齊洪元　倪計(jì)民　楊友文（.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海0804；.上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海0804）

原創(chuàng)

甲醇- 汽油靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)

齊洪元1倪計(jì)民1楊友文2
（1.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海201804；2.上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201804）

提出了“甲醇-汽油靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)”的概念。首先設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)燃料獨(dú)立供給的燃油系統(tǒng)的布置方案。隨后，進(jìn)行了靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，運(yùn)用GT-Power軟件建立靈活混合燃料特性場(chǎng)，并對(duì)靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)采用混合燃料模式工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)量汽油比油耗有明顯的改善，除了在低速低負(fù)荷時(shí)使用M0的工況外，其余各工況的當(dāng)量汽油比油耗均有不同程度的下降，下降幅度為3%～10%。

甲醇汽油靈活混合混合燃燒

0　引言

我國(guó)的煤炭資源儲(chǔ)量較為豐富，而石油資源嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口，自給能力較弱，加之日益增大的汽車(chē)保有量，我國(guó)顯示出“缺油、少氣、富煤”的能源格局。傳統(tǒng)車(chē)用燃料供應(yīng)面臨巨大壓力［1］。甲醇可由煤炭制取，與汽油相比，氣化潛熱更大、辛烷值更高且含有氧元素，能使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和較低的排放［2-5］。

作為1種典型的車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料，甲醇獲得了越來(lái)越多的關(guān)注，在國(guó)內(nèi)外一些地區(qū)，甲醇-汽油混合燃料已經(jīng)得到了應(yīng)用［6-7］。目前在點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)上所使用的均為固定比例的甲醇-汽油混合燃油，如M10、M15、M85等［8-9］。然而，通過(guò)對(duì)不同比例甲醇-汽油混合燃料的研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在各運(yùn)行工況時(shí)對(duì)燃料混合比的要求不同，各工況下均有特定比例的甲醇-汽油混合燃料，可使發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗最低。因此，采用固定比例甲醇-汽油混合燃料不能充分發(fā)揮甲醇的優(yōu)勢(shì)［10-11］。

據(jù)此，本文提出了“甲醇-汽油靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)”的構(gòu)想，甲醇和汽油采用2套獨(dú)立的燃油供給系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，分別調(diào)整甲醇和汽油各自的噴油脈寬、點(diǎn)火提前角及相關(guān)的修正參數(shù)，使甲醇和汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)根據(jù)工況需求實(shí)現(xiàn)不同比例的混合燃燒，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步得到提升。

首先，進(jìn)行靈活混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，制定燃油供給系統(tǒng)的布置方案，并根據(jù)甲醇的特性重新設(shè)計(jì)相關(guān)零部件。隨后，進(jìn)行靈活混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)和控制方法，并運(yùn)用GT-Power軟件確定發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下的最優(yōu)燃料種類(lèi)，建立靈活混合燃料特性場(chǎng)。最后，對(duì)靈活混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。本文旨在研究靈活在線混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)方案，并探究靈活燃料特性場(chǎng)的建立方法，為甲醇-汽油靈活在線混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用提供參考。

1　研究對(duì)象和試驗(yàn)裝置

1.1研究對(duì)象

本研究所針對(duì)的發(fā)動(dòng)機(jī)為某款自主品牌轎車(chē)的自然吸氣4缸四沖程汽油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格如表1所示。

表1　某款自然吸氣4缸四沖程汽油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

1.2試驗(yàn)裝置

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)及其控制系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、尾氣采集測(cè)量系統(tǒng)等。本研究所用的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示。

2　靈活混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1燃油供給系統(tǒng)布置方案

靈活混合燃燒的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于2套完全獨(dú)立的供油系統(tǒng)，其中一路是甲醇燃料系統(tǒng)專(zhuān)用，用來(lái)解決甲醇對(duì)一般燃油系統(tǒng)的腐蝕和溶脹問(wèn)題。甲醇與汽油只在進(jìn)氣道或氣缸內(nèi)進(jìn)行混合，并可以實(shí)現(xiàn)2種燃料的任意比例混合，必要時(shí)可自由切換單獨(dú)使用甲醇或汽油。靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)如圖2所示。

2.2燃油供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與汽油相比，甲醇具有特殊的理化特性，例如甲醇燃料對(duì)金屬材料具有明顯的腐蝕作用，對(duì)非金屬材料有明顯的溶脹作用。因此需要對(duì)甲醇的燃油供給系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改造，主要包括燃油箱、液位傳感器和噴油器。

