第15巷第3期山東交通學(xué)院學(xué)報2007年9月JOURNAL OF SHANDONG JIAO!ONG UNIVKRSITY開環(huán)控制時乙醇的體積分?jǐn)?shù)對汽油一乙醇混合燃料發(fā)動機性能的影響劉曉輝!,包君2〔L.山東交通職業(yè)學(xué)院,山東腺坊2612(6;2.哈爾濱理工大學(xué)杋櫳動力工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150080)摘要:以普通直列叫缸發(fā)動機為基礎(chǔ),設(shè)計了發(fā)動機臺架試驗的控制系統(tǒng)。通過試驗分析了乙醇與汽油按不同比例泥合時對汽油發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放性能的影響。結(jié)果表明在保持汽油機參數(shù)不變的前提下隨看乙醇的體積分?jǐn)?shù)的增大汽油機的動力性提高,燃油消耗量增加,CO0和NO2的排放量降低,但乙醇的體積分?jǐn)?shù)大于40%時HC的排放量增加明顯關(guān)鍵詞:開壞控制;乙醇的休積分?jǐn)?shù);汽油機;動力性;經(jīng)濟性;排放中圖分類號:U464;TK46文獻(xiàn)標(biāo)識碼;A文章編號:1672-0032(2007)03-0006-05由于能源的日趨緊張,特別是排放法規(guī)的囗益嚴(yán)格汽車代用燃料得到了廣泛的應(yīng)用。乙醇具有可再生性、產(chǎn)烷值高和低污染排放等優(yōu)點是一種優(yōu)良的汽車發(fā)動機代用生物燃料,目前已形成了巨大的乙醉代用燃料汽車市場。我國消費的汽油中,有20%是乙醇汽油。在汽油中按體積比摻人一定量的乙醇,形成汽油一乙醇混合燃料代替汽油燃料,因其具有較高的辛烷值同時降低了汽車尾氣屮的污染物含量,H不要求改動原汽車發(fā)動機結(jié)構(gòu),得到了廣泛的推廣應(yīng)用。3本文以一臺普通直列四缸水冷發(fā)動機為基礎(chǔ),采取廾環(huán)控制策略,設(shè)計∫發(fā)動機試驗控制系統(tǒng)。以此系統(tǒng)進(jìn)行了乙醇與汽汕按不同體積比混合燃料對汽油發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放性能影響的研究。1試驗系統(tǒng)試驗系統(tǒng)采用TU32K(K2D)發(fā)動機,主要技術(shù)參數(shù)見表1,主要試驗設(shè)備見表2。表1TU32K(K2D)發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)氣缸直徑x行程/( Imu x nInt)最大扭矩/X·m(轉(zhuǎn)速/rmin1)120(3000)壓縮比最低燃油消耗/(g·(kW·h)-1)總排最/L怠速轉(zhuǎn)速/(r·min-1)最大功率w(轉(zhuǎn)速/r·min-1)55(5600)最低起動溫度/℃試驗控制系統(tǒng)的主要仟務(wù)是對試驗發(fā)動機的運行參數(shù)進(jìn)表2主要試驗設(shè)備行采集與處理,輸出控制信號,利用控制信號使發(fā)動機工作在設(shè)備名稱指定工況,同時調(diào)整汽油一乙醇的混合比例、節(jié)氣門開度、發(fā)油耗儀HHC燃油消耗測量儀動機轉(zhuǎn)速等,還扣負(fù)著對測功機、油耗計廢氣分析儀等排氣分析儀HPC02設(shè)備的控制任務(wù)中國煤化工x系列電渦流測功器在發(fā)動機實時控制過程中,控制系統(tǒng)的這些功能是通CNMHG-1100計異釩收稿日期:2007-4-16作者簡介:劉咣輝(1981-),男,山東濰坊人,山東交通職業(yè)學(xué)院助教,主要研究方向為溉合動力發(fā)動機性能研究第3期劉曉輝等:開環(huán)控制時乙醇的體積分?jǐn)?shù)對汽汕一乙醇混合燃料發(fā)動機性能的彰響硬件來共同實現(xiàn)的。根據(jù)實際需要釆用了以P℃機為控制核心的電子控制系統(tǒng),具有外圍電路簡單、軟件實現(xiàn)容易以及控制參數(shù)模型修改方便等優(yōu)點。在控制系統(tǒng)軟件的支持下,能實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試、實驗過程控制分析等功能,達(dá)到系統(tǒng)通用性和優(yōu)化控制的目的。根據(jù)試驗H的要求,輸入量與輸出量之間的關(guān)系基本確定,同時不存在內(nèi)部下擾與外部干擾或干擾影響不大,因此試驗系統(tǒng)采用開環(huán)控制策略(如圖1所示)。開環(huán)控制也叫硬性控制,是指施控系統(tǒng)將可控輸人轉(zhuǎn)化為信號后作用于受控系統(tǒng),受控系統(tǒng)的輸出結(jié)果不再送回輸入端并形成兩控制的直鏈控制方式。即:在施控和受控2個系統(tǒng)間沒有反饋環(huán)節(jié),不能構(gòu)成系統(tǒng)回路·。