FSAE赛车发动机燃油经济性改善的仿真与试验

吴新烨,罗树友,黄红武

(1.厦门大学建筑与土木工程学院,2.厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005)

FSAE赛车发动机燃油经济性改善的仿真与试验

吴新烨1*,罗树友2,黄红武2

(1.厦门大学建筑与土木工程学院,2.厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005)

FSAE比赛要求赛车发动机气缸的进气都必须安装限制器,但进气量限制器降低了发动机最大的进气量和燃料的燃烧速率,造成了进气管内的压力损失,从而导致赛车的实际油耗相对增加.以单缸四冲程赛车发动机为研究对象,利用AVL BOOST分析软件对所建立的FSAE赛车发动机模型进行仿真,分析限制器造成的进气管内的压力损失以及对发动机功率、充气效率和燃油消耗的影响,根据分析结果结合电喷系统的特点建立了进气量修正方案.最后通过对发动机喷油脉宽的检测,验证了进气量修正控制单元满足设计要求,从而达到了降低油耗、提高赛车的竞争力的目的.

FSAE;燃油经济性;限制器;控制单元

出于比赛安全性考虑,FSAE赛事要求在进气系统的节气门与发动机之间安装一个单独的圆形的限制器,并且规定所有发动机的进气都必须通过此限制器,目的是为了限制发动机最大输出功率[1].比赛规定汽油燃料和E-85燃料赛车限制器最大直径分别为20和19 mm.在任何情况下圆形限制器界面不可移动,如果使用了多缸发动机,所有气缸的进气都必须流经这个限制器.另外,对于具有增压器的发动机,限制器必须安装在增压器上游[1].而燃油经济性是FSAE的一个重要指标,一般用燃油消耗量或油里程表示,因而降低赛车燃油消耗也成为重要的研究课题.目前对于限制器的研究,有的侧重于限制器的建模,从而提供一个流量与压降的较准确关系[2-3];也有的针对限制器的形状及最优安装位置[4-5];另外还有研究限制器对赛车发动机相关性能的影响[6].本文将系统地从限制器对发动机性能的影响以及进气修正单元的设计,最后进行相关试验进行验证,从而达到提高本赛车的竞争力.

1 限制器对发动机性能的影响分析

进气量限制器引起了发动机进气管内压力损失,使得电喷系统对进气量测量的精度下降,从而影响了喷油和空燃比的控制精度.下面将利用AVL BOOST软件对所建立的赛车发动机模型进行一维循环模拟计算,分析限制器对发动机性能的影响,为建立进气量修正方案提供依据.

1.1 BOOST缸内工作过程

内燃机气缸内的工作过程是很复杂的,它包含了物理、化学、流动、传热等综合过程[7].为了描述气缸内的状态变化,BOOST视气缸为一个传热系统,系统的边界由活塞顶、气缸盖及气缸套诸壁组成.系统内的工作状态由压力P、温度T、质量m这3个基本参数所确定.为了比较精确且方便地模拟缸内热力交换的过程作如下假设[8]:

1)在燃烧开始时,混合气体是均匀的;

2)在燃烧期间,空燃比是定值;

3)虽然未燃气体与已燃气体的组成成分不同,但有相同的压力和温度.

根据以上假设,气体状态基本参数(P,T,m)可以用能量守恒、质量守恒方程及状态方程把整个工作过程联系在一起,并可以利用这3个方程联合求解基本状态参数[9-11].

1.2 管道内工作过程

发动机的工作过程是间隙性和周期性地进行的,在进排气系统中的气体也是非定常流动的.一维模型考虑了沿管长方向上压力波传递的时间的影响,认为管内压力波的传递不但随时间变化,而且在同一时刻,沿管长方向不同位置压力波动也是不同的,即管中的气体压力P不仅是时间的函数,也是位置的函数[12].为了比较精确且简便地模拟计算管道内的流动,BOOST模拟作如下假设:

1)由于管道轴向的几何尺寸比径向几何尺寸大得多,管道内轴向流动效应比径向流动效应大得多,因此忽略气体径向流动效应,假设管道内流动是一维的,对于每个流动参量都理解为在相应管道界面上该流动参量的平均值.

2)管内流动是不定常的,每一个流动参量都是横向坐标与时间的函数,气体所流经的管道的截面积变化比较缓慢的,而且管壁是刚性的.

