直线发动机起动及怠速燃烧特性仿真与优化

尹兆雷，王 哲，邓 俊，章 桐

（1.同济大学 新能源汽车工程中心，上海201804；2.同济大学 汽车学院，上海201804）

在日益严峻的能源危机与环境问题的双重压力下，汽车工业对传统的动力系统提出了更加严格的节能环保要求.混合动力汽车（hybrid electric vehicle，HEV）一方面可以充分利用传统汽车的技术成果和工业基础，另一方面可以有效减少排放、降低油耗，是传统发动机汽车向零排放电动汽车过渡的切实可行方案.直线发动机－发电机系统，作为混合动力的解决方案之一[1]，由于其具有效率高、质量轻、有害气体排放低和可使用多种燃料等特点[2]，受到了国内外研究机构越来越多的关注[3－5].自20世纪80年代以来，欧、美等科研机构纷纷在该领域投入大量的研究工作.美国Sandia国家实验室开发的与直线发电机有机结合的样机，采用均质充量压燃（HCCI）的燃烧方式，实现了高效、轻量、有害气体排放低，并可适用于多种燃料[6]；美国西弗吉尼亚大学试制了可用于混合动力汽车的自由活塞发动机－发电机系统[7]；瑞典皇家理工学院在自由活塞发动机／发电机功率波动的影响因素方面做了研究.通过模型的仿真，发现电磁力是影响功率波动的最主要因素.在国内，上海交通大学利用 Matlab／Simulink、Chemkin、电磁场有限元法对HCCI自由活塞式内燃发电机建立了仿真模型，分析了该系统的运动特征[8]；浙江大学对液压自由活塞发动机进行了大量的研究工作，如液压自由活塞发动机的运动仿真，能量分析，原理样机的研制，压缩比的控制，点火系统的设计，能量回收的研究以及控制器的设计等[9].

本课题中的直线发动机样机已经开发完成，且直线发动机已经可以正常点火起动.本文旨在采用GT－Power发动机仿真软件，建立直线发动机系统仿真模型，并利用直线发动机台架实验数据进行验证，在此基础上，深入分析直线发动机起动及怠速过程的燃烧特性，并对怠速控制参数进行寻优研究.

1 直线发动机系统介绍

课题组开发的直线发动机样机如图1所示，参数见表1，测控系统如图2所示.

图1 直线发动机样机Fig.1 Experimental prototype of linear－engine

表1 直线发动机参数Tab.1 Parameters of linear engine

直线发动机系统采用了双活塞式结构，即有两个燃烧室和一个活塞组，活塞由连杆固定连接；与传统内燃机相比，直线发动机系统取消了曲柄连杆结构，零件数目减少，结构重量变轻，从而避免了传统内燃机中曲轴和轴承所消耗的大量摩擦热，以及由于曲柄连杆机构所引起的侧向力而造成的活塞上的摩擦，机械效率高且机器寿命长.

由于去除了曲柄连杆机构，课题组利用AutoCAD及Pro／E软件重新设计了扫气箱[10]，保证了改装后扫气箱的压缩比与原机曲轴箱的压缩比相等；样机的供油系统由原机的化油器式改装为进气道喷射的电控喷油器式，点火系统由原机的磁电机驱动电容二极管点火（condenser diode ignite，CDI）点火系统改装为单片机控制的数字式电控点火系统，实现了对空燃比和点火时刻的精确控制.

直线发动机系统依靠课题组自主设计的偏心轮－滑块机构起动.如图2所示，起动电机带动与偏心轮同轴的飞轮旋转，飞轮的旋转通过偏心轮－滑块机构转化为活塞连杆的直线往复运动，从而压缩可燃混合气，火花塞点火，直线发动机着火起动.

图2 直线发动机台架测控系统示意图Fig.2 Control system of linear engine prototype

2 直线发动机系统仿真模型及其验证

根据直线发动机系统样机参数建立直线发动机GT－Power仿真模型.仿真模型主要由进气系统、喷射系统、扫气箱、气缸、排气系统组成，如图3所示.

