李西秦，黎 蘇

(1.浙江科技學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院,杭州 310023； 2.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300130)

前言

汽車在市區(qū)行駛時汽油機經(jīng)常處于瞬態(tài)工況，尤其在加速工況時所產(chǎn)生的機械負荷和運動件慣性滯后較大，使汽油機的噪聲升高、磨損加大。從工作過程的角度考慮，瞬態(tài)工況對汽油機的混合氣形成(空燃比、充氣效率)、熱力狀態(tài)和燃燒均造成影響，致使在瞬態(tài)工況下汽油機的動力性、經(jīng)濟性和排放指標(biāo)均比相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)工況時要差。汽車有害排放和燃油消耗的40%～80%來自瞬態(tài)工況，其中加速工況占30%～70%。

為掌握汽油機在瞬態(tài)工況下的工作特性，文獻[1]中建立了發(fā)動機瞬態(tài)工況非線性模型，設(shè)計了滑模控制器和PID控制器分別對節(jié)氣門開度和點火時刻進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。文獻[2]中在現(xiàn)有內(nèi)燃機曲軸扭振計算分析軟件TVCA及數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上,采用經(jīng)典非周期激擾力矩計算方法,開發(fā)了用于計算瞬態(tài)工況曲軸扭振響應(yīng)的程序,并進行了驗證和應(yīng)用。文獻[3]中將最優(yōu)H∞控制理論用于電噴發(fā)動機空燃比控制，采用面向?qū)ο蟮腉T-Power仿真軟件,建立了電噴發(fā)動機仿真模型,提高了空燃比的控制精度。文獻[4]和文獻[5]中將信息融合理論應(yīng)用于汽油機過渡工況進氣流量預(yù)測，提出了汽油機過渡工況空燃比控制的信息融合模型,進而對汽油機空燃比系統(tǒng)中信息融合在不同層次上的實現(xiàn)方法進行了討論。

對車用汽油機瞬態(tài)工況的研究是汽車行駛優(yōu)化的一個組成部分，本文中建立了汽油機準(zhǔn)維燃燒模型，編制了循環(huán)仿真程序，針對某四缸汽油機穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)加速工況進行了仿真，并進行臺架試驗來驗證仿真結(jié)果的有效性和精度。

1 汽油機準(zhǔn)維燃燒模型

準(zhǔn)維燃燒模型由熱力學(xué)平衡方程、燃燒室結(jié)構(gòu)幾何模型和火焰?zhèn)鞑ツＰ蜆?gòu)成；而燃燒室中的質(zhì)量燃燒速率定義為紊流火焰速度、火焰前鋒面積和未燃混合氣密度的乘積。

1.1 傳熱量的計算

分別對未燃區(qū)和已燃區(qū)應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，計算出未燃區(qū)和已燃區(qū)的傳熱量。考慮到氣體與氣缸蓋、缸體和活塞頂面接觸的表面積及溫度差，運用能量守恒定律，將未燃區(qū)和已燃區(qū)的傳熱量相加求得傳熱損失如下：

(1)

采用修正的Woschni公式求得瞬時傳熱系數(shù)h[6]：

式中：qw為傳熱量，kJ；Aij為傳熱面積，m2；n為曲軸轉(zhuǎn)速，r/min；φ為曲軸轉(zhuǎn)角，(°)；T為燃燒溫度，K；Tw為燃燒室壁面溫度，K；d為缸徑，m；Cm為活塞平均速度，m/s；Vh為氣缸排量，L；V1、T1、p1為壓縮始點容積(L)、溫度(K)和壓力(kPa)；p0為拖動時的氣缸壓力，kPa；Cu為渦流速度，取Cu=πdn/60。

1.2 氣體成分的計算

(1) 未燃氣體 對于燃料CnHmOl摩爾分數(shù)為x12、過量空氣系數(shù)為α、殘余廢氣系數(shù)為γ的1mol未燃混合氣，可列出如下化學(xué)平衡方程式：

x12[CnHmOl+α(n+m/4-l/2)(O2+3.76N2)+

γ(x1CO+x2CO2+x3O2+x4H2+x5H2O+x10N2)]=

x1CO+x2CO2+x3O2+x4H2+x5H2O+x10N

(2)

