車用甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化研究

杜丹豐，高富新

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引言

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車保有量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020 年底汽車保有量達(dá)2.81億輛［1］。根據(jù)有關(guān)預(yù)測(cè)，2031 年汽車保有量將達(dá)到3.5 億輛［2］。鑒于能源短缺、環(huán)境污染問題一直是內(nèi)燃機(jī)研究的工作重點(diǎn)，汽車替代燃料的研究具有重大意義。Turner 等［3］介紹了甲醇燃料的優(yōu)勢(shì)，討論了空燃比對(duì)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，發(fā)現(xiàn)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與甲醇燃料的比例密切相關(guān)。Vancoillie 等［4-7］研究在不同轉(zhuǎn)速下，改變汽油機(jī)的負(fù)荷、壓縮比，純甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，發(fā)現(xiàn)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到一定的改善。Wang 等［8］研究了甲醇柴油機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，結(jié)果表明:發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷下熱效率得到提高。甲醇是一種高效清潔的內(nèi)燃機(jī)替代燃料。甲醇具有來源廣泛、易制取和成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以用化石燃料(合成氣、天然氣、煤等)、甲酸甲酯和生物質(zhì)(包括纖維素)來生產(chǎn)，還可以用CO2加氫生產(chǎn)及CH4轉(zhuǎn)換成甲醇等方法生產(chǎn)［9］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)車用甲醇的研究大多數(shù)集中在轎車和船用發(fā)動(dòng)機(jī)上，而單缸發(fā)動(dòng)機(jī)由于自身扭矩和功率較小等原因，未得到重視。日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和經(jīng)濟(jì)誘導(dǎo)可能會(huì)提供一種激勵(lì)，促使人們重新考慮將甲醇作為發(fā)動(dòng)機(jī)的替代燃料。針對(duì)上述問題，以數(shù)值計(jì)算為主，結(jié)合理論分析，依托GT-Power 仿真軟件，基于樣機(jī)參數(shù)建立單缸發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，對(duì)燃燒甲醇的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比和空燃比進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiment，DOE)優(yōu)化。

1 甲醇燃料的性能

1.1 甲醇的理化參數(shù)

甲醇的理化參數(shù)如表1 所示。

表1 甲醇的理化參數(shù)

1.2 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性分析

1.2.1 混合氣熱值

決定發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的是混合氣熱值，而不是燃料的低熱值。對(duì)于汽油和甲醇來說，由于S 和氣體組分不多，可以視為只有C、H 和O。如以gC、gH和gO分別表示每千克燃料中碳、氫和氧的質(zhì)量成分，則認(rèn)為gC+gH+gO=1。

汽油的平均質(zhì)量成分:

gC=0.855;gH=0.145;gO=0.000

甲醇的平均質(zhì)量成分:

gC=0.375;gH=0.125;gO=0.500

如1 kg 燃料中含氧量為gO，則每千克燃料完全燃燒時(shí)需要的理論氧氣量為

燃料所需的氧氣來自空氣，以質(zhì)量成分計(jì)，空氣中氧氣占23%，氮?dú)庹?7%;1 kg 燃油完全燃燒，則需要的理論空氣量計(jì)算公式為:

將平均質(zhì)量成分代入式(2)可得，汽油的理論空氣量為14.7 kg，甲醇的理論空氣量為6.45 kg。

燃料的單位質(zhì)量混合氣的熱值Hukg為:

式中:SR 為理論空燃比;Hukg為單位質(zhì)量混合氣的熱值，MJ/kg;Q 為所用燃料的低熱值，MJ/kg，汽油和甲醇的各自的低熱值分別為44.5 MJ/kg 和19.7 MJ/kg。

將汽油與甲醇理論空燃比和低熱值代入式(3)中可得汽油的混合氣熱值2.99 MJ/kg，甲醇的混合氣熱值3.01 MJ/kg，可見甲醇混合氣與汽油混合氣熱值相當(dāng)。