3)考虑到管壁的摩擦和热传导,为了简化仍用一维流动模型,但流动过程是非等熵的;管道内的气体是完全气体,并不计重力.

1.3 赛车发动机分析模型的建立

1.3.1 模型的建立

赛车发动机选用的是单缸水冷四冲程汽油机,其缸径94 mm,行程85 mm,压缩比为9.7∶1,排气量589.9 cm3.发动机的三维实体模型如图1所示.

图1 发动机三维实体模型Fig.1 Three-dimensional entity model on engine

图2 为赛车发动机BOOST循环模拟模型.其中发动机吸气是从周围大气SB1,通过管1进入空气滤清器CL1,管道2与管道3连接空气滤清器与喷油嘴,管道13为Φ20 mm限制器连接管道4进气管,管道6连接排气管5与三元催化器,消声器是由3个气流回转腔PL1、PL2、PL3以及管道8、9、11组成,最后废气由位于边界系统SB2的管道10排出.

图2 FSAE赛车发动机BOOST循环模拟模型Fig.2 BOOST cycle simulation model on FSAE car engine

1.3.2 参数输入

发动机循环模拟分析模型建立后,关键是选择模型的参数,因为合理的参数可以使模拟结果更精确.具体参数包括如下几个方面:

1)边界条件.在此模型中,系统边界条件就是进气管与排气管端的边界(图2中的SB1和SB2).它需要输入的参数主要包括压力、温度、流量系数和空燃比A/F等.

2)管道.进、排气系统的模型主要由形状及尺寸不同的管道构成,循环模拟模型中管道中的流动按一维模式进行处理,每个管道均通过管径、长度、弯曲角度和摩擦系数等参数进行描述.

3)空气滤清器.空气滤清器对气体动力学性能的影响由其几何尺寸和进出口的压降决定.空气滤清器需要输入的参数包括空气滤清器的体积、进口收集腔体积、出口收集腔的体积、过滤器长度、质量流量、目标压损、入口压力、温度和流体系数等.

4)喷油器.喷油器向进气管道喷射雾化燃料,雾化的燃料与空气形成可燃的气体.在BOOST中,喷油器是通过流体系数、空燃比、喷射方式和空气流量的测量点等参数描述的.

5)限流阀.限流阀模型是用于描述在管道内某些特定的地方压力损失,它由连接管的流量系数来描述.

6)气缸.描述气缸的结构主要参数包括缸径、冲程、压缩比、连杆长度、活塞销偏移量、活塞表面积、气缸头的表面积、气缸套的表面积、进气门间隙、排气门间隙、进气门座直径、配气门做直径、气门正时参考值等.

气缸内燃料的燃烧是一个复杂的化学过程,它受很多参数影响.BOOST中通过韦伯函数来描述气缸的燃烧.本文采用半经验公式的单韦伯模型,它是针对汽油机近似均匀混合气的情况下,结合大量的试验数据以反应动力学推导的半经验公式,应用在单杠四冲程的FSAE赛车发动机比较符合.韦伯函数由燃烧起始角、燃烧持续周期、形状参数和燃烧程度参数来描述.

1.4 仿真结果分析

1.4.1 限制器对发动机功率输出的影响

通过对所建模型仿真分析发现,在进气管内安装Φ20 mm限制器后,发动机的性能受到很大的影响,并且这种影响随着发动机转速的增加更加明显.图3所示为安装限制器前后发动机功率随转速变化的对比,在转速比较低的情况下(低于3 000 r/min),发动机功率受限制器的影响不甚明显,基本与安装前的发动机功率的变化曲线相一致,但当发动机转速超过3 000 r/min,发动机的功率受限制器的影响逐渐明显,并在转速3 500 r/min时达到最大值.发动机最大功率比安装限制器之前降低了21%.

图3 功率-转速对比曲线Fig.3 Contrast between power and speed

与发动机功率一样,发动机输出扭矩也受到限制器很大影响.发动机转速在5 000 r/min时,在一个循环周期内,峰值扭矩下降了近20%.发动机转速5 000 r/min时,扭矩随曲轴转角的变化如图4.