式中x1～x5、x10分別為CO、CO2、O2、H2、H2O和N2的摩爾分數(shù)。

(2) 已燃氣體 設(shè)摩爾分數(shù)為x12的燃料CnHmOl在過量空氣系數(shù)為α的混合氣中燃燒生成1mol由CO、CO2、O2、H2、H2O、OH、H、O、NO、N2、N 11種物質(zhì)組成的氣相燃燒產(chǎn)物，則總的化學(xué)反應(yīng)平衡方程式為

x12[CnHmOl+α(n+m/4-l/2)(O2+3.76N2)]=

x1CO+x2CO2+x3O2+x4H2+x5H2O+x6OH+x7H+

x8O+x9NO+x10N2+x11N

(3)

式中x6～x9、x11分別為OH、H、O、NO和N的摩爾分數(shù)。

將各種物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)平衡關(guān)系式代入式(2)和式(3)，便可得到其平衡濃度。

1.3 燃燒室?guī)缀文Ｐ?/h3>

在準(zhǔn)維燃燒仿真中，須計算不同火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x時的火焰前鋒面積、已燃區(qū)與未燃區(qū)的體積和兩區(qū)對燃燒室壁面的傳熱面積，因此必須建立燃燒室?guī)缀文Ｐ?。本文中按不同燃燒室形狀分?個子模型，即浴盆形、半球形、楔形、碗形、圓盤形和緊湊型。對常用的這6種形狀燃燒室分別進行積分計算，不僅保證了計算精度，更大大簡化了程序的數(shù)據(jù)輸入接口，提高了運算速度。

1.4 紊流火焰?zhèn)鞑サ姆中螏缀螌W(xué)模型

汽油機的燃燒過程發(fā)生在一隨時間不斷變化的紊流場中，本文中從紊流場的結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立汽油機的紊流燃燒模型。假設(shè)汽油機中紊流的火焰面具有分形幾何上的自相似層次結(jié)構(gòu)，即不同尺寸的標(biāo)度(特征長度尺度)之間是自相似的。用不同的測量標(biāo)度來度量火焰前鋒面的面積，隨著標(biāo)度的減小，火焰前鋒面積變大，這種關(guān)系可表示為[7]

uT=uLAT/AL=uL(Lm/Ln)D-2

(4)

式中：uT為紊流火焰速度；uL為層流火焰速度；AT為紊流火焰前鋒面積；AL為按球面?zhèn)鞑サ膶恿骰鹧媲颁h面積；D為火焰面的分形維數(shù)?？扇m為積分長度；Ln為Kolmogorov標(biāo)度。

這里的關(guān)鍵是分形維數(shù)D的信息，文獻[8]中提出了如下關(guān)系式：

式中u′為紊流強度，可認為它與活塞平均速度Cm成正比。

對于層流火焰速度uL，本文中采用Kuehl的經(jīng)驗公式[9]：

式中：p為壓力，kPa；Tu、Tb分別為未燃區(qū)和已燃區(qū)的溫度，K。

2 瞬態(tài)工況燃燒仿真程序

根據(jù)上述準(zhǔn)維燃燒模型，基于工控機設(shè)計了汽油機瞬態(tài)工況工作過程循環(huán)仿真軟件。該軟件按不同的燃燒室結(jié)構(gòu)分為6個模塊共20個子程序組成，每個模塊均可獨立運行，解決了較大型軟件運行時內(nèi)存復(fù)蓋的程序管理問題。程序中用節(jié)氣門開度變化率和曲軸角加速度標(biāo)示瞬態(tài)工況，并且考慮了瞬態(tài)加速工況下空燃比、充氣、傳熱與機械損失的變化情況。

(1) 空燃比λ由于燃油與空氣的慣性差異使得過渡過程的缸內(nèi)空燃比相對于穩(wěn)態(tài)工況發(fā)生瞬時變化,而且變化的程度正比于節(jié)氣門開度的變化和曲軸角加速度。對于多點噴射系統(tǒng)，由試驗結(jié)果歸納出以下經(jīng)驗公式：

(5)

式中：dω/dt為曲軸角加速度，1/s2；dKd/dt為節(jié)氣門開度變化率，%/s；下標(biāo)w表示相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)工況(下同)。

