摘 要：针对某款1.5 L可变进气凸轮正时（variable cam timing，VCT）甲醇灵活燃料发动机的前期开发过程进行了仿真计算。首先进行了原汽油机的模型标定，并考虑到了火焰传播速度，在不改变原机结构的情况下对灵活燃料发动机的性能进行了预测。结果表明，随着甲醇比例的增大，发动机的动力性逐步提高，比油耗（brake specific fuel consumption，BSFC）也相应提高，但是热效率增大。最后，建立了发动机动力性和经济性的综合评价体系，对M100燃料的节气门全开（WOT）工况进行了基于模型的标定优化。结果表明，耗油率有显著下降，热效率显著提高，优化效果明显。

关键词：灵活燃料；数值仿真；试验设计（DoE）；优化

中图分类号：TK464文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.01.11

自20世纪70年代以来，由于石油危机以及汽车污染的日趋严重，国外对醇燃料进行了大规模的研究，并且在不同车辆上取得了不同程度的推广及应用[1-2]。由于考虑到生产甲醇的原料较丰富，价格又比乙醇低，所以主要研究开发甲醇燃料以及灵活燃料汽车（FFV），在解决使用中发现的问题并对其进行改进的过程中积累了宝贵的经验。

我国原国家科委在“七五”期间设立了“M100甲醇燃料应用技术”项目，在国产汽车上进行试验研究，然后又与德国合作，进行了排放、润滑、汽车实际使用等试验研究；山西云冈汽车集团公司也在车用汽油机的基础上开发成功M100发动机[4]；西安交通大学和天津大学分别对灵活燃料缸内直喷发动机和甲醇HCCI燃烧特性与排放进行了研究[5-6]。

本文针对灵活燃料发动机的前期开发，使用一款国产1.5 L VCT发动机，进行了甲醇灵活燃料发动机的数值仿真研究，针对M100燃料的WTO工况进行了基于模型的标定，对点火提前角以及过量空气系数进行了优化，为灵活燃料发动机的前期开发提供了依据。

1 发动机数值模型的建立与标定

1.1 发动机基本参数

发动机的基本参数见表1。

1.2 发动机建模

1.3 模型的标定

分别对各个转速下的缸压曲线进行了标定。其中，2 000 r/min工况缸内压力标定结果如图2所示，发动机的外特性曲线标定结果如图3所示。结果表明，缸压曲线基本重合，外特性曲线误差在5%以内，满足工程需要，可以进行后续的计算。

2 灵活燃料发动机性能预测与分析

2.1 甲醇燃料的性质

为了便于比较和分析，汽油和甲醇的主要性质列如表3。

2.2 仿真模型计算

文献[8]表明，M0、M15、M30、M50、M80、

M100的层流火焰速度呈递增趋势，但是由于目前对甲醇混合燃料的层流火焰速度的研究相对较少，并没有一个明确的经验公式来反映甲醇的比例对火焰传播速度的影响，所以本文对Bm、 BΦ、Φm等进行了线性插值，分别计算了M0、M15、M30、M50、M80、M100 6种燃料的外特性。

计算结果表明，充气效率（图4）随着甲醇含量的增高而增高，这主要是因为甲醇的汽化潜热比较大，甲醇在蒸发过程中吸热，降低气道温度，使发动机充气效率增大。而缸压曲线也随着甲醇比例的升高而升高。虽然甲醇热值比汽油低得多，但是发动机在大负荷和外特性的情况下采用开环控制方式。设置过量空气系数Φ与原机相同，而甲醇理论空燃比下的热值要高于汽油，加之充气效率的提高使喷入气缸的燃料增加，所以喷入缸内燃料的总热值随着甲醇含量的增加而增加，并且甲醇燃料的燃烧速度比汽油要快，虽然点火提前角相同，但随着甲醇混合量的增多，火焰传播速度不断升高，放热率随之增大，所以缸压增高率不断提高。综上所述，缸内爆发压力逐步增高（图5）。

从图6中可知，随着甲醇比例的增大，耗油率

（g/ kW·h）也逐渐增大，这主要是由于甲醇热值比汽油低；同时，内燃机的热效率增高，这主要因为甲醇燃烧速率快，并且汽化潜热高，多数甲醇液滴在压缩过程汽化，吸收热量，降低缸内温度，减少压缩功。虽然从图中可以看出M100的热效率要比M80热效率略有下降，由于点火提前角未作调整，也会对燃烧热效率带来一定的影响。但是总体来讲，使用灵活燃料发动机可以使发动机转矩和热效率明显提高。20世纪80年代，德克萨斯州技术大学将通用公司某款车改为M100汽油车，最大转矩上升25%[4]，由此可见，汽油机改为灵活燃料汽车后，可以使动力性增加。