1.4.2 进气压力损失与充气效率的变化

对比安装限制器前后进气管内进气压力传感器处(进气压力传感器安装在节气门之后,限制器和喷油器上游,电喷系统以此处的进气压力作为计算进气量的依据)压力变化发现,在安装限制器之后,此处气体压力在低于转速3 000 r/min时,基本与未安装限制器前变化一致,但随着转速的增加,变化逐渐趋缓(如图5所示),且气压值高于安装限制器前的气压值,它们气压值之差也随着转速的增加,气压值之差最大值约3 k Pa.

图4 转速5 000 r/min时扭矩随曲轴转角的变化Fig.4 Torque change with crank angle at 5 000 r/min

图5 进气压力传感器处压力随转速的变化Fig.5 Air intake pressure change with revolution

进气门处混合气体压力的变化与发动机每一循环混合气体的吸入量有着密切的关系.图6所示为安装限制器前后进气门处压力随转速变化的对比.由图上可以看出未安装限制器时,进气门处混合气体压力的变化与进气压力传感器处变化基本一致;安装限制器之后,进气门处的压力一定程度上降低,并且安装限制器前、后进气门处的压力之差随着转速的增加逐渐增大,在转速7 000 r/min时差值达到约5.8 kPa.

图6 进气门处压力随转速的变化Fig.6 Pressure change in inlet valve with revolution

充气效率表示发动机气缸每次循环实际吸入气缸的新鲜空气的质量与进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气的质量的比值,它是衡量发动机动力性能和进气过程完善程度的重要指标.由于进气管安装进气量限制器,该处的通过面积变小,且截面变化很大,造成了很大的流动损失,从而也导致了发动机充气效率下降.充气效率变化曲线如图7所示,在最大转速处充气效率比未安装限制器下降30%左右,发动机的性能受到严重的影响.

图7 充气效率变化曲线Fig.7 Intake efficiency change

1.4.3 限制器对燃油消耗的影响

安装进气量限制器后,将会对燃油消耗产生如下影响:

1)由于充气效率下降,发动机单位时间内燃烧的空气的质量下降,如图8所示.

图8 单位时间内空气燃烧质量变化Fig.8 Combustion quality change per unit time

2)单位时间内燃油燃烧质量下降,但是通过对喷油脉宽的检测发现,实际的喷油量却略有增加,从而发动机有效燃烧效率(BSFC,它表示发动机每输出1 k W·h的有效功所消耗的燃油量)升高.安装限制器前后有效燃油消耗率变化如图9所示.

由图9可知,发动机有效燃油消耗率升高,燃油经济性下降.这一方面是由于进气质量的减少,燃料燃烧不充分导致,另一方面限制器上游进气压力传感器处的压力升高,而电喷系统以此处压力作为进气量计算的依据,必然导致计算的进气量比实际的进气量高,在一定空燃比要求下,燃油喷射“过量”从而加剧了燃油经济性的下降.

图9 有效燃油消耗率的变化Fig.9 Change of effective fuel consumption rate

2 进气量修正方案

2.1 发动机电喷系统调整的途径

针对赛车发动机电喷系统测量的进气量高于实际的进气量,从而造成一定程度的喷油“过量”的问题,本文拟通过对电喷系统进气测量部分适当地调整,对进气量的测量进行修正.目前电喷系统调整的途径主要有以下3种:

1)通过转存程序芯片修改电控单元;

2)利用外部可调式的控制单元;

3)使用专业级的电控单元.

针对FSAE赛车发动机电喷系统的特点以及赛事的比赛规则对于成本的要求(按比赛规则计算整车成本不大于25 000美元),本文拟通过设计控制单元,改变进气温度传感器信号,实现对电喷系统进气量的修正,进而降低喷油量,调高燃油的经济性.

2.2 进气量修正方案的建立

通过对FSAE赛车电喷系统的分析,与进气量测量密切相关的传感器主要有进气压力传感器、进气温度传感器、曲轴位置传感器以及节气门位置传感器.本文采用修改进气温度传感器信号,达到修正进气量的目的.进气温度传感器是电阻式传感器,因此可以通过外接电路改变其信号的阻值,达到修正温度的阻值.而温度补偿传感器阻值可以参考表1通过非线性插值取得.由于进气温度传感器具有负温度系数特性,因此可以通过并联不同阻值的电位器实现不同转速下阻值改变.

