M15 发动机性能模拟研究

高启明，周斌

( 西南交通大学机械工程学院，四川成都610031)

0 引言

从20 世纪70 年代起，世界各工业国家都明显地预感到石油燃料终将枯竭。在长期对内燃机代用燃料的研究中人们发现，醇类燃料是石油、天然气以外最有前途的燃料。在醇类燃料中，甲醇因具有与汽油的诸多相似性和生产便利性受到各国学者的青睐。纯甲醇具有很高的腐蚀性和较强的挥发性能，在不改变现有发动机结构条件下不宜直接使用。但近期研究发现： 低比例甲醇汽油混合燃料在掺入添加剂的条件下可以直接在现有的发动机上使用，其热效率、动力性、启动性、经济性良好，具有降低排放、节省石油、安全方便等特点。但因为甲醇自身具有较高的气化潜热值及较快的燃烧速度特点，导致混合燃料与原发动机相关参数不匹配，其中点火提前角就是一个受影响的重要参数，点火提前角过大或过小都会对发动机动力性产生很大影响。文中从混合燃料特性改变上分析，利用GTPower 软件对某4 缸VVT 汽油机使用M15 (含有15%甲醇的汽油) 时某工况下的工作过程进行仿真研究，通过调整点火提前角达到提高其动力性的目的。

1 发动机模型的建立

作者利用GT-Power 软件对某4 缸VVT 发动机进行建模。建立的发动机模型主要由进气系统、气缸、排气系统三部分组成。建立的模型见图1。发动机主要性能参数见表1。

表1 发动机主要性能参数

2 模型的验证

输入发动机的技术参数到所建立的模型中，运行程序可得到转速为3 000 r/min 时发动机气缸内最高压力、平均有效压力、机械效率等结果，通过与现有的实验结果进行比对分析，来验证模型的可用性。模型结果与实验结果的对比见表2。

由表2 可以看出，根据建立的模型计算得出的各目标值与实验值误差均在4%以内，证明了模型的正确性、可用性。

在此模型中直接使用M15，得到的发动机动力性能指标(平均指示压力、功率、扭矩及最大扭矩) 见表3。

表3 优化前动力性能指标比较

可以看出： 发动机在直接使用M15 后，动力性能会有不同程度的降低。原因主要是甲醇的物性及燃烧特性较汽油有很大差异，从而导致了燃料与发动机相关参数不匹配，其中点火提前角就是被影响到的一个重要因素。作者将从甲醇特性出发，通过对点火提前角的调整，以期提高发动机的动力性能。

3 点火提前角的调整

3.1 点火提前角度调整依据

汽油掺烧15%甲醇后，混合燃料特性会有如下变化：

(1) 混合燃料辛烷值增大。辛烷值越大表明燃料的抗爆性能好，可缩短点火提前时间。

(2) 混合燃料气化潜热高。潜热大，使缸内压缩温度和燃烧最高温度下降。

(3) 混合燃料火焰传播速度增大。滞燃期缩短，可适当缩短点火提前时间。

综上分析可知： 使用原汽油机燃用M15，应适当缩短点火提前时间。按照燃料混合原理计算出甲醇汽油的物性参数，同时最佳点火提前角必须满足原气缸压强和相关扭矩的极限范围。原汽油机在3 000 r/min 时的最佳点火提前角θig是-18.5℃A，根据以上条件，把此工况下点火提前角优化范围设定在-13 ～-18.5 ℃A 之间。

3.2 各点火提前角下的动力性能指标比较

图2 和3 分别是不同点火角度对应下的内燃机P -v 图与扭矩图。

同时得到不同点火提前角下，发动机平均压力、平均功率及平均扭矩的大小，见表4。

表4 各提前角下动力性能指标对比

通过P-v 图、扭矩图以及表4，可以得出： 在不改变原汽油机的结构下，通过调节点火提前角可以提高发动机的功率与扭矩; 在-18.5 ～-13 ℃A 内，点火提前角调整到-15 ℃A 左右可以得到最高的动力性能，与优化前相比得到表5。

表5 优化前后动力性能指标比较

通过表2 与表5 的比较可以看出： 发动机使用M15，通过改变点火提前角，气缸内平均压力提高0.87%，功率提高0.88%，扭矩提高0.81%，有效地提高了发动机的动力性能，使发动机燃用M15 与纯汽油时的动力性指标接近，其中最大扭矩较原汽油机有了很大提高。

4 结论

利用专业发动机模拟仿真软件GT-Power，对某VVT 发动机进行建模，分析研究其使用M15 后动力性能变化，并分析点火提前角对其动力性能的影响，得到以下结论：

(1) 直接在原发动机上使用M15，其动力性能指标有不同程度的降低，这跟甲醇的物性及燃烧特性有关。

(2) 发动机使用M15 后，可以通过调节点火提前角，使汽油机动力性能得到提高。

【1】何学良.内燃机燃料［M］.北京：中国石化出版社，1999.

【2】崔心存.内燃机的代用燃料［M］.北京：机械工业出版社，1990.

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