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，截至2020 年底汽車保有量達2.81億輛［1］。根據(jù)有關(guān)預(yù)測，2031 年汽車保有量將達到3.5 億輛［2］。鑒于能源短缺、環(huán)境污染問題一直是內(nèi)燃機研究的工作重點，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，討論了空燃比對點燃式發(fā)動機的影響，發(fā)現(xiàn)甲醇發(fā)動機的動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，改變汽油機的負荷、壓縮比，純甲醇發(fā)動機的性能，發(fā)現(xiàn)甲醇發(fā)動機性能得到一定的改善。Wang 等［8］研究了甲醇柴油機對發(fā)動機的動力性，結(jié)果表明:發(fā)動機在中高負荷下熱效率得到提高。甲醇是一種高效清潔的內(nèi)燃機替代燃料。甲醇具有來源廣泛、易制取和成本低等優(yōu)點，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］。

國內(nèi)外對車用甲醇的研究大多數(shù)集中在轎車和船用發(fā)動機上，而單缸發(fā)動機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)濟誘導(dǎo)可能會提供一種激勵，促使人們重新考慮將甲醇作為發(fā)動機的替代燃料。針對上述問題，以數(shù)值計算為主，結(jié)合理論分析，依托GT-Power 仿真軟件，基于樣機參數(shù)建立單缸發(fā)動機仿真模型，對燃燒甲醇的單缸發(fā)動機壓縮比和空燃比進行試驗設(shè)計(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)動機動力性分析

1.2.1 混合氣熱值

決定發(fā)動機動力性的是混合氣熱值，而不是燃料的低熱值。對于汽油和甲醇來說，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，空氣中氧氣占23%，氮氣占77%;1 kg 燃油完全燃燒，則需要的理論空氣量計算公式為:

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

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

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

由式(4)和(5)可以看出:對于發(fā)動機而言，機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)動機指示熱效率。燃油經(jīng)濟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，進而發(fā)動機性能得到了改善。

1.3 甲醇發(fā)動機經(jīng)濟性分析

采用燃油消耗率與熱效率2 個指標(biāo)評價發(fā)動機經(jīng)濟性。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行經(jīng)濟性對比。具體計算方法如下:

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)濟性對比時，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)動機的熱效率由燃料本身的低熱值和燃油消耗率共同決定，對于甲醇發(fā)動機，甲醇燃料熱值一定，甲醇發(fā)動機熱效率隨著燃油消耗率降低而升高。

2 單缸發(fā)動機性能仿真的建立與驗證

2.1 模型的建立

以一臺由單缸汽油機改造而成的甲醇發(fā)動機為基礎(chǔ)，通過一維CFD 模擬軟件GT-POWER 建立了計算模型。該軟件能夠模擬各種實際運行工況，并能快速優(yōu)化設(shè)計，降低試驗設(shè)計與成本［11-12］。在建立模型時，由于不是對進氣、熱傳導(dǎo)、排氣以及噪聲進行研究，所以對局部某些復(fù)雜管道和結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)的簡化處理［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)動機的主要參數(shù)

利用GT-POWER 模擬仿真軟件搭建單缸汽油發(fā)動機計算模型，如圖1 所示。

圖1 單缸汽油發(fā)動機計算模型示意圖

2.2 原機模型的驗證

通過對模型多次校正，將樣機外特性試驗數(shù)據(jù)與WH-125 仿真模型仿真外特性數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果如圖2—4 所示。

圖2 扭矩仿真值與試驗值曲線

圖3 功率仿真值與試驗值曲線

圖4 燃油消耗率仿真值與試驗值曲線

通過對比可知，誤差均小于5%。仿真與實驗數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致。因此，可以用于發(fā)動機模型變參數(shù)優(yōu)化計算。

3 甲醇發(fā)動機性能優(yōu)化

3.1 甲醇燃料對原單缸發(fā)動機性能影響分析

通過仿真計算得出原單缸汽油機燃燒甲醇時的功率、扭矩和通過試驗得出的原機燃燒汽油時的功率和扭矩隨轉(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)動機燃燒時，甲醇燃料功率和扭矩不同程度的下降，使單缸發(fā)動機的動力性明顯下降。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)動機相比，原機燃用甲醇燃料將導(dǎo)致動力性下降。因此，需要對該發(fā)動機的空燃比和壓縮比2 個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行DOE 優(yōu)化處理。

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

DOE 是一種研究多因變量對應(yīng)于多自變量的優(yōu)化設(shè)計方法，利用統(tǒng)計學(xué)知識，計算得出最優(yōu)組合方案［14］。本文的試驗指標(biāo)為扭矩、功率和燃油消耗率，試驗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發(fā)動機的性能影響，參考式(1)計算得出的甲醇的理論空燃比，大致確定仿真計算所用的空燃比的范圍為6.0～9.0。燃油消耗率與發(fā)動機壓縮比密切相關(guān)。由于條件的限制，模型中的一些模塊被簡化，無法預(yù)測發(fā)動機的爆震現(xiàn)象。然而，發(fā)動機爆震的強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，對于汽油機而言，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)動機，扭矩相對于汽車較小，過大造成機械負擔(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，進而提高發(fā)動機的動力性。DOE 優(yōu)化流程如圖7 所示。