表1 进气温度传感器温度阻值表Tab.1 Temperature resistance of air inflow temperature sensor

2.3 进气量修正控制单元设计框图

为了对FSAE发动机电喷系统进气量进行实时修正,需要设计与现有的电控系统匹配的控制单元.控制单元硬件电路要求可靠性高,且不影响原有的系统正常工作;软件设计要求足够的控制精度,且具有一定抗干扰能力.

控制单元的硬件电路设计包括单片机系统的电路设计、转速信号采集电路的设计,以及驱动电路设计.根据第2.2节所描述的建立的补偿控制方案的要求,确定硬件电路的总体方案,控制系统组成如图10所示.

图10 进气量修正控制单元框图Fig.10 The control unit diagram of air inflow correction

3 试 验

3.1 试验设备

为了验证进气量修正控制单元是否满足设计要求,本文对其与发动机进行了试验测试.试验设备包括FSAE赛车电喷发动机、进气量修正控制单元和泰克TDS1002示波器.

3.2 试验结果

在分析喷油控制信号脉冲宽度和燃油消耗量的关系的基础上,可以知道:喷油控制信号脉冲宽度直接反映了燃油消耗量的变化,因此可以通过测量喷油脉宽来检测燃油消耗的变化.试验中喷油控制信号如图11中所示.

图11 喷油控制信号Fig.11 Fuel injection control signals

在试验中,进气量修正控制单元的输出信号线,与电喷系统温度传感器信号线并联.试验过程中,进气量修正控制单元配合原有的电控系统可以稳定地工作.表2是喷油脉冲宽度的测量数据,其中t1为未安装限制器时的喷油脉宽,t2为安装限制器且无进气量修正的喷油脉宽,t3为安装限制器并有进气补偿的喷油脉宽.

表2 喷油信号测试结果Tab.2 Test results on injection signal

从表2中可以看出,通过对进气量的修正,赛车发动机喷油控制信号脉冲宽度得到了有效降低.进气量修正控制单元在一定程度上降低了燃油消耗量,提高了赛车的燃油经济性.

4 结 论

本文基于BOOST发动机循环模拟的理论,建立了FSAE赛车发动机一维循环模拟的分析模型;并在此基础上分析了引入限制器对发动机的影响.根据仿真分析结果,结合赛车电喷系统的特点,建立了利用改变温度传感器信号进行进气量修正的方案,对基于赛事规则安装的Φ20 mm限制器的影响进行了分析,通过分析发动机电控喷油系统建立改变进气温度传感器信号实现进气量修正的方案,并通过发动机匹配测试,检测喷油信号的变化验证补偿方案的可行性;从而最终达到了降低油耗、提高赛车竞争力的目的.

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Simulation and Experiment Research on Improving Fuel Economy of Engine for FSAE

WU Xin-ye1*,LUO Shu-you2,HUANG Hong-wu2
(1.School of Architecture and Civil Engineering,Xiamen University, 2.School of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

:In order to limit the maximum output power of formula society of automotive engineers(FSAE)car′s engine,a single circular restrictor is required to be installed at the engine.But the restrictor lowers the air flow speed and fuel burning rate,and the pressure of intake pipe declines.In this paper,the four-stroke engine of the FSAE car was investigated.We analyze the influence of intake restrictor on engine power,intake pipe′s pressure,volumetric efficiency and fuel consumption.One-dimensional engine cycle will be simulated by using AVL BOOST.Intake quantity correction was designed based on the characteristics of electronic fuel injection(EFI)system and analysis results.According to pulse width of driving signal for injecting fuel,the performance of FSAE car′s engine was improved by intake quantity correction of the control unit.Fuel consumption decreases,and fuel economical efficiency is improved.This research has provided an alternative method in order to improve the competitiveness of FSAE car with practical significance.

FSAE;fuel economic;restrictor;control unit

U 464.12

A

0438-0479(2015)03-0422-06

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.03.023

2013-12-11 录用日期:2014-12-04

国家自然科学基金(51305372);国家公派出国留学项目(201306315012)

*通信作者:wuxinye@xmu.edu.cn

吴新烨,罗树友,黄红武.FSAE赛车发动机燃油经济性改善的仿真与试验[J].厦门大学学报:自然科学版,2015,54

(3):422-427.

:Wu Xinye,Luo Shuyou,Huang Hongwu.Simulation and experiment research on improving fuel economy of engine for FSAE[J].Journal of Xiamen University:Natural Science,2015,54(3):422-427.(in Chinese)