2.2.1燃油箱的設(shè)計(jì)

為了便于在整車(chē)上進(jìn)行布置安裝，優(yōu)化設(shè)計(jì)了原有油箱。將原有的50 L油箱在內(nèi)部分隔為35 L 和15 L 2個(gè)完全獨(dú)立的油箱，其中15 L容量為汽油箱，35 L容量的為甲醇燃料箱。油箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.2甲醇液位傳感器的設(shè)計(jì)

汽油油箱中使用的液位傳感器仍為原機(jī)傳統(tǒng)傳感器，而甲醇燃料箱中采用非接觸式霍爾液位傳感器，該傳感器包含不銹鋼管，并在不銹鋼管上套接浮子，在不銹鋼管內(nèi)設(shè)有霍爾元件，在不銹鋼管的頂端固定連接板。其中，浮子是由不銹鋼殼體制成，在浮子中心設(shè)有導(dǎo)向管，導(dǎo)向管套接在不銹鋼管外，由導(dǎo)向管、上殼體和下殼體構(gòu)成1個(gè)密閉的腔體，在腔體內(nèi)導(dǎo)向管外套接有磁鐵保持架，磁鐵保持架上固定磁鐵。由于浮子和導(dǎo)管采用的是不銹鋼材料，可避免甲醇腐蝕。而感應(yīng)部件被包裹在不銹鋼浮子和桿件內(nèi)，不與甲醇接觸，避免了腐蝕、溶脹和電化學(xué)侵蝕等問(wèn)題。非接觸式霍爾傳感器如圖4所示。

2.2.3噴油器的選型及布置

由于同等質(zhì)量甲醇的熱值高出汽油熱值的45.7%，因此與汽油噴油器相比，在同等當(dāng)量汽油噴油脈寬下，甲醇噴嘴的體積流量必須比原發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油噴油流量更大，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)在同功率時(shí)，甲醇汽油混合氣的熱值與原汽油混合氣相當(dāng)，因此在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)要選用流量更大的噴油器。

3　靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由傳感器、主電子控制單元（ECU）、燃料混合比ECU和執(zhí)行器4部分組成?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號(hào)傳輸路徑如圖5所示。

與普通汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和固定比例混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相比，靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)除了能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化來(lái)調(diào)整噴油脈寬和噴油正時(shí)，還需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況變化，實(shí)時(shí)選擇最優(yōu)配比的甲醇和汽油混合燃料，因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略和控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙ECU結(jié)構(gòu)，即主ECU和燃料混合比ECU，其中主ECU與普通汽油機(jī)ECU功能相似，用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油脈寬、噴油正時(shí)、點(diǎn)火提前角、點(diǎn)火能量和配氣正時(shí)等參數(shù)。燃料混合比ECU內(nèi)部?jī)?chǔ)存了靈活混合燃料特性場(chǎng)MAP圖。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，傳感器的信號(hào)首先傳輸給主ECU，經(jīng)過(guò)處理后傳輸給燃料混合比ECU，燃料混合比ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，結(jié)合靈活燃料特性場(chǎng)MAP圖確定該工況下最佳的混合燃料比例，隨后將該信號(hào)返回主ECU，主ECU計(jì)算所需的汽油噴油脈寬和甲醇噴油脈寬，最后將控制信號(hào)發(fā)送到執(zhí)行器。

3.2控制目標(biāo)和方法

3.2.1混合燃燒燃油噴射系統(tǒng)控制目標(biāo)和方法

該混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)具有2套燃料供給系統(tǒng)，分別用于汽油和甲醇的供給。工作中，發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)工況確定最佳燃料混合比，并計(jì)算出相應(yīng)的汽油、甲醇噴油脈寬和噴油時(shí)刻，甲醇和汽油按照確定的比例混合，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)性能。根據(jù)工況不同，控制目標(biāo)可以分為以下3種情況：

（1）冷起動(dòng)、暖機(jī)工況

發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)溫度較低，該工況的主要控制目標(biāo)是保證順利起動(dòng)和快速暖機(jī)，由于甲醇的氣化潛熱較大，會(huì)使氣缸內(nèi)溫度進(jìn)一步降低，造成起動(dòng)困難，因此該工況下采用M0燃料，并適當(dāng)加濃。