圖7 DOE 優(yōu)化流程框圖

本次試驗設(shè)計次數(shù)設(shè)計為50 次，考慮本文采用全因子抽樣法，實驗次數(shù)要進行2 500 次試驗，而用拉丁超立方抽樣法，最少的實驗次數(shù)為:

式中:Emin為最少實驗次數(shù);f 為實驗因子個數(shù)。

由式(8)可得，實驗中最少次數(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行多目標(biāo)多參數(shù)優(yōu)化求解，主要基于對原始發(fā)動機的結(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，對壓縮比和空燃比進行優(yōu)化求解，達到2 個因子對目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的效果。

3.2.2 DOE 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

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行DOE 優(yōu)化。

發(fā)動機在2 000～9 000 r/min 轉(zhuǎn)速下，響應(yīng)面擬合質(zhì)量評價指標(biāo)如表3 所示。

表3 響應(yīng)面擬合質(zhì)量評價指標(biāo)

響應(yīng)面的擬合度評價是通過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)計擬合越好，計算公式如式(9)所示:

式中:Yp，i為第i 次的預(yù)測響應(yīng)值，Y0，i為第i 次的觀測響應(yīng)值，n 為實驗數(shù)量，為預(yù)測響應(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)用遺傳算法對目標(biāo)進行優(yōu)化計算。

由表4 可知:在各個轉(zhuǎn)速下，優(yōu)化結(jié)果不同。為了滿足甲醇發(fā)動機在全負荷和轉(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)量評價指標(biāo)

3.3 優(yōu)化后的甲醇發(fā)動機性能與汽油機性能對比

根據(jù)甲醇燃料的理化性質(zhì)對原發(fā)動機的空燃比和幾何壓縮比進行了相應(yīng)的改進，使甲醇發(fā)動機缸內(nèi)的充氣效率、缸內(nèi)環(huán)境與汽油機存在差異，2 種燃料的發(fā)動機整機動力性和經(jīng)濟性也有所差別。

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)動機與汽油機的充氣效率曲線

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)動機比汽油機充氣效率最大相差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，增強進氣冷卻，增加進氣密度，在一定程度上提高了充氣效率。在高速條件下，相對汽油來說，氣阻較大，甲醇發(fā)動機高溫氣阻的影響大于汽化潛熱對甲醇發(fā)動機的影響，因此，兩者之間相差減少。

3.3.2 缸內(nèi)環(huán)境

選擇汽油機和甲醇發(fā)動機扭矩時最大轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)速5 000 r/min 時，探究缸內(nèi)環(huán)境包括氣缸壓力和溫度。甲醇發(fā)動機與汽油機的氣缸壓力和溫度對比曲線如圖9 和圖10 所示。

圖9 甲醇發(fā)動機與汽油機的缸壓曲線

圖10 甲醇發(fā)動機與汽油機的缸內(nèi)溫度曲線

由圖9 和圖10 可知，甲醇發(fā)動機與汽油機相比，最大壓力大，更早達到缸壓峰值7.48 MPa。但下降速度也較快。對于發(fā)動機缸內(nèi)最高溫度而言，甲醇發(fā)動機比汽油機低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 整機外特性性能

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

圖11 甲醇發(fā)動機與汽油機的功率曲線

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，甲醇發(fā)動機與原汽油機的功率和扭矩相比都高于原汽油機，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)動機功率。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，動力性也將得到提高。

圖12 甲醇發(fā)動機與汽油機的扭矩曲線

圖13 甲醇發(fā)動機與汽油機的燃油消耗率曲線

由圖14 可以得出:有效熱效率在發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000～9 000 r/min，甲醇發(fā)動機的有效熱效率都比汽油發(fā)動機高，并且甲醇的當(dāng)量燃油消耗率在發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000～9 000 r/min 都比汽油燃油消耗率低。轉(zhuǎn)速達到5 000 r/min 時，最大降低了15%。由前面分析可知，燃油經(jīng)濟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而增大，甲醇發(fā)動機經(jīng)濟性能得到了改善。

圖14 有效熱效率和燃油消耗率曲線

4 結(jié)論

基于GT-power 仿真軟件對單缸發(fā)動機進行了仿真試驗，把原單缸汽油機仿真模型優(yōu)化改進為單缸甲醇發(fā)動機模型。優(yōu)化后的甲醇發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為2 000～9 000 r/min 時，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，無法對甲醇發(fā)動機進一步標(biāo)定，本文對于部分管路結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)簡化，也沒有進行對點火提前角和配氣相位等結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究，后續(xù)工作將繼續(xù)完成仿真，并做實驗驗證。