尹兆雷，王 哲，鄧 俊，章 桐

（1.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車(chē)工程中心，上海201804；2.同濟(jì)大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院，上海201804）

在日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的雙重壓力下，汽車(chē)工業(yè)對(duì)傳統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)提出了更加嚴(yán)格的節(jié)能環(huán)保要求.混合動(dòng)力汽車(chē)（hybrid electric vehicle，HEV）一方面可以充分利用傳統(tǒng)汽車(chē)的技術(shù)成果和工業(yè)基礎(chǔ)，另一方面可以有效減少排放、降低油耗，是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)向零排放電動(dòng)汽車(chē)過(guò)渡的切實(shí)可行方案.直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，作為混合動(dòng)力的解決方案之一[1]，由于其具有效率高、質(zhì)量輕、有害氣體排放低和可使用多種燃料等特點(diǎn)[2]，受到了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)越來(lái)越多的關(guān)注[3－5].自20世紀(jì)80年代以來(lái)，歐、美等科研機(jī)構(gòu)紛紛在該領(lǐng)域投入大量的研究工作.美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的與直線(xiàn)發(fā)電機(jī)有機(jī)結(jié)合的樣機(jī)，采用均質(zhì)充量壓燃（HCCI）的燃燒方式，實(shí)現(xiàn)了高效、輕量、有害氣體排放低，并可適用于多種燃料[6]；美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)試制了可用于混合動(dòng)力汽車(chē)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)系統(tǒng)[7]；瑞典皇家理工學(xué)院在自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)功率波動(dòng)的影響因素方面做了研究.通過(guò)模型的仿真，發(fā)現(xiàn)電磁力是影響功率波動(dòng)的最主要因素.在國(guó)內(nèi)，上海交通大學(xué)利用 Matlab／Simulink、Chemkin、電磁場(chǎng)有限元法對(duì)HCCI自由活塞式內(nèi)燃發(fā)電機(jī)建立了仿真模型，分析了該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特征[8]；浙江大學(xué)對(duì)液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量的研究工作，如液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真，能量分析，原理樣機(jī)的研制，壓縮比的控制，點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能量回收的研究以及控制器的設(shè)計(jì)等[9].

本課題中的直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成，且直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)可以正常點(diǎn)火起動(dòng).本文旨在采用GT－Power發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件，建立直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型，并利用直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，深入分析直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)及怠速過(guò)程的燃燒特性，并對(duì)怠速控制參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)研究.

1 直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)介紹

課題組開(kāi)發(fā)的直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)如圖1所示，參數(shù)見(jiàn)表1，測(cè)控系統(tǒng)如圖2所示.

圖1 直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)Fig.1 Experimental prototype of linear－engine

表1 直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of linear engine

直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)采用了雙活塞式結(jié)構(gòu)，即有兩個(gè)燃燒室和一個(gè)活塞組，活塞由連桿固定連接；與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)取消了曲柄連桿結(jié)構(gòu)，零件數(shù)目減少，結(jié)構(gòu)重量變輕，從而避免了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)中曲軸和軸承所消耗的大量摩擦熱，以及由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)所引起的側(cè)向力而造成的活塞上的摩擦，機(jī)械效率高且機(jī)器壽命長(zhǎng).

由于去除了曲柄連桿機(jī)構(gòu)，課題組利用AutoCAD及Pro／E軟件重新設(shè)計(jì)了掃氣箱[10]，保證了改裝后掃氣箱的壓縮比與原機(jī)曲軸箱的壓縮比相等；樣機(jī)的供油系統(tǒng)由原機(jī)的化油器式改裝為進(jìn)氣道噴射的電控噴油器式，點(diǎn)火系統(tǒng)由原機(jī)的磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)電容二極管點(diǎn)火（condenser diode ignite，CDI）點(diǎn)火系統(tǒng)改裝為單片機(jī)控制的數(shù)字式電控點(diǎn)火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空燃比和點(diǎn)火時(shí)刻的精確控制.

直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)依靠課題組自主設(shè)計(jì)的偏心輪－滑塊機(jī)構(gòu)起動(dòng).如圖2所示，起動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)與偏心輪同軸的飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪的旋轉(zhuǎn)通過(guò)偏心輪－滑塊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為活塞連桿的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而壓縮可燃混合氣，火花塞點(diǎn)火，直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)著火起動(dòng).

圖2 直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)示意圖Fig.2 Control system of linear engine prototype

2 直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型及其驗(yàn)證

根據(jù)直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)樣機(jī)參數(shù)建立直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)GT－Power仿真模型.仿真模型主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、掃氣箱、氣缸、排氣系統(tǒng)組成，如圖3所示.