（2）經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的大部分時(shí)間是處于部分負(fù)荷工況，該工況下的控制目標(biāo)是保證經(jīng)濟(jì)性和低排放。在混合燃料種類(lèi)的選擇方面，不同比例的甲醇汽油混合燃料在各工況下的性能優(yōu)勢(shì)不同，各運(yùn)行工況下均存在1個(gè)特定比例的甲醇汽油，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有最低的當(dāng)量汽油比油耗。在噴油脈寬的控制方面，為了保證三元催化轉(zhuǎn)化器達(dá)到最高的轉(zhuǎn)化效率，應(yīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在化學(xué)計(jì)量空燃比附近。

（3）全負(fù)荷運(yùn)行工況

該工況要求發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)最高的動(dòng)力性能。在噴油脈寬的控制方面，該工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的控制目標(biāo)為確保高的動(dòng)力性，可適當(dāng)加濃，采用功率混合氣空燃比。在混合燃料的種類(lèi)方面，應(yīng)根據(jù)各比例混合燃料的外特性數(shù)據(jù)，選擇各工況下使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)最高動(dòng)力性的混合燃料比例。

為實(shí)現(xiàn)上述控制目標(biāo)，靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)和閉環(huán)結(jié)合的控制方式。發(fā)動(dòng)機(jī)的控制流程如圖6所示。

開(kāi)環(huán)控制是指發(fā)動(dòng)機(jī)在某一工況下運(yùn)行時(shí)，主ECU由各傳感器獲取轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、溫度、冷卻水溫和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度等參數(shù)，然后由主ECU查得該工況下的當(dāng)量汽油噴油量，由燃料混合比ECU查得該工況下的最優(yōu)燃料混合比，并將當(dāng)量汽油噴油量換算為該混合比燃料的總噴油量，進(jìn)而計(jì)算出汽油和甲醇各自的噴油脈寬。噴油脈寬的計(jì)算過(guò)程如圖7所示。

3.2.2點(diǎn)火系統(tǒng)控制目標(biāo)和方法

靈活混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的控制目標(biāo)主要有2方面：（1）選擇合適的點(diǎn)火能量，保證混合氣順利著火，同時(shí)也使點(diǎn)火線圈溫度不至于過(guò)高，以提高點(diǎn)火線圈工作的可靠性；（2）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況采用最合適的點(diǎn)火提前角，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，進(jìn)而改善經(jīng)濟(jì)性和排放性。

點(diǎn)火能量的高低是由初級(jí)繞組的通電時(shí)長(zhǎng)決定的，通電時(shí)間越長(zhǎng)，斷電后次級(jí)繞組所產(chǎn)生的電壓越高，然而通電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將使初級(jí)繞組過(guò)熱，影響點(diǎn)火線圈工作的可靠性。因此，對(duì)于點(diǎn)火能量的控制，ECU綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等因素，通過(guò)控制初級(jí)繞組斷電時(shí)間，對(duì)點(diǎn)火能量進(jìn)行控制。

對(duì)于點(diǎn)火提前角的控制，采用開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制結(jié)合的方式。ECU首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和冷卻液溫度確定基本點(diǎn)火提前角，即進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。大量研究表明，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在爆燃邊緣甚至輕微爆燃時(shí)，能夠獲得最佳的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，因此，利用爆燃傳感器，對(duì)點(diǎn)火提前角進(jìn)行閉環(huán)控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在爆燃臨界處。

3.3靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略開(kāi)發(fā)

3.3.1發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算模型的建立

運(yùn)用GT-Power軟件以汽油機(jī)原機(jī)為基礎(chǔ)，建立靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真計(jì)算模型，進(jìn)而對(duì)靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算研究。

湍流火焰?zhèn)鞑ツＰ蛯⑷紵业慕Y(jié)構(gòu)尺寸，點(diǎn)火正時(shí)、湍流強(qiáng)度和燃料類(lèi)型納入考慮范疇，并用以下幾個(gè)方程來(lái)描述進(jìn)入火焰前鋒的質(zhì)量卷吸率和燃燒速率。

質(zhì)量卷吸率：

質(zhì)量燃燒速率：

并且

式中，Me為未然混合氣卷吸質(zhì)量，ρu為未燃混合氣密度，Ae為火焰前鋒面積，ST為湍流火焰速度，SL為層流火焰速度，Mb為已燃混合氣質(zhì)量，τ為時(shí)間常數(shù)，λ為T(mén)aylor微尺度。

