M15 發(fā)動機性能模擬研究

高啟明，周斌

( 西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

0 引言

從20 世紀70 年代起，世界各工業(yè)國家都明顯地預感到石油燃料終將枯竭。在長期對內(nèi)燃機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)便利性受到各國學者的青睞。純甲醇具有很高的腐蝕性和較強的揮發(fā)性能，在不改變現(xiàn)有發(fā)動機結(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)動機上使用，其熱效率、動力性、啟動性、經(jīng)濟性良好，具有降低排放、節(jié)省石油、安全方便等特點。但因為甲醇自身具有較高的氣化潛熱值及較快的燃燒速度特點，導致混合燃料與原發(fā)動機相關(guān)參數(shù)不匹配，其中點火提前角就是一個受影響的重要參數(shù)，點火提前角過大或過小都會對發(fā)動機動力性產(chǎn)生很大影響。文中從混合燃料特性改變上分析，利用GTPower 軟件對某4 缸VVT 汽油機使用M15 (含有15%甲醇的汽油) 時某工況下的工作過程進行仿真研究，通過調(diào)整點火提前角達到提高其動力性的目的。

1 發(fā)動機模型的建立

作者利用GT-Power 軟件對某4 缸VVT 發(fā)動機進行建模。建立的發(fā)動機模型主要由進氣系統(tǒng)、氣缸、排氣系統(tǒng)三部分組成。建立的模型見圖1。發(fā)動機主要性能參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機主要性能參數(shù)

2 模型的驗證

輸入發(fā)動機的技術(shù)參數(shù)到所建立的模型中，運行程序可得到轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時發(fā)動機氣缸內(nèi)最高壓力、平均有效壓力、機械效率等結(jié)果，通過與現(xiàn)有的實驗結(jié)果進行比對分析，來驗證模型的可用性。模型結(jié)果與實驗結(jié)果的對比見表2。

由表2 可以看出，根據(jù)建立的模型計算得出的各目標值與實驗值誤差均在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)動機動力性能指標(平均指示壓力、功率、扭矩及最大扭矩) 見表3。

表3 優(yōu)化前動力性能指標比較

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

3 點火提前角的調(diào)整

3.1 點火提前角度調(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，可縮短點火提前時間。

(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，可適當縮短點火提前時間。

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

3.2 各點火提前角下的動力性能指標比較

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

同時得到不同點火提前角下，發(fā)動機平均壓力、平均功率及平均扭矩的大小，見表4。

表4 各提前角下動力性能指標對比

通過P-v 圖、扭矩圖以及表4，可以得出： 在不改變原汽油機的結(jié)構(gòu)下，通過調(diào)節(jié)點火提前角可以提高發(fā)動機的功率與扭矩; 在-18.5 ～-13 ℃A 內(nèi)，點火提前角調(diào)整到-15 ℃A 左右可以得到最高的動力性能，與優(yōu)化前相比得到表5。

表5 優(yōu)化前后動力性能指標比較

通過表2 與表5 的比較可以看出： 發(fā)動機使用M15，通過改變點火提前角，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)動機的動力性能，使發(fā)動機燃用M15 與純汽油時的動力性指標接近，其中最大扭矩較原汽油機有了很大提高。

4 結(jié)論

利用專業(yè)發(fā)動機模擬仿真軟件GT-Power，對某VVT 發(fā)動機進行建模，分析研究其使用M15 后動力性能變化，并分析點火提前角對其動力性能的影響，得到以下結(jié)論：

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

(2) 發(fā)動機使用M15 后，可以通過調(diào)節(jié)點火提前角，使汽油機動力性能得到提高。

【1】何學良.內(nèi)燃機燃料［M］.北京：中國石化出版社，1999.

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

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

【4】LIU Shenghua. Measurement of Non-regulated Pollutants Form SI Engine Fueled with Gasoline Methanol Blends［C］//7th Sino-Korea Intl Conference on ICE Engineering，Hangzhou，2005.

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