陳智君, 周小康, 游伏兵, 向 拉, 韋曉承

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院， 武漢 430063；2.斯克萊德大學 a.船體、海洋與輪機工程系;b.輪機安全研究中心， 英國 格拉斯哥 G4 0LZ)

以含水乙醇重整燃料發(fā)動機為研究對象[1]，該發(fā)動機在LJ4K18QS雙燃料發(fā)動機基礎(chǔ)上加裝乙醇重整器與緩沖罐[2]，其工作模式分為汽油模式和乙醇重整氣模式。在乙醇重整氣模式下，該發(fā)動機采用含水乙醇裂解后,以具有良好燃燒特性的富氫混合氣與乙醇燃料相混合作為發(fā)動機燃料，與汽油相比，可提升燃油的經(jīng)濟性并改善發(fā)動機排放。

乙醇重整燃料發(fā)動機控制系統(tǒng)在汽油模式和重整氣模式下的控制是有區(qū)別的，體現(xiàn)在對各控制參數(shù)的控制脈譜圖中。本文重點研究是在發(fā)動機乙醇重整氣工作模式下，如何合理設定工作參數(shù)以保證發(fā)動機的性能。

發(fā)動機控制單元(Engine Control Unit, ECU)中固化的脈譜圖是發(fā)動機控制策略實現(xiàn)的基礎(chǔ)。[3]脈譜圖的確定需要進行大量的標定試驗，基于建模軟件進行發(fā)動機的仿真和建模，通過模型的計算預測發(fā)動機在各工況下的最佳運轉(zhuǎn)參數(shù),指導發(fā)動機執(zhí)行控制的脈譜圖。點火控制效果的好壞是發(fā)動機控制策略中影響發(fā)動機性能的直接因素。

本文以發(fā)動機點火提前角控制為例，采用GT-Power進行發(fā)動機的建模和仿真，設置和校準發(fā)動機汽油模型可使其充分代表發(fā)動機的運轉(zhuǎn),以此為基礎(chǔ)進一步開發(fā)發(fā)動機重整氣模型。通過發(fā)動機建模對在重整氣模式下，各工況點的不同點火提前角與空燃比下的運行計算結(jié)果進行分析，選擇在各工況條件下的最佳空燃比和最佳點火提前角[4]，組成基于轉(zhuǎn)速和負荷的點火提前角脈譜圖，對點火提前角的控制策略進行指導。

1 乙醇重整燃料發(fā)動機試驗平臺

乙醇重整燃料發(fā)動機以4缸LJ4K18QS汽油和天然氣雙燃料發(fā)動機為原型，在進氣道加裝乙醇重整氣噴氣閥氣軌，在排氣管后加裝自主研發(fā)設計的乙醇重整器與重整氣緩沖罐(見圖1)。

圖1 發(fā)動機試驗臺架

發(fā)動機使用乙醇經(jīng)過重整器在催化劑作用下發(fā)生重整反應后的富氫氣體作為燃料，含水乙醇在經(jīng)過重整后可提升發(fā)動機的熱效率，也使發(fā)動機的排放性能得到改善，其工作原理見圖2。

圖2 乙醇重整燃料發(fā)動機工作原理

發(fā)動機以汽油模式和乙醇模式等2種狀態(tài)運行。在汽油模式下完成啟動、暖機后進入工作狀態(tài)后，發(fā)動機排氣管路的排溫逐步升高，通過排氣管的廢氣余熱提升與之相連的乙醇重整器的床溫，當床溫足夠高后，乙醇進入重整器發(fā)生重整反應，建立與之相連的緩沖器的壓力，當產(chǎn)生足夠的壓力后，ECU由汽油模式切換為乙醇模式。主要測試設備包括：江蘇啟測的Y380測功器和EMC900測功監(jiān)控系統(tǒng)；Kistler5015A型電荷放大器和KISTLER7013壓力傳感器。

2 發(fā)動機建模相關(guān)參數(shù)

LJ4K18QS發(fā)動機采用自然吸氣式進氣系統(tǒng)，氣缸內(nèi)的工作介質(zhì)是理想氣體，發(fā)動機建模相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機建模相關(guān)參數(shù)

3 發(fā)動機模型建立

GT-Power是一種廣泛用于發(fā)動機建模和分析的一維仿真軟件。通過一套復雜的求解器和算法，GT-Power能夠模擬發(fā)動機的工作過程，還可模擬在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)狀態(tài)下各種發(fā)動機類型的操作，是發(fā)動機工作過程模擬的有效工具之一。[5]設置發(fā)動機模型的步驟為

1)選擇組件塊，使其足以表示發(fā)動機布局并建立適當?shù)幕ミB。

2)設置所有模塊的輸入數(shù)據(jù)。對參考點執(zhí)行模型常數(shù)的初步校準，并執(zhí)行模擬運行。

3)完成模型常數(shù)微調(diào)，獲得所需的精度。

設置模型所需的輸入數(shù)據(jù)包括:發(fā)動機幾何數(shù)據(jù)、進氣閥和排氣閥的升程曲線、發(fā)動機模型常數(shù)(燃燒、傳熱和摩擦)、發(fā)動機工作點(負載/速度)和環(huán)境條件、發(fā)動機氣缸、進排氣管道中所含工作介質(zhì)的溫度、壓力和成分等初始條件[6](見圖3)。