圖3 直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)GT－Power仿真模型Fig.3 GT－Power simulation model of the linear engine

2.1 氣缸幾何形狀定義

由于直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)取消了曲柄連桿機(jī)構(gòu)，故不能用傳統(tǒng)的方法定義氣缸幾何的參考對(duì)象cylgeom，即不能用傳統(tǒng)的方法定義直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的運(yùn)動(dòng)軌跡.本文中的直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)GT－Power仿真模型將氣缸幾何的參考對(duì)象cylgeom 改為EngCylGeom User.在EngCylGeom User中，可以通過(guò)輸入改裝的直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞瞬時(shí)位移與仿真模型中發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬曲軸轉(zhuǎn)角之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)模擬直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn).

2.2 直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型中噴射系統(tǒng)定義

由于直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用電控噴油器式噴射系統(tǒng).該噴油器單位時(shí)間噴油量一定，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變噴油脈寬來(lái)調(diào)節(jié)空燃比.所以在GT－Power仿真中采用InjPulseConn模塊來(lái)模擬樣機(jī)的進(jìn)氣道噴射.

2.3 直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型中燃燒模型定義

為了更好地預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況，本文采用準(zhǔn)維燃燒模型來(lái)模擬直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒.

2.4 直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖4和圖5分別給出了1 300 r·min－1、過(guò)量空氣系數(shù)α為1.5時(shí)，不同點(diǎn)火位置下的左缸壓力仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比.

圖4 點(diǎn)火時(shí)刻為上止點(diǎn)前1.0 mm（－16.26°）時(shí)直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Cylinder pressure data comparison between engine experiment and the simulation results of GTPower linear engine model when the ignition time is 1.0 mm（－16.26°）before top dead center

圖5 點(diǎn)火時(shí)刻為上止點(diǎn)前1.5 mm（－19.95°）時(shí)直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Cylinder pressure data comparison between engine experiment and the simulation results of GTPower linear engine model when the ignition time is 1.5 mm（－19.95°）before top dead center

從圖4，5中可以看到，直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合.同時(shí)，對(duì)比進(jìn)氣系統(tǒng)的空氣流量、進(jìn)氣壓力、瞬時(shí)放熱率、累積放熱量等參數(shù)的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，誤差都在允許范圍內(nèi)，表明所建立仿真模型的計(jì)算結(jié)果與直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)有較好的一致性，可以滿(mǎn)足后續(xù)性能預(yù)測(cè)和優(yōu)化的需要.

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

圖6—8給出了轉(zhuǎn)速為1 300 r·min－1、過(guò)量空氣系數(shù)α為1.5時(shí)點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率及累積放熱量的影響規(guī)律.由圖可知，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻在上止點(diǎn)之前時(shí)，在點(diǎn)火之后，壓力迅速升高，缸內(nèi)壓力的升高速度隨點(diǎn)火時(shí)刻的提前逐漸加快，缸壓峰值在點(diǎn)火時(shí)刻為－40°時(shí)達(dá)到最大值.當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻在上止點(diǎn)或者上止點(diǎn)之后時(shí)，直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)后燃逐漸增多，缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)出現(xiàn)雙峰值，第一個(gè)缸壓峰值為壓縮壓力峰值，第二個(gè)缸壓峰值為燃燒壓力峰值.隨著點(diǎn)火時(shí)刻的延后，燃燒壓力峰值逐漸推遲，峰值壓力也依次降低.

圖6 不同點(diǎn)火時(shí)刻下缸壓波形對(duì)比Fig.6 Cylinder pressure at different ignition time

圖7 不同點(diǎn)火時(shí)刻下瞬時(shí)放熱率波形對(duì)比Fig.7 Heat release rate at different ignition time

圖8 不同點(diǎn)火時(shí)刻下累積放熱量波形對(duì)比Fig.8 Accumulation heat release at different ignition time

由圖7可知，隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲，瞬時(shí)放熱率峰值并非依次降低，在點(diǎn)火時(shí)刻為－40°時(shí)，瞬時(shí)放熱率峰值最大.當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻在上止點(diǎn)時(shí)，瞬時(shí)放熱率曲線(xiàn)有明顯的雙峰值現(xiàn)象，即在主放熱后還會(huì)有一定程度的熱量釋放.

由圖8可知，雖然可燃混合氣濃度較稀，但隨著點(diǎn)火提前角的變化，可燃混合氣的燃燒程度存在著不同，所以累積放熱量存在著不同.累積放熱量與瞬時(shí)放熱率的變化相對(duì)應(yīng)，在點(diǎn)火時(shí)刻為－40°時(shí)，累積放熱總量最大.在點(diǎn)火時(shí)刻處于上止點(diǎn)之后時(shí)，點(diǎn)火時(shí)刻推遲對(duì)累積放熱總量影響不大.