3 基于模型的标定

由于燃料的性质发生了改变，发动机的控制策略也会发生相应的改变。为了使发动机更好地发挥其性能，需要对发动机进行重新标定。发动机的标定主要还是由试验来完成，但是大量的试验必然会耗费大量的物力和财力，而在发动机的前期开发中，在样机没有完全开发成熟之前，可以应用DoE方法对发动机进行基于模型的虚拟标定，为发动机电控系统控制策略提供参考，预测发动机性能。

3.1 优化目标的确定

对汽油机电控喷射系统而言，最基本的控制目标就是过量空气系数与点火提前角，它们应随发动机转速与负荷工况而变。为此，必须事先经过大量的标定试验。本文选择环境温度为300 K，大气压力为101 kPa （请换算成国际单位kPa），对M100节气门全开工况进行研究。

3.2 建立综合评价体系

以发动机的动力性指标转矩和经济性指标耗油率作为评价指标，把爆震和排气温度作为限制指标，建立发动机动力性和经济性评价体系。

为了将复杂的、相互制约的多项评价指标转化为单一的、容易比较的单指标量，引入了加权系数的概念，即反映评价者对该指标的重视程度，无量纲化方法采用标准化处理法[9]，由此得到综合评价系数方程式。

，

式中：为第j项指标观测值的样本均值；Sj为第j项指标的样本均方差；Xij为样本；Kj为第j项指标的权重系数。

3.3 试验设计

在DoE模块中，采用拉丁方方法对点火提前角和过量空气系数进行试验设计。这种方法与全因子设计相比可以大大减少试验次数，并且可以比较均匀地对试验数据进行排列组合。将50组试验设计的结果带入到软件中进行计算，选用四阶响应曲面法对数据进行建模，如图7、图8所示。

从图中可以看出，发动机的耗油率随着点火提前角的增大而先减小后增大，而随着过量空气系数的增大而减小；发动机的转矩随着点火提前角的增大而先增大，后减小，随着过量空气系数增大而减小。即过量空气系数一定时，存在一个最佳点火提前角使转矩达到最大，耗油率最小。

3.4 基于模型的标定

以转速2 000 r/min为例，对M100的过量空气系数和点火提前角进行优化，在GT-Power软件中，可以通过遗传算法直接对用户定义的函数进行取极值，也就是说，可以直接对式（6）中 进行优化，并且在软件中引入含有Douaud和Eyzat爆震公式[7]的模块，对爆震进行限制，并且限制了排气温度。为了使耗油率的油耗效果更加明显，所以主观预测耗油率的权重系数为0.8，转矩权重系数为0.2。优化后结果是点火提前角为8.279 °CA，过量空气系数为0.928，转矩由145.123 N·m增大至147.1 N·m，耗油率由542.374 g/（kW·h）降低至518.4 g/（kW·h）。

3.5 优化结果的验证

将优化结果带入到原模型中，进行了仿真模型的验证，验证结果与原结果对比见表4。

结果表明，转矩和耗油率的误差都在0.1%左右，优化结果可靠。把上述结果带入到式（6）中，得到综合评价值为1.33，优化前综合评价值为-0.31。由式（6）可知，优化前水平低于50组样本的平均水平，优化后水平高于50组样本的平均水平，并有较大提升。

同理，分别对其它转速进行优化，优化结果如图9所示。

从图9中可以看出，优化后转矩与原来基本持平，但是热效率有显著提高。主要原因是由于转矩的权重系数较小，耗油率权重系数较大，优化时偏重于优化耗油率；另外，从优化结果也可以看出，过量空气系数较原机增大（图10），喷油量随之减小，而点火提前角也进行了相应的优化，使转矩没有降低，所以耗油率降低，热效率显著提高。

4 结论

（1） 对原机进行了整机建模及标定，结果显示，标定结果与试验结果误差在5%以内，建立的模型具有较高的精度。

（2）基于原机建立了灵活燃料发动机模型，并进行了仿真计算。仿真结果分析表明，灵活燃料发动机可以使发动机的充气效率提高，转矩增大，同时热效率增大。

（3）建立了发动机动力性和经济性综合评价体系，以发动机的点火提前角和过量空气系数为优化目标，对M100的外特性工况进行了基于模型的标定。优化结果表明，发动机的转矩比优化前略有提高，但是耗油率显著下降，热效率显著提高，优化效果明显。通过GT-Power软件进行基于模型的标定可以在发动机的前期开发中预测发动机性能，为发动机电控系统和发动机ECU硬件在环仿真的控制策略提供参考。