圖3 GT-Power環(huán)境下的發(fā)動機模型

4 發(fā)動機模型驗證

在模型建立完畢之后，選擇100%負荷，分析在1 200～4 400 r/min內(nèi)各工況下的模型計算結(jié)果，并與實機測試數(shù)據(jù)相比對。對比模型參數(shù)包括:發(fā)動機指示功率、發(fā)動機制動扭矩、發(fā)動機油耗率(Indicated Specific Fuel Consumption,ISFC)、最高缸壓與最高缸壓對應的曲軸轉(zhuǎn)角以及在3 200 r/min、100%負荷下的完整缸壓曲線見圖4。

由圖4可知：模型計算結(jié)果與實機測試結(jié)果之間的誤差均在3%以內(nèi)，可驗證模型的足夠精度[7]，以用于模擬發(fā)動機穩(wěn)態(tài)行為。

5 構(gòu)建乙醇重整氣模式點火提前角脈譜圖

5.1 乙醇重整氣燃料成分分析和燃燒模型構(gòu)建

進入氣缸的重整氣在各工況下的成分是不同的，原因是重整燃料的重整率在各個工況下不同。重整率[8]為

(1)

重整氣經(jīng)氣液分離器后氣態(tài)組分和含量采用氣相色譜儀GC7900進行分析。由臺架試驗所得各工況下乙醇重整氣的成分質(zhì)量百分比見表2。

a)發(fā)動機功率

b)發(fā)動機扭矩

c)發(fā)動機最高缸壓

d)發(fā)動機最高缸壓對應曲軸轉(zhuǎn)角

e)發(fā)動機油耗率

f)3 200 r/min、100%負荷缸壓曲線

由于乙醇重整氣的火焰層流燃燒速度低于汽油，因此,需要對燃燒模型中的層流火焰速度進行重新定義。影響乙醇重整氣燃燒速度的各參數(shù)見表3。

表2 各工況下的重整氣成分及比例

表3 重整氣層流燃燒速度參數(shù)

表3中:Bm為最大層流速度；BΦ為層流速度衰減值；Φ為缸內(nèi)當量比；Φm為最大轉(zhuǎn)速時的當量比；α為溫度指數(shù)；β為壓力指數(shù)。

5.2 提前角脈譜圖構(gòu)建策略

基于發(fā)動機在不同工況下乙醇重整燃料的成分質(zhì)量比，將燃料配比輸入到模型中。觀察將點火提前角以1°CA為間隔，在35°CA～5°CA內(nèi)，比較發(fā)動機在設定的穩(wěn)定工況下,不同點火提前角的有效功率、有效扭矩和油耗率，選擇在功率和扭矩最大、燃氣消耗率最小時對應的參數(shù)值作為此工況下最優(yōu)點火提前角。

由于發(fā)動機燃用乙醇重整燃料需要熱穩(wěn)定狀態(tài)，最適合的應用為發(fā)電機的原動機，本文的模擬工況選取低、中和高速的負荷特性。首先，在固定的發(fā)動機負荷下調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速，找出發(fā)動機在1 200 r/min、2 000 r/min、2 800 r/min、3 600 r/min和4 400 r/min等5個不同轉(zhuǎn)速下點火提前角的最優(yōu)值;隨著調(diào)節(jié)節(jié)氣門的開度，使發(fā)動機分別處于25%、50%、75%和100%等4個不同負荷，以達到覆蓋發(fā)動機的不同轉(zhuǎn)速和負荷的目的。

計算結(jié)束后，每個點都按照轉(zhuǎn)速和負荷排列，形成一張乙醇重整發(fā)動機最佳點火提前角的脈譜圖，指導發(fā)動機在重整氣模式下的控制策略。

在25%、50%、75%和100%負荷下，不同點火提前角對各轉(zhuǎn)速下發(fā)動機的扭矩、功率和燃氣消耗率的影響的計算結(jié)果曲線分別見圖5～圖8。

分析圖5～圖8的計算結(jié)果，對扭矩和功率而言，各工況下最佳點火提前角見表4;對油耗率而言，各工況最佳點火提前角見表5。

由于動力性最佳的點火提前角與經(jīng)濟性最佳的點火提前角非常接近，因此,采用平均的方法，對動力性和經(jīng)濟性進行綜合考慮，選擇功率和扭矩最高而燃氣消耗率最低的點火提前角。總結(jié)以上在各工況下的最佳點火角，可得在乙醇重整氣模式下的最佳點火提前角指導脈譜表和脈譜圖分別見表6和圖9。

a)扭矩

b)功率

c)燃氣消耗率

a)扭矩

b)功率

c)燃氣消耗率

a)扭矩

b)功率

c)燃氣消耗率

a)扭矩

b)功率

c)燃氣消耗率

表4 最佳點火提前角脈譜表

表5 最佳點火提前角脈譜表

表6 最佳點火提前角脈譜表

圖9 最佳點火提前角指導脈譜圖

6 結(jié)束語

為使乙醇在重整氣模式下的發(fā)動機控制策略更加完備，通過改變在乙醇重整燃料下發(fā)動機模型的點火提前角，并基于模型計算結(jié)果對發(fā)動機性能的指導選擇各工況的最佳點火提前角，得出1張重整氣模式點火控制的最佳點火提前角脈譜圖。以LJ4K18Q型點燃式發(fā)動機燃用乙醇重整燃料控制策略為指導，ECU根據(jù)此點火角脈譜圖,在發(fā)動機理想狀態(tài)下可獲得最佳的動力性與經(jīng)濟性。由計算結(jié)果可知:負荷不變轉(zhuǎn)速增加，點火提前角增大；轉(zhuǎn)速不變負荷增加，點火提前角減小。