建立

所研究的发动机是一台4缸、4冲程、双气门、排量1.595L，压缩比为9.0:1的汽油发动机。图1为利用GT-POWER软件建立的发动机整机工作过程模型[4]。模型的修正及验证工作是通过发动机台架试验完成的，由发动机自动测控系统对发动机全负荷、转速在1000~5500r/min(步长为500r/min)十种工况下发动机的功率、扭矩、油耗、水温、机油压力等参数进行记录。其主要性能指标的实测值与模拟计算结果如图2所示。

从图2不难看出，在整个转速范围内，模拟结果与实测结果之间存在一定的差异，但相对差值比较小，扭矩、功率的相对误差都在5%以内，除了个别计算点外，油耗量和油耗率的相对误差大多也在5%以内，而且在整个转速范围内模拟结果与试验实测结果之间的变化规律基本一致。而且在整个转速范围内模拟计算结果与试验实测结果之间的变化规律基本一致。因此，可以应用该模型对发动机的工作过程进行研究。

图1 发动机燃烧乙醇汽油工作过程模型Fig.1 Model of engine fueled with ethanol-gasoline

图2 试验结果与模拟结果比较Fig.2 Comparison of the experiment results with the simulation results

2 发动机性能影响因素分析

为了确定单一参数对发动机燃烧乙醇汽油时性能的影响，以3500r/min为例，在满负荷情况下对发动机工作过程中的点火提前角、进气门迟闭角、空燃比进行变参数模拟计算，而在改变上述参数的过程中，模型的其他参数保持原来的设置不变。在对模拟计算结果进行说明的过程中，以压缩冲程的上止点作为0℃A，上止点之前的曲轴转角取值为负，之后取值为正。

为了确定发动机获得最大扭矩时所对应的参数值，在参数的合理变化范围内通过增大或降低参数的值进行模拟计算，然后将不同参数值下的计算结果进行比较，最大扭矩对应的参数值即为所研究参数在该工况下的最佳值，其计算流程如图3所示。

图3 获取最佳参数值流程图Fig.3 Flow chat to obtain the optimum value

2.1 点火提前角对发动机性能的影响

点火提前角对发动机性能的影响如图4所示，从图中可以看出，对于发动机每一工况都存在一个最佳的点火提前角，使发动机的扭矩最大，燃油消耗率最低。当发动机转速为3500r/min时燃用乙醇汽油，点火提前角为16℃A时发动机的扭矩达到最大，最大值为130.252N.m。同样也存在一个点火提前角使得燃油消耗率最低，燃油消耗率最低时所对应的点火提前角为18℃A。

图4 发动机性能与点火提前角关系Fig.4 Relationship between engine performance and spark angle

2.2 进气门迟闭角对发动机性能的影响

对2500r/min和3500r/min两种转速下的进气迟闭角进行了模拟计算，结果如图5~图8所示。从计算结果可以看出，在同一转速下，不同的进气迟闭角所对应的扭矩、燃油消耗率是不同的。在进气迟闭角的变化范围内，发动机的扭矩呈现先增大后减小的趋势，而燃油消耗率则呈先减小后增大的趋势。

比较2500r/min和3500r/min两种转速下的计算结果可以看出，不同的转速对应的最佳进气迟闭角是不同的，转速高时，获得最大扭矩时所对应的进气迟闭角也大。这是因为气体的流动惯性与发动机转速成正比，当发动机转速较高时，气体惯性比较大，适当增大进气迟闭角可以利用气体惯性增加进气量，提高充气效率；而当发动机处于低转速时，气体的流动惯性小，较大的进气迟闭角会使气体由于惯性不足，而使一部分气体被推回进气管，使充气系数减小。因而，要强化发动机，提高转速，加大输出功率，应适当加大进气迟闭角，如果要加大低速扭矩，提高爬坡及低速时的加速能力，应适当减小进气迟闭角。

图5 2500r/min时扭矩与进气迟闭角关系Fig.5 Relationship between torque and intake valve close angle at 2500r/min

图6 2500r/min时燃油消耗率与进气迟闭角关系Fig.6 Relationship between fuel consumption and intake valve close angle at 2500r/min

图7 3500r/min时扭矩与进气迟闭角关系Fig.7 Relationship between torque and intake valve close angle at 3500r/min

图8 3500r/min时燃油消耗率与进气迟闭角关系Fig.8 Relationship between fuel consumption and intake valve close angle at 3500r/min