3.3.2發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算模型的標(biāo)定

基于汽油機(jī)原機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)模型分別進(jìn)行外特性和萬(wàn)有特性的標(biāo)定。

（1）外特性標(biāo)定

6.1 生態(tài)監(jiān)測(cè)工作長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)費(fèi)缺乏保障。生態(tài)監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)系統(tǒng)性長(zhǎng)期性的工作，隨著重大生態(tài)保護(hù)工程實(shí)施的結(jié)束，生態(tài)監(jiān)測(cè)運(yùn)行經(jīng)費(fèi)無(wú)法保障，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的運(yùn)行維護(hù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期連續(xù)獲取將受到影響，年度監(jiān)測(cè)任務(wù)實(shí)施及監(jiān)測(cè)成果的質(zhì)控體系缺乏有效的制度保證，使生態(tài)監(jiān)測(cè)工作缺乏長(zhǎng)效保障機(jī)制。

分別進(jìn)行節(jié)氣門(mén)開(kāi)度最大時(shí)缸壓曲線、功率、扭矩、排氣背壓、油耗率和充氣系數(shù)的標(biāo)定。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r/min時(shí)，缸內(nèi)壓力曲線的標(biāo)定結(jié)果如圖8所示，充氣系數(shù)和油耗率的標(biāo)定結(jié)果如圖9所示。其他轉(zhuǎn)速和參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果不再詳述。

由圖8可以看出，缸壓曲線的仿真計(jì)算值和試驗(yàn)值相合度較高。由圖9可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下油耗率、充氣系數(shù)的仿真計(jì)算與試驗(yàn)的外特性誤差均在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)模型較為準(zhǔn)確，可以滿(mǎn)足仿真計(jì)算的要求。

（2）部分負(fù)荷標(biāo)定

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型進(jìn)行部分負(fù)荷有效燃油消耗率的標(biāo)定，以汽油機(jī)原機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的130個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。萬(wàn)有特性標(biāo)定結(jié)果如圖10所示。

由圖10可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下扭矩的誤差均不超過(guò)10%，又因?yàn)樵诮o定轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率與扭矩為正比關(guān)系，因此有效油耗率的誤差也在10%以?xún)?nèi)，故可以認(rèn)為模型準(zhǔn)確，可進(jìn)行下一步的靈活混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算研究。

3.3.3發(fā)動(dòng)機(jī)靈活混合燃燒燃料特性場(chǎng)的建立

發(fā)動(dòng)機(jī)靈活混合燃燒模式需要的燃料特性場(chǎng)是以MAP圖的形式儲(chǔ)存于燃料混合比ECU中，包含了發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下的最優(yōu)燃料混合比，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，ECU從各傳感器收集數(shù)據(jù)，分析判斷所處的工況，然后由靈活燃料特性場(chǎng)查得此工況下的最優(yōu)燃料混合比，并計(jì)算出甲醇和汽油各自的噴油脈寬。

本研究旨在確定發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性場(chǎng)各工況點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)燃料混合比，使發(fā)動(dòng)機(jī)使用該比例混合燃料時(shí)具有最低的等效汽油比油耗。理論上，靈活混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)能夠根據(jù)工況的變化，提供從M0～M100任意混合比的甲醇-汽油，然而建立高精度的靈活燃料特性場(chǎng)，需要大量的仿真計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)資源。因此，本研究?jī)H選取具有代表性的M0、M10、M15、M30、M50、M85和M100混合比，建立簡(jiǎn)化的靈活燃料特性場(chǎng)，旨在提出靈活混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，并探究特性場(chǎng)的建立方法。

首先，確定仿真計(jì)算工況點(diǎn)，在汽油機(jī)原機(jī)萬(wàn)有特性場(chǎng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000～6 000 r/min中每間隔500 r/min取1個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，共選取11個(gè)轉(zhuǎn)速，分別為1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、 3 000 r/min、3 500 r/min、4 000 r/min、4 500 r/min、5 000 r/min、5 500 r/min和6 000 r/min。在每個(gè)轉(zhuǎn)速下，按扭矩等分為10個(gè)工況點(diǎn)，整個(gè)萬(wàn)有特性場(chǎng)共有110個(gè)工況點(diǎn)。