(2) 充氣效率ηv在瞬態(tài)工況下,隨著曲軸角加速度增加，充氣效率降低；另一方面由熱力狀態(tài)滯后造成的機件平均溫度下降，使得進氣溫度降低，又會提高充氣效率。可以認為，只有在節(jié)氣門開度變化的瞬態(tài)工況，熱慣性才對充氣效率有較大影響。由此得出下列充氣效率修正公式：

(6)

(3) 傳熱系數(shù)α加速工況下燃燒室壁面的傳熱系數(shù)大于相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況，且轉(zhuǎn)速越高兩者的差異越大；另一方面，加速工況燃燒室壁面的平均溫度卻略低于相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況。這兩者綜合作用的結(jié)果將導(dǎo)致加速工況下燃燒過程的傳熱損失增大。為了簡化，程序中將加速時壁面平均溫度的下降統(tǒng)一考慮到傳熱系數(shù)上，歸納出如下的修正公式：

α=(0.8+0.0003n)αw

(7)

式中n為曲軸轉(zhuǎn)速，r/min。

(4) 機械損失平均壓力pm與相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況比較，瞬態(tài)工況下的機械損失中增加了發(fā)動機運動質(zhì)量引起的慣性損失。這種慣性損失的存在排除了加速過程獲得超過相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況功率的可能；但當(dāng)發(fā)動機減速運行時，慣性損失的能量又可轉(zhuǎn)化為功而不耗散。考慮慣性損失時的機械損失平均壓力為

(8)

式中d為缸徑，mm。

3 汽油機瞬態(tài)工況仿真和試驗

車用汽油機最常見的瞬態(tài)工況是加、減速工況，尤以加速工況更為重要。加速工況有3種：(1)自由加速(轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度同時變化)；(2)沿速度特性加速(節(jié)氣門開度不變)；(3)等速下加載。本文中針對(1)、(2)兩種情況，以某四缸浴盆形燃燒室汽油機為例，利用仿真程序?qū)Ρ?所示外特性加速過程和自由加速過程及其相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況進行了仿真，并對該四缸汽油機進行了大量臺架試驗，測錄了瞬態(tài)過渡過程及其相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況的連續(xù)示功圖。

表1 某四缸汽油機加速過程

如果同一汽油機的穩(wěn)態(tài)工況A與瞬態(tài)工況B具有相同的曲軸轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度，則稱穩(wěn)態(tài)工況A是瞬態(tài)工況B的相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況。圖1為其中的兩個瞬態(tài)工況與相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況的仿真示功圖與實測示功圖比較。由圖可見：無論穩(wěn)態(tài)工況還是瞬態(tài)工況，仿真預(yù)測值與實驗值均能較好地吻合，壓力曲線的相對誤差均不超過11%，平均指示壓力誤差小于5%，平均有效壓力誤差在8%以內(nèi)。

與圖1各工況相對應(yīng)的燃燒放熱率見圖2。圖2給出了燃燒放熱率的仿真與實測值比較曲線，由圖可見，燃燒放熱率的仿真與實測值也吻合較好。

圖3為自由加速過程、外特性加速過程及相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況的平均指標(biāo)壓力pi仿真和試驗結(jié)果，在各種轉(zhuǎn)速和負荷時仿真均能很好地反映試驗結(jié)果。

4 結(jié)論

本文中所建立的準(zhǔn)維燃燒模型充分考慮了汽油機燃燒室內(nèi)紊流流動、燃燒室形狀和瞬態(tài)工況對燃燒過程與性能指標(biāo)的影響。該模型對某四缸汽油機穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)工況的仿真結(jié)果表明，缸內(nèi)燃燒壓力、燃燒放熱率和平均指示壓力等指標(biāo)與實測結(jié)果的一致性較好，證實該模型的合理性和有效性。

仿真程序的計算與使用表明，用模塊式程序結(jié)構(gòu)建立的汽油機燃燒室?guī)缀文Ｐ褪褂梅奖悖ㄓ眯詮?，計算速度快，計算精度較高。該幾何模型可用于研究火花塞位置、燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸的變化對汽油機燃燒過程及火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽?/p>

燃燒仿真程序具有較完備的輸入、輸出處理功能和良好的運行可視性。經(jīng)修正的熱力學(xué)燃燒模型與汽油機運轉(zhuǎn)參數(shù)和燃燒室參數(shù)建立了一定的聯(lián)系，具有較高的仿真精度，可用于汽油機的性能分析和本科生、研究生的教學(xué)。

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