1.2.2 壓縮比

對(duì)于單缸發(fā)動(dòng)機(jī)來說，壓縮比過大會(huì)引起熱負(fù)荷過大，增加機(jī)械負(fù)荷和噪聲，導(dǎo)致動(dòng)力性下降。由于甲醇抗爆性好，可以適當(dāng)提高甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，但大幅度提高壓縮比也會(huì)發(fā)生爆震，甚至對(duì)缸內(nèi)的活塞造成嚴(yán)重傷害［10］。發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和扭矩隨著壓縮比的提高而提高。發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率計(jì)算公式如下:

式中:ηe為有效熱效率;ηi為指示熱效率;ηm為機(jī)械效率;ε 為發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比;κ 為絕熱指數(shù)。

由式(4)和(5)可以看出:對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而言，機(jī)械效率和指示熱效率共同影響有效熱效率。在理想的情況下，壓縮比和絕熱指數(shù)共同決定發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率。燃油經(jīng)濟(jì)性隨著壓縮比的提高而得到改善，并且缸內(nèi)平均有效壓力也得到了增加，進(jìn)而發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到了改善。

1.3 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性分析

采用燃油消耗率與熱效率2 個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性。把M100 燃油消耗率轉(zhuǎn)換成燃料的當(dāng)量熱值，將燃油消耗率與汽油進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。具體計(jì)算方法如下:

式中:Mbe為甲醇的當(dāng)量燃油消耗率;bme為甲醇的有效燃油消耗率;Hmμ為甲醇的低熱值，MJ/kg;Hμ為汽油的低熱值，MJ/kg;ηet為有效熱效率。

由式(6)可以看出:在與汽油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比時(shí)，甲醇當(dāng)量燃油熱值消耗率是由甲醇燃料消耗率、低熱值和汽油低熱值共同決定的。從式(7)中可以看出:發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率由燃料本身的低熱值和燃油消耗率共同決定，對(duì)于甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，甲醇燃料熱值一定，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率隨著燃油消耗率降低而升高。

2 單缸發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真的建立與驗(yàn)證

2.1 模型的建立

以一臺(tái)由單缸汽油機(jī)改造而成的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，通過一維CFD 模擬軟件GT-POWER 建立了計(jì)算模型。該軟件能夠模擬各種實(shí)際運(yùn)行工況，并能快速優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低試驗(yàn)設(shè)計(jì)與成本［11-12］。在建立模型時(shí)，由于不是對(duì)進(jìn)氣、熱傳導(dǎo)、排氣以及噪聲進(jìn)行研究，所以對(duì)局部某些復(fù)雜管道和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理［13］。模型中使用純甲醇燃料庫。其主要參數(shù)見表2。

表2 某單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)

利用GT-POWER 模擬仿真軟件搭建單缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型，如圖1 所示。

圖1 單缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型示意圖

2.2 原機(jī)模型的驗(yàn)證

通過對(duì)模型多次校正，將樣機(jī)外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)與WH-125 仿真模型仿真外特性數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2—4 所示。

圖2 扭矩仿真值與試驗(yàn)值曲線

圖3 功率仿真值與試驗(yàn)值曲線

圖4 燃油消耗率仿真值與試驗(yàn)值曲線

通過對(duì)比可知，誤差均小于5%。仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致。因此，可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)模型變參數(shù)優(yōu)化計(jì)算。

3 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化

3.1 甲醇燃料對(duì)原單缸發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響分析

通過仿真計(jì)算得出原單缸汽油機(jī)燃燒甲醇時(shí)的功率、扭矩和通過試驗(yàn)得出的原機(jī)燃燒汽油時(shí)的功率和扭矩隨轉(zhuǎn)速變化情況，如圖5 和圖6所示。

圖5 甲醇、汽油的功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

圖6 甲醇、汽油的扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

由圖5 和圖6 可知:在原單缸發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)，甲醇燃料功率和扭矩不同程度的下降，使單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性明顯下降。扭矩和功率分別最大下降了41%和46%。由前文分析可知，甲醇由于自身的低熱值和汽化潛熱等多種原因，與同排量燃燒汽油的單缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，原機(jī)燃用甲醇燃料將導(dǎo)致動(dòng)力性下降。因此，需要對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比和壓縮比2 個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行DOE 優(yōu)化處理。

3.2 DOE 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果

DOE 是一種研究多因變量對(duì)應(yīng)于多自變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，計(jì)算得出最優(yōu)組合方案［14］。本文的試驗(yàn)指標(biāo)為扭矩、功率和燃油消耗率，試驗(yàn)因子是壓縮比和空燃比。