表2　各比例混合燃料參數(shù)

之后，運(yùn)用GT-Power發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真軟件，在汽油機(jī)原機(jī)模型的基礎(chǔ)上，將燃料的密度、低熱值和理論空燃比等參數(shù)設(shè)置為指針變量，在分別輸入M0、M10、M15、M30、M50、M85和M100的參數(shù)作為標(biāo)定點(diǎn)，即每個(gè)工況下有7個(gè)標(biāo)定點(diǎn)。各比例混合燃料的參數(shù)如表2所示。

對(duì)各工況點(diǎn)分別進(jìn)行仿真計(jì)算，運(yùn)用GT-Power軟件中的“Optimizer”模塊，以油耗量為控制變量，以扭矩為優(yōu)化目標(biāo)，將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定為汽油機(jī)萬(wàn)有特性場(chǎng)中該工況的扭矩值，計(jì)算得到在該工況下分別使用M0、M10、M15、M30、M50、M85和M100的比油耗。將各燃料的比油耗換算成當(dāng)量汽油比油耗，使當(dāng)量汽油比油耗最低的燃料為該工況下的最佳混合燃料，通過(guò)將各工況的最佳混合燃料比例組合起來(lái)，即可建立發(fā)動(dòng)機(jī)靈活燃料特性場(chǎng)。

圖11為通過(guò)仿真計(jì)算建立的靈活混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的特性場(chǎng)，圖12為靈活混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗換算成當(dāng)量汽油比油耗后的萬(wàn)有特性圖。

由圖12可以看出，靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃料種類(lèi)的需求在發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速低負(fù)荷工況時(shí)，采用M0純汽油燃料，隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的升高，逐漸提高甲醇使用比例。發(fā)動(dòng)機(jī)采用此混合燃料特性場(chǎng)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)量汽油比油耗有明顯改善，除低速低負(fù)荷時(shí)使用M0的工況外，其余各工況的當(dāng)量汽油比油耗均有不同程度的下降，下降幅度為3%～10%。

4　靈活混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證靈活混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)特性場(chǎng)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)。對(duì)汽油機(jī)原機(jī)的電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加燃料混合比ECU，并將仿真計(jì)算得到的混合燃料特性場(chǎng)儲(chǔ)存于燃料混合比ECU中。試驗(yàn)中測(cè)取各工況點(diǎn)的甲醇和汽油油耗率，并換算成當(dāng)量汽油油耗率。

需要說(shuō)明的是，發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)對(duì)燃油噴射系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)的控制還包括對(duì)不同工況的修正，發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同比例甲醇和汽油時(shí)，修正量及微調(diào)控制策略也要發(fā)生變化，需要對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步改造。由于該內(nèi)容不屬于本研究的主要內(nèi)容，在此不作詳述。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，靈活混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)量汽油比油耗的試驗(yàn)值與仿真計(jì)算值的吻合度較高，各工況的誤差均在5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明本研究基于仿真計(jì)算建立靈活混合燃料特性場(chǎng)的方法可靠，也說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)按照靈活混合燃料方式工作時(shí)，能夠大幅改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

5　結(jié)論

采用2套獨(dú)立的燃油供給系統(tǒng)分別供應(yīng)甲醇和汽油，實(shí)現(xiàn)甲醇和汽油噴油量的單獨(dú)控制，進(jìn)而可供應(yīng)任意比例的混合燃料，以支持發(fā)動(dòng)機(jī)的混合燃燒模式。同時(shí)，根據(jù)甲醇和汽油的特點(diǎn)，能夠?qū)θ加凸┙o系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

采用主ECU和燃料選擇ECU的雙ECU設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況選擇最優(yōu)混合燃料比例，并確定甲醇和汽油相應(yīng)的噴油脈寬，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)控制系統(tǒng)改動(dòng)較小，通用性較強(qiáng)。

運(yùn)用GT-Power軟件建立的混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)靈活混合燃料特性場(chǎng)，具有較高的精度。使用仿真計(jì)算建立靈活燃料特性場(chǎng)的方法確定可行。

發(fā)動(dòng)機(jī)按照靈活混合燃燒模式工作后后，經(jīng)濟(jì)性有了顯著提高，除低速低負(fù)荷使用M0的工況外，各工況的當(dāng)量汽油比油耗均有不同程度的下降，下降幅度為3%～10%。

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