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1、电喷汽油机瞬态加速工作过程的数值模拟项里程帅石金王建听清华大学汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实脸室摘要:研究发动机的过渡工作过程对于了解发动机的实际工作状态，进而有效地控制发动机的动力性、经济性和排放性能具有十分I要的作用.本文以发动机工作过程专用救值模拟软件BOOST为平台，通过建立电喷发动机EQ491i加速工况的完整模型对发动机的加速工况进行了模拟，并对模拟结果进行了试脸验证结果表明所建立的模型能较好地预浏发动机的瞬态加速性能.关位词:数值模拟，加速过程，电喻发动机Numerical Simulation of Transient Acceleration of EFI engines
2、Xiang Li-Cheng, Shuai Shi-Jin, Wang Jian-Xin(State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Department of Automotive Engineering. Tsinghua University)Abstract: The vehicle engine is often running under the transient conditions, such as acceleration and deceleration. Itis very important to stud
3、y the transient behavior in order to understand the on-road working process of the engine andthen to improve its power, economy and emissions. In this paper, an engine cycle simulation software BOOST is used toestablish a model of the acceleration working process of EFI engine (EQ491i) to simulate t
4、he acceleration process of theengine. The model is validated with the experiments and the simulation results show that the model has a good accuracyand it can predict the acceleration performance of the engine well.Key words: Numerical simulation, Acceleration process, EFI engine几.引言汽车在实际道路行驶时，发动机经常
5、处于过渡工况下工作，如加速超车、减速停车过程等而过渡工况下，发动机的转速和负荷会发生改变，引起混合气形成、燃烧等发生变化，导致发动机的动力性、经济性和排放性能与通常研究的稳态工况有很大不同。因此只有研究发动机的过渡工况特性，才能更加全面准确地模拟发动机的工作过程，为发动机的研究开发提供设计依据。但是，发动机的过渡工作过程是非常复杂的，涉及到流体的流动、燃烧，控制系统的变化以及运动件的动态响应等。稳态工况下很容易测量和分析的参数在瞬态工况下则很难测量和分析。由于试验条件的限制，对发动机瞬态工况的试验研究非常困难，而在侧t发动机的研究开发中，发动机工作过程数值摸拟已成为一种必不可少且非常有效的研究
6、手段但由于瞬态工作过程模型建立和参数的选择比较复杂，难度较大。因此在过去很长一段时间，发动机工作过程数值模拟主要集中在稳态工况的数值模拟，而且模型和算法比较成熟。九十年代以来，大量商用CFD软件的出现为发动机的研究开发提供了一个有效的工作平台 本文采用奥地利ARIL公司的发动机专用循环数值模拟软件BOOST模拟发动机的瞬态加速工况，着重考虑发动机加速过程中，缸内嫩烧模型参数的变化，整个加速过程的动力学特点和电子控制模块(ECU)对缸内混合气空嫩比的闭环控制策略等。2，加邃工作过程模型的建立本文模拟发动机由低息速变化到高怠速的加速过程。对应于真实发动机开始处于空载怠速状态。发动机在息速稳定运转一
7、段时间后。节气门人为地由全关迅速阶跃到某一开度，此时发动机的加速过程。图1是用BOOST搭建的整个发动机过渡工况数值模拟的拓朴图。详细的建模过程可参考文献11 21。这里仅对瞬态工况涉及到的节气门模型、燃烧模型、动力学模型以及ECU控制模型等进行描述。(1)节气门由于软件没有直接提供节气门模型，因此选择旋转阀模型来模拟节气门，通过改变旋转阀的流量系数来模拟节气门开度变化。由于旋转阀的流量系数和节气门的开度没有直接的对应关系，本文通过第三个参数进气歧管绝对压力来找到它们之间的关系。通过试验数据可知，在稳态下，发动机怠速转速为800 r/min左右时，节气门全关时进气歧管绝对压力为38.7 kPa
8、，因此将发动机初始转速设置为转速800 r/min，反复调节旋转阀的参数并进行计算，通过后处理分析，当模拟计算结果的进气歧管绝对压力为38.7 kPa左右时，此时的旋转阀的流量系数可以模拟节气门全关的情形。由试验可知，在发动机转速为2500 r/min节气门开度6%时，进气歧管绝对压力为”kPa，此时再改变初始参数，设置发动机转速为2500 r/min，反复调节旋转阀参数并计算，直到进气歧管绝对压力为33 kPa为止，这时的流量系数对应于节气门6%开度时的情形由以上方法可以确定对应于发动机节气门全关和6%开度的旋转阀流量系数。流量系数随时的变化如图2所示。它对应于试验时节气门开度随时间的变化规