3.2.1 優(yōu)化目標(biāo)選取范圍參數(shù)及流程

仿真過程中，通過分析壓縮比和空燃比過大或過小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響，參考式(1)計(jì)算得出的甲醇的理論空燃比，大致確定仿真計(jì)算所用的空燃比的范圍為6.0～9.0。燃油消耗率與發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比密切相關(guān)。由于條件的限制，模型中的一些模塊被簡(jiǎn)化，無法預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震現(xiàn)象。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的強(qiáng)度可以通過最大壓力上升率來衡量。據(jù)相關(guān)資料［15］表明，對(duì)于汽油機(jī)而言，為保證其工作柔和，一般將最大壓力升高率限定在0.175～0.25 MPa/(°)CA，壓縮比的下限為9.0，上限為接近理論爆震極限的壓縮比。本文是研究單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，扭矩相對(duì)于汽車較小，過大造成機(jī)械負(fù)擔(dān)。與汽油相比，甲醇的辛烷值高，抗爆性好，允許適當(dāng)增大壓縮比，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。DOE 優(yōu)化流程如圖7 所示。

圖7 DOE 優(yōu)化流程框圖

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)次數(shù)設(shè)計(jì)為50 次，考慮本文采用全因子抽樣法，實(shí)驗(yàn)次數(shù)要進(jìn)行2 500 次試驗(yàn)，而用拉丁超立方抽樣法，最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)為:

式中:Emin為最少實(shí)驗(yàn)次數(shù);f 為實(shí)驗(yàn)因子個(gè)數(shù)。

由式(8)可得，實(shí)驗(yàn)中最少次數(shù)為15 次，仿真次數(shù)約為全因子次數(shù)的1/50，大大提高了仿真的效率。

本文使用遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)多參數(shù)優(yōu)化求解，主要基于對(duì)原始發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立響應(yīng)面，設(shè)置扭矩、功率最大、油耗最小和最大升壓率都在0.175～0.25 MPa/(°)CA，對(duì)壓縮比和空燃比進(jìn)行優(yōu)化求解，達(dá)到2 個(gè)因子對(duì)目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的效果。

3.2.2 DOE 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過前面的分析，空燃比和壓縮比需控制在合適的范圍。因此，采用9.0～12.0 的壓縮比與甲醇空燃比進(jìn)行DOE 優(yōu)化。

發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000～9 000 r/min 轉(zhuǎn)速下，響應(yīng)面擬合質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)如表3 所示。

表3 響應(yīng)面擬合質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

響應(yīng)面的擬合度評(píng)價(jià)是通過R2(總平方誤差的百分比)來表示，該值介于0 和1 之間，值越高表示統(tǒng)計(jì)擬合越好，計(jì)算公式如式(9)所示:

式中:Yp，i為第i 次的預(yù)測(cè)響應(yīng)值，Y0，i為第i 次的觀測(cè)響應(yīng)值，n 為實(shí)驗(yàn)數(shù)量，為預(yù)測(cè)響應(yīng)平均值。

由表3 可知，各轉(zhuǎn)速下響應(yīng)面擬合質(zhì)量指標(biāo)都在0.95 以上，因此，可以應(yīng)用遺傳算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

由表4 可知:在各個(gè)轉(zhuǎn)速下，優(yōu)化結(jié)果不同。為了滿足甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷和轉(zhuǎn)速5 000 r/min的工況下，盡可能提高最大扭矩，選擇轉(zhuǎn)速在5 000 r/min 時(shí)優(yōu)化結(jié)果，壓縮比為11.1，空燃比為6.7。

表4 響應(yīng)面擬合質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.3 優(yōu)化后的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)性能與汽油機(jī)性能對(duì)比

根據(jù)甲醇燃料的理化性質(zhì)對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比和幾何壓縮比進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，使甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的充氣效率、缸內(nèi)環(huán)境與汽油機(jī)存在差異，2 種燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性也有所差別。