图9 发动机扭矩与空燃比的关系Fig.9 Relationship between torque and air-fuel ratio

图10 燃油经济性与空燃比的关系Fig.10 Relationship between fuel consumption and air-fuel ratio

根据计算结果，发动机燃烧乙醇汽油混合燃料时，在2500r/min和3500r/min两种转速下发动机扭矩达到最大值时的进气门关闭角分别为-154℃A和-140℃A，即进气迟闭角分别为 26℃A 和 40℃A，对应的最大扭矩分别为124.177 N.m和127.789 N.m。

2.3 空燃比对发动机性能的影响

本文计算了发动机3500r/min转速下空燃比对发动机性能的影响，如图9、图10所示，从图中可以看出，在空燃比的变化范围内，发动机的动力性、经济性都存在最佳值，但是各种指标达到最佳时所对应的空燃比是不同的，因而在实际应用中应根据发动机的实际工况及具体要求确定空燃比。

通过对计算结果的对比，可以确定发动机燃烧乙醇汽油时获得最大扭矩所对应的空燃比为13.6，略小于其理论空燃比13.9，此时对应的最大扭矩为127.796N.m；最低的燃油消耗率则在空燃比为15.2时获得，最低值为296.8g/KW.h。

3 发动机工作过程的多参数模拟优化

以发动机的主要影响参数，即点火提前角、进气门迟闭角和空燃比作为寻优变量，以发动机最大扭矩为目标函数，确定这些参数耦合作用下发动机的最佳性能。

以发动机3500r/min下的运行工况进行多参数优化研究。本次优化计算共进行了132次循环，优化计算的迭代收敛过程如图11所示，从图可以看出，寻优变量的不同组合对发动机的扭矩有很大的影响，随着迭代计算的进行，扭矩逐渐趋于最大值。在参数的变化范围内，扭矩的最低值 118.42 N.m，最大值为130.497N.m。

图11 优化计算的迭代过程Fig.11 Iterative process of optimization calculations

通过模拟计算得到的发动机燃烧乙醇汽油获得最大扭矩时对应的点火提前角为-16℃A，进气迟闭角为40℃A，空燃比为13.25，此时对应的发动机最大扭矩为130.497N.m。相对于优化前3500r/min时的扭矩127.792 N.m提高了2.1%。

图12 寻优变量对扭矩的灵敏度分析Fig.12 Sensitivity analysis of optimum variables on torque

发动机的工作过程及其复杂，各参数对发动机性能的影响具有不确定性，因而灵敏度分析就显得尤为重要。通过灵敏度分析，可以确定影响发动机性能的关键参数。对点火提前角、进气门迟闭角和空燃比三个参数进行灵敏度计算，结果如图12所示。

根据计算结果可以看出，在点火提前角、进气门迟闭角和空燃比三个参数的变化范围内，空燃比的灵敏度最大，即空燃比的变化对发动机扭矩的影响程度大于点火提前角和进气迟闭角。

在单参数的优化计算过程中，3500r/min运行工况下，其它参数不变，发动机扭矩达到最大值时所对应的点火提前角为-16℃A，进气迟闭角为 40℃A，空燃比为13.6。而在多参数优化计算过程中，扭矩达到最大值时所对应的点火提前角为-16℃A，进气迟闭角 40℃A，空燃比13.25，这进一步说明了在三个参数中，空燃比为影响发动机工作性能的关键参数。

4 结论

本文建立了发动机燃烧乙醇汽油的工作模型，对发动机的工作过程进行模拟计算。通过发动机工作过程的单参数计算，阐述了点火提前角、进气门迟闭角及空燃比对发动机性能的影响，确定在特定工况下燃烧乙醇汽油，发动机扭矩达到最大值时所对应的参数值。

通过多参数优化计算，确定在3500r/min工况条件下，发动机获得最大扭矩时对应的参数值；参数灵敏度分析结果表明，在三个参数的优化过程中，空燃比对发动机扭矩的影响最大。

[1]杜志良，申江华，朱自航．车用乙醇汽油实验研究[J]．汽车科技，2003(1)：6-9．

[2]Hakan Bayraktar.Experimental and theoretical investigation of using gasoline-ethanol blends in spark-ignition engines[J].Renewable Energy，2005，30：1733-1747.

[3]金福祥，张武高，周校平，等．乙醇燃料的研究发展与应用[J]．柴油机，2002(5)：44-46．

[4]Gamma TechnologiesE．GT-Power User's Manual and Tutorial．Version 6.1，2000.

[5]赵志，宋文艳，曹玉吉.双台阶超燃冲压发动机燃烧室流场数值模拟[J].长春理工大学学报，2006，29(1)：105-108.