9、律。11厂.1极吸喇瑞20时间(5)圈2旋转门旅.系数自时间变化的曲钱2)燃烧模型采用单区vibe模型:(m+l)ye-dx =丝Q_IP一Vo中,式中期:x已燃燃油百分比;Q燃油燃烧的总放热量:p曲轴转角;仇燃烧始点:AY,燃烧持续m形状参数:a vibe参数a=6.9时，完全姗烧)。，对稳态燃烧，上式9)o、&Pc、m等是不变的，而对瞬态工况，必须对这些参数进行调整设置燃烧始点:由于模拟缸内的燃烧过程选用的是单区VIBE模型，该模型的输人参数是燃烧始点。而实际发动机控制的是点火提前角，进而控制燃烧过程的燃烧始点。因而只能根据点火提前角的变化趋势来估计燃烧始点的变化趋势。本文根据测得的发动机
10、点火提前角来确定姗烧始点.当发动机怠速时，点火提前角很小，相应的樵烧始点也很靠后:当发动机转速逐渐提高时，点火提前角逐渐增大，点火逐渐提前，相应的嫌烧始点也提前。能烧始点设晋如图3所示。咬誉10v弓通救_瑕一iU簇一30800140020002600转速(r/min)圈3姗烧始点防时间变化的曲钱姗烧持续期:发动机在怠速工况下，发动机转速很低，这时的点火提前角也很小，因而此时用曲种转角表示的姗烧持续期也较小:随着节气门的开大，发动机的转速不断提高，发动机的燃烧时间变短，但用曲轴转角表示的发动机的姗烧持续期却由于转速的提高不断加大。参考相关资料闭，赫烧持续期的设置结果如图4所示。(。P)舞端黛瑕羲
11、80016002400320口转速(r/min)困姗烧持续期自转速的变化形状参数二:在发动机缸内的赫烧参数中，形状参数m决定了发动机缸内燃烧放热率曲线的形状，m越小，相应的燃烧速度越快，此时燃油消耗率及排气温度减低，但压力升高率及最高爆发压力也谁之增大，发动机工作粗暴:m越大，相应的燃烧速度越慢，后燃较严重，燃油消耗率及排气沮度也谁之上升。根据这一规律，并参考文献I2提供的参考数据，对形状函数进行设置随着转速提高，然烧速度加快，形状函数逐渐减小，最后设置的结果如图5所示。35已摇确冬酸1.5一900 1600转速(r/min)2400.图s形状.傲随转速的变化(3)加速过程的动力学描述图6所示
12、为发动机过渡工况下的动力系统传动图。排气圈发动机的动力传动圈描述过渡过程的动力学总方程:T,一Tg一TL一TF_i dco dr 式中，T,为发动机发出的指示转矩:几为有效转矩:T,为载荷转矩:Ts为机械损失转矩;了为总的转动惯量;dao为角加速度。dr载荷转矩的方程:3兀=T +koU()式中，T为转矩常数:K为载荷系数;s为幂指数。对于固定载荷(如道路坡度阻力、部分滚动阻力等)TAO, k=0:对于线性载荷如电力制动、发电机等):T=O, kO, s=1:对于平方载荷如螺旋桨推进器、水力测功机、空气动力学阻力等):T=O, k0, s=2。对于本文所模拟的空载加速过程T=O,k二0，即孔二
13、。(4)ECU模型ECU读取各个输人参数，通过查找MAP图获得输出量，控制输出参数。输人参数有:发动机负荷、转速，外界压力和温度，测量点或容积腔的压力、温度，测量点的质量流量等。输出量有:发动机的空燃比和点火正时、进排气凸轮的相位、喉管和气门的流量系数等此外ECU还可以实现复杂控制，比如，可以对基本FLAP图进行修正。二2在本文的ECU参数设置中，用ECU控制喷油器，从而控制混合气的空燃比，使其保持理论空燃比14.6,3000一5004日寸间(。)圈，发动机转妇斑时间变化的曲眺 反J月住心山兰只日考JI_诊4时间(s1圈8进气歧曹绝对压力变化曲线3.摸拟结果验证与分析为了验证本文所建模型的精度
14、，在发动机台架上进行了发动机动态过程的模拟试验，模拟试验的工况与模拟计算的工况相同。试验结果与模拟计算结果的对比如图7、图8所示。图7所示为进气门开度由。变到6%开度时的发动机转速加速曲线。发动机开始处于怠速状态，转速维持在800 r/min左右，在2.5秒左右节气门突然打开，发动机在空载下加速，由于试验时限制发动机的转速不超过2500 r/min，所以一旦超过2500 r/min后，测功机给发动机加载，因此模拟结果与试验结果的比较仅限于2500 r/min以下。由图可知，发动机转速的瞬态模拟值和试验值吻合很好。图8中所示为实测与模拟计算的进气歧管绝对压力变化曲线。发动机在怠速时进气歧管绝对压
15、力大约38 kPa，当节气门突然打开时，由于流通面积迅速增大，流动阻力迅速减小进气歧管绝对压力迅速增大，达到模拟最大值后，由于转速不断增加，吸气能力越来越强，气流流速随之加大，进气歧管绝对压力逐渐下降，由于转速的影响大于节气门开度的影响，最后的进气歧管绝对压力会低于息速时的压力。从图中可以看出，在怠速时和接近2500 r/min时，模拟数据与试脸数据吻合较好，中间部分模拟值略大于试验值，这可能是因为有些参数的设置还不理想造成的。图9为加速过程空燃比随时间的变化情况。在ECU模块中，发动机的空嫩比目标控制值为理论空燃比14.6。由图可知，在息速时，空燃比接近理论空燃比14.6，在节气门突然打开时
16、，由于进气歧管绝对压力迅速加大，发动机的充气系数也迅速加大，进人发动机的新鲜空气迅速增多，这时的喷油器由于控制系统的延迟和喷油器本身相应的延迟，来不及根据进气量的迅速加大而喷射足够的油，因而，混合气变稀;然后，控制系统根据传感器信号进行反馈，又迅速加浓混合气，结果混合气又变浓，这样波动几次直到混合气接近理论空燎比。玉簇侧4时间(s)图9空姗比艘时间变化曲故500400300互圣、勿寨用2004时间(s)圈is油耗随时间的变化图10是加速过程中发动机的瞬时油耗随时间的变化。从图中可以看出，在怠速时，发动机消耗的油都用来克服摩擦、放热等损失，而且这时的燃烧状况也不好，因而耗油量比较大，当节气门突然开大后，充气量迅速提高，这时混合气体的燃烧状况变好，因而此时油耗会突然下降。随着发动机转速的不断提高，摩擦损失加大，此时的油耗也逐渐加大。由于试验中油耗仪是根据长时间累积的耗油量来测量油耗的，因而对于加速过程，无法测量