图3 直线发动机系统GT－Power仿真模型Fig.3 GT－Power simulation model of the linear engine

2.1 气缸几何形状定义

由于直线发动机取消了曲柄连杆机构，故不能用传统的方法定义气缸几何的参考对象cylgeom，即不能用传统的方法定义直线发动机活塞的运动轨迹.本文中的直线发动机GT－Power仿真模型将气缸几何的参考对象cylgeom 改为EngCylGeom User.在EngCylGeom User中，可以通过输入改装的直线发动机活塞瞬时位移与仿真模型中发动机虚拟曲轴转角之间的对应关系来模拟直线发动机的正常运转.

2.2 直线发动机仿真模型中喷射系统定义

由于直线发动机采用电控喷油器式喷射系统.该喷油器单位时间喷油量一定，实验中通过改变喷油脉宽来调节空燃比.所以在GT－Power仿真中采用InjPulseConn模块来模拟样机的进气道喷射.

2.3 直线发动机仿真模型中燃烧模型定义

为了更好地预测发动机的燃烧状况，本文采用准维燃烧模型来模拟直线发动机的燃烧.

2.4 直线发动机仿真模型实验验证

图4和图5分别给出了1 300 r·min－1、过量空气系数α为1.5时，不同点火位置下的左缸压力仿真与实验结果对比.

图4 点火时刻为上止点前1.0 mm（－16.26°）时直线发动机气缸压力的模拟结果与实验结果对比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

图5 点火时刻为上止点前1.5 mm（－19.95°）时直线发动机气缸压力的模拟结果与实验结果对比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

从图4，5中可以看到，直线发动机气缸压力的模拟结果与实验结果相吻合.同时，对比进气系统的空气流量、进气压力、瞬时放热率、累积放热量等参数的模拟与实验结果，误差都在允许范围内，表明所建立仿真模型的计算结果与直线发动机系统相关参数有较好的一致性，可以满足后续性能预测和优化的需要.

3 计算结果与分析

3.1 点火时刻对直线发动机性能的影响

图6—8给出了转速为1 300 r·min－1、过量空气系数α为1.5时点火时刻对直线发动机缸内压力、瞬时放热率及累积放热量的影响规律.由图可知，当点火时刻在上止点之前时，在点火之后，压力迅速升高，缸内压力的升高速度随点火时刻的提前逐渐加快，缸压峰值在点火时刻为－40°时达到最大值.当点火时刻在上止点或者上止点之后时，直线发动机后燃逐渐增多，缸内压力曲线出现双峰值，第一个缸压峰值为压缩压力峰值，第二个缸压峰值为燃烧压力峰值.随着点火时刻的延后，燃烧压力峰值逐渐推迟，峰值压力也依次降低.

图6 不同点火时刻下缸压波形对比Fig.6 Cylinder pressure at different ignition time

图7 不同点火时刻下瞬时放热率波形对比Fig.7 Heat release rate at different ignition time

图8 不同点火时刻下累积放热量波形对比Fig.8 Accumulation heat release at different ignition time

由图7可知，随着点火时刻的推迟，瞬时放热率峰值并非依次降低，在点火时刻为－40°时，瞬时放热率峰值最大.当点火时刻在上止点时，瞬时放热率曲线有明显的双峰值现象，即在主放热后还会有一定程度的热量释放.

由图8可知，虽然可燃混合气浓度较稀，但随着点火提前角的变化，可燃混合气的燃烧程度存在着不同，所以累积放热量存在着不同.累积放热量与瞬时放热率的变化相对应，在点火时刻为－40°时，累积放热总量最大.在点火时刻处于上止点之后时，点火时刻推迟对累积放热总量影响不大.