3.2 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

由于直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)供油方式為電控噴油器式，所以仿真模型通過(guò)控制循環(huán)噴油脈寬來(lái)改變氣缸內(nèi)混合氣濃度.增加循環(huán)噴油脈寬，則氣缸內(nèi)混合氣變濃，過(guò)量空氣系數(shù)減小.圖9給出了直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r·min－1，點(diǎn)火位置為上止點(diǎn)前20°時(shí)，過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)氣缸壓力波形的影響規(guī)律.當(dāng)循環(huán)噴油脈寬為5 ms時(shí)，過(guò)量空氣系數(shù)α為1.62，缸內(nèi)混合氣較稀，爆發(fā)壓力較小.隨著循環(huán)噴油脈寬的增加，過(guò)量空氣系數(shù)減小，混合氣變濃，爆發(fā)壓力逐漸升高，缸壓峰值出現(xiàn)位置也逐漸提前.當(dāng)噴油脈寬為11 ms即過(guò)量空氣系數(shù)α為0.83時(shí)，缸壓峰值達(dá)到最大值，然后隨著噴油脈寬增加又有所降低.點(diǎn)火后缸壓的升高速率也是隨著過(guò)量空氣系數(shù)的減小而依次加快.爆發(fā)壓力峰值取決于燃燒放熱量和放熱時(shí)刻，放熱量越大，主放熱時(shí)刻越接近上止點(diǎn)，則產(chǎn)生的缸壓峰值越高.

圖9 不同過(guò)量空氣系數(shù)下缸壓曲線(xiàn)對(duì)比Fig.9 Cylinder pressure at different excess air ratio

圖10給出了首循環(huán)在不同過(guò)量空氣系數(shù)下瞬時(shí)放熱率的對(duì)比.瞬時(shí)放熱率峰值并不隨過(guò)量空氣系數(shù)的減小而單調(diào)升高，在噴油脈寬為11 ms（α＝0.83）時(shí)，瞬時(shí)放熱率峰值最大.

圖10 不同過(guò)量空氣系數(shù)下瞬時(shí)放熱率曲線(xiàn)對(duì)比Fig.10 Heat release rate at different excess air ratio

瞬時(shí)放熱率反映了缸內(nèi)實(shí)時(shí)燃燒速度的快慢，累積放熱量除了反映燃燒速度外，還反映出放熱總量的變化，圖11對(duì)比了不同過(guò)量空氣系數(shù)下的累積放熱量.累積放熱量曲線(xiàn)切線(xiàn)斜率就是瞬時(shí)放熱率，當(dāng)瞬時(shí)放熱率為零時(shí)，累積放熱量趨于平穩(wěn).在燃燒初期，累積放熱量曲線(xiàn)與瞬時(shí)放熱率都反映出燃燒速度隨著噴油脈寬增加而加快.但最終累積放熱量并不是隨過(guò)量空氣系數(shù)的減小而單調(diào)增加，在噴油脈寬13 ms（α＝0.72）時(shí)，累積放熱總量最大，噴油脈寬為11 ms（α＝0.83）時(shí)，累積放熱總量?jī)H次之.當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)較大時(shí)，可供燃燒的燃油較少，所以總的熱量釋放較少.當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)較小時(shí)，雖然燃燒初期燃燒速度快，但是在燃燒后期氧氣不足加劇了不完全燃燒，因而累積放熱總量也會(huì)降低.

圖11 不同過(guò)量空氣系數(shù)下累積放熱量曲線(xiàn)對(duì)比Fig.11 Accumulation heat release at different excess air ratio

對(duì)比圖9與圖11，在噴油脈寬為9 ms（α＝0.98）和15 ms（α＝0.62）時(shí)，雖然累積放熱量接近，但是缸壓差別很大，這是由于主要的燃燒熱量釋放時(shí)刻和燃燒持續(xù)期有較大差異造成的.噴油脈寬為9 ms時(shí)，燃燒速度較快，最大熱量釋放發(fā)生在定容燃燒階段，所以爆發(fā)壓力很高.而噴油脈寬為15ms時(shí)，燃燒速度慢，燃燒持續(xù)期長(zhǎng)，所以爆發(fā)壓力較低.

4 結(jié)論

本文基于GT－Power建立了直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的仿真模型，在利用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，研究直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性，并對(duì)怠速控制參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)研究，為后續(xù)的直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)優(yōu)化提供理論依據(jù)：

（1）在相同過(guò)量空氣系數(shù)下，點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)速下燃燒特性具有一定影響，直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火時(shí)刻為－40°時(shí)，缸壓峰值達(dá)到最大值，瞬時(shí)放熱率峰值最大以及累積放熱總量最多，表明此點(diǎn)火時(shí)刻下直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性最好.

（2）在相同的點(diǎn)火時(shí)刻下，過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)速下燃燒特性影響更加顯著，在噴油脈寬為11 ms（α＝0.83）時(shí)，直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓峰值最大，瞬時(shí)放熱率峰值最大，累積放熱總量較多，表明此噴油脈寬下直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性最好.

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