3.3.1 充氣效率

甲醇和汽油的特性不同，隨著壓縮比和空燃比的改變，充氣效率也隨之變化，如圖8 所示。

圖8 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)的充氣效率曲線

由圖8 可知，隨著壓縮比的提高和空燃比的減小，提高了充氣效率，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)比汽油機(jī)充氣效率最大相差0.05。原因如下:與高速相比，在低中速條件下，甲醇的汽化潛熱大，需要從進(jìn)氣和壁面吸收大量熱量蒸發(fā)，然后與空氣混合形成可燃混合物，增強(qiáng)進(jìn)氣冷卻，增加進(jìn)氣密度，在一定程度上提高了充氣效率。在高速條件下，相對(duì)汽油來說，氣阻較大，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)高溫氣阻的影響大于汽化潛熱對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，因此，兩者之間相差減少。

3.3.2 缸內(nèi)環(huán)境

選擇汽油機(jī)和甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩時(shí)最大轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)速5 000 r/min 時(shí)，探究缸內(nèi)環(huán)境包括氣缸壓力和溫度。甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)的氣缸壓力和溫度對(duì)比曲線如圖9 和圖10 所示。

圖9 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)的缸壓曲線

圖10 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)的缸內(nèi)溫度曲線

由圖9 和圖10 可知，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)相比，最大壓力大，更早達(dá)到缸壓峰值7.48 MPa。但下降速度也較快。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)最高溫度而言，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)比汽油機(jī)低198.4 K。分析原因如下:當(dāng)空燃比減小，每循環(huán)吸入的混合氣濃度較高，有利于縮短滯燃期和提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?甲醇燃料燃燒釋放出較多熱量使缸內(nèi)燃燒壓力及最高燃燒壓力都較高。氣缸溫度低是由于甲醇比汽油汽化潛熱大，甲醇燃料汽化和蒸發(fā)需要吸收大量的熱量所導(dǎo)致的。

3.3.3 整機(jī)外特性性能

優(yōu)化后的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)功率扭矩、燃油消耗率以及有效熱效率如圖11—14 所示。

圖11 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)的功率曲線

從圖11 和圖12 可以得出:功率和扭矩均有所提高。從圖12 和圖13 可以得出，轉(zhuǎn)速在2 000～9 000 r/min 時(shí)，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與原汽油機(jī)的功率和扭矩相比都高于原汽油機(jī)，扭矩和功率提高很明顯，扭矩最大提高0.7 N·m，功率最大提高0.6 kW。分析原因如下:一方面，隨著空燃比的減小，每循環(huán)吸入的甲醇增多，在一定程度上提高了充氣效率和發(fā)動(dòng)機(jī)功率。另一方面，由于隨著壓縮比提高，指示熱效率和有效熱效率也將隨之提高;并且甲醇含氧量達(dá)到50%，而且氧原子比氧分子更容易發(fā)生氧化反應(yīng)，因此，甲醇與空氣混合物燃燒更充分，動(dòng)力性也將得到提高。

圖12 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)的扭矩曲線

圖13 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)的燃油消耗率曲線

由圖14 可以得出:有效熱效率在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000～9 000 r/min，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率都比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)高，并且甲醇的當(dāng)量燃油消耗率在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000～9 000 r/min 都比汽油燃油消耗率低。轉(zhuǎn)速達(dá)到5 000 r/min 時(shí)，最大降低了15%。由前面分析可知，燃油經(jīng)濟(jì)性隨著壓縮比的提高而得到改善，壓縮比越大，燃燒更充分，燃油消耗量隨著有效熱效率下降進(jìn)而增大，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能得到了改善。

圖14 有效熱效率和燃油消耗率曲線

4 結(jié)論

基于GT-power 仿真軟件對(duì)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，把原單缸汽油機(jī)仿真模型優(yōu)化改進(jìn)為單缸甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)模型。優(yōu)化后的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為2 000～9 000 r/min 時(shí)，扭矩最大提高6%，功率最大提高10%，當(dāng)量燃油消耗率最大降低了15%，有效熱效率也有所提高。

由于條件的限制，無法對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步標(biāo)定，本文對(duì)于部分管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)簡(jiǎn)化，也沒有進(jìn)行對(duì)點(diǎn)火提前角和配氣相位等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，后續(xù)工作將繼續(xù)完成仿真，并做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。