3.2 过量空气系数对直线发动机性能的影响

由于直线发动机供油方式为电控喷油器式，所以仿真模型通过控制循环喷油脉宽来改变气缸内混合气浓度.增加循环喷油脉宽，则气缸内混合气变浓，过量空气系数减小.图9给出了直线发动机转速为1 300 r·min－1，点火位置为上止点前20°时，过量空气系数对气缸压力波形的影响规律.当循环喷油脉宽为5 ms时，过量空气系数α为1.62，缸内混合气较稀，爆发压力较小.随着循环喷油脉宽的增加，过量空气系数减小，混合气变浓，爆发压力逐渐升高，缸压峰值出现位置也逐渐提前.当喷油脉宽为11 ms即过量空气系数α为0.83时，缸压峰值达到最大值，然后随着喷油脉宽增加又有所降低.点火后缸压的升高速率也是随着过量空气系数的减小而依次加快.爆发压力峰值取决于燃烧放热量和放热时刻，放热量越大，主放热时刻越接近上止点，则产生的缸压峰值越高.

图9 不同过量空气系数下缸压曲线对比Fig.9 Cylinder pressure at different excess air ratio

图10给出了首循环在不同过量空气系数下瞬时放热率的对比.瞬时放热率峰值并不随过量空气系数的减小而单调升高，在喷油脉宽为11 ms（α＝0.83）时，瞬时放热率峰值最大.

图10 不同过量空气系数下瞬时放热率曲线对比Fig.10 Heat release rate at different excess air ratio

瞬时放热率反映了缸内实时燃烧速度的快慢，累积放热量除了反映燃烧速度外，还反映出放热总量的变化，图11对比了不同过量空气系数下的累积放热量.累积放热量曲线切线斜率就是瞬时放热率，当瞬时放热率为零时，累积放热量趋于平稳.在燃烧初期，累积放热量曲线与瞬时放热率都反映出燃烧速度随着喷油脉宽增加而加快.但最终累积放热量并不是随过量空气系数的减小而单调增加，在喷油脉宽13 ms（α＝0.72）时，累积放热总量最大，喷油脉宽为11 ms（α＝0.83）时，累积放热总量仅次之.当过量空气系数较大时，可供燃烧的燃油较少，所以总的热量释放较少.当过量空气系数较小时，虽然燃烧初期燃烧速度快，但是在燃烧后期氧气不足加剧了不完全燃烧，因而累积放热总量也会降低.

图11 不同过量空气系数下累积放热量曲线对比Fig.11 Accumulation heat release at different excess air ratio

对比图9与图11，在喷油脉宽为9 ms（α＝0.98）和15 ms（α＝0.62）时，虽然累积放热量接近，但是缸压差别很大，这是由于主要的燃烧热量释放时刻和燃烧持续期有较大差异造成的.喷油脉宽为9 ms时，燃烧速度较快，最大热量释放发生在定容燃烧阶段，所以爆发压力很高.而喷油脉宽为15ms时，燃烧速度慢，燃烧持续期长，所以爆发压力较低.

4 结论

本文基于GT－Power建立了直线发动机系统的仿真模型，在利用发动机台架实验结果验证模型准确性的基础上，研究直线发动机的燃烧特性，并对怠速控制参数进行寻优研究，为后续的直线发动机样机优化提供理论依据：

（1）在相同过量空气系数下，点火时刻对直线发动机定转速下燃烧特性具有一定影响，直线发动机在点火时刻为－40°时，缸压峰值达到最大值，瞬时放热率峰值最大以及累积放热总量最多，表明此点火时刻下直线发动机燃烧特性最好.

（2）在相同的点火时刻下，过量空气系数对直线发动机定转速下燃烧特性影响更加显著，在喷油脉宽为11 ms（α＝0.83）时，直线发动机缸压峰值最大，瞬时放热率峰值最大，累积放热总量较多，表明此喷油脉宽下直线发动机燃烧特性最好.

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