在開環(huán)控制狀態(tài)下,發(fā)動機就能按試驗要求進(jìn)行各工況下各項發(fā)動機性能的試驗分析。輸人量最佳控制量被控量輸出控制器被控對象發(fā)動機發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)圖1發(fā)動機開環(huán)控制方案示意圖1.1試驗系統(tǒng)硬件設(shè)計試驗系統(tǒng)要完成動力性、經(jīng)濟性和排放性等相「發(fā)執(zhí)行器多功能關(guān)特性的測試,也需要為被測發(fā)動機提供一個標(biāo)準(zhǔn)PC計的測試條件。試驗控制系統(tǒng)由各種傳感器執(zhí)行接口板傳感器算機構(gòu)和測試儀器等組成每一個系統(tǒng)部件的性能都將測功機影響到試驗系統(tǒng)的測試精度和試驗效果。因此,發(fā)L油耗儀動機試驗控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計,在很大程度上是對廢氣分析儀器設(shè)備的選優(yōu)和組合。本試驗系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要內(nèi)容包括PC機及其數(shù)據(jù)采集電路模塊、測功轉(zhuǎn)速表機、油耗儀、轉(zhuǎn)速表廢氣分析儀和輸出執(zhí)行機構(gòu)電圖2試驗控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖路等幾個部分的選擇與組合設(shè)計,如圖2所示。1.2試驗系統(tǒng)軟件設(shè)計程序開始試驗控制系統(tǒng)的軟件由適合各種發(fā)動機控制的通用程序部分和為特定發(fā)動機控制的程序初始化專用部分組成。通用部分主要由各種數(shù)據(jù)采果集信號數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)處理、中斷響應(yīng)以及干擾后處理等組成。專用部分主要是為特定發(fā)動機專門設(shè)計轉(zhuǎn)速<800r/mi起動控制模式的基本參數(shù)控制數(shù)據(jù)。本試驗控制系統(tǒng)的設(shè)計采用∫把相應(yīng)的任務(wù)設(shè)計成功能模塊的形節(jié)氣冂開度<5%怠速控制模式式,因此,整個控制程序由多個功能模塊組成。這一方面便于程序的調(diào)試、移植和修改節(jié)氣門開度加濃控制模式另一方面也可以簡化控制程序、節(jié)省程序存轉(zhuǎn)速>3000r/min加速控制模式儲空間,從而提高程序的效率?？刂坪诵腜C機對外部數(shù)據(jù)的接收基本上采用查詢方式,穩(wěn)態(tài)工況模式與多功能接口板間以CAN總線迕接,通過程序請求D0方式進(jìn)行通訊。PC機控制及顯中國煤化工示程序采用C語言編寫,在控制發(fā)動機運行CNMHG的同時還能將發(fā)動機和測功機的運行工況數(shù)據(jù)用PC機顯示,試驗發(fā)動機主控制程序流程結(jié)束如圖3所示。圖3發(fā)動機主控制程序流程圖山東交通學(xué)院學(xué)報20079月第15卷2汽油發(fā)動機臺架試驗結(jié)果與分析2.1汽油發(fā)動機動力性分析為了分析乙醇的體積分?jǐn)?shù)對發(fā)動機動力性能的影響,將不同的乙醇的體積分?jǐn)?shù)下發(fā)動機的外特性曲線與原TU32K(K2D)發(fā)動機的外特性曲線進(jìn)行了比較,比較結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出,在節(jié)氣門全開的情況下,隨著燃料中乙醇的體積分?jǐn)?shù)的增加,發(fā)動機的動力性有所提高。乙醇的體積分?jǐn)?shù)為20%吋,發(fā)動機輸出扭矩和功率基木與原機持平;而當(dāng)乙醇的體積分?jǐn)?shù)分別為40%,60%和80%時,發(fā)動機的最大扭矩和最大功率分別比原機增加了約5.0%和3.8%,8.4%和7.7%,10.9%和11.5%;當(dāng)發(fā)動機燃用純乙醇時,其最大扭矩出現(xiàn)在3000r/min附近,比原汽油機提高∫約16.0%,最大功率出現(xiàn)在4500r/min附近,比原汽油機增加了約15.4%。在發(fā)動機高速人負(fù)荷狀態(tài)下,燃料中乙醇的體積分?jǐn)?shù)越大,發(fā)動機輸出的扭矩和功率就越大。動力性的提高主要得益」:高速大負(fù)荷下,發(fā)動機進(jìn)氣節(jié)流增大而燃料噴射量也加大,單位時間燃燒反應(yīng)次數(shù)增加。此時汽油機過量空氣系數(shù)小于1,燃料燃燒得不到充足的空氣。而乙醇是含氧燃料,這使得缸內(nèi)混合氣的氧原子分布更均勻,因此乙醇混合氣比汽油混合氣燃燒得更充分,并且由于乙醇的汽化潛熱較高,使乙醇發(fā)動機進(jìn)氣溫度較低,提高了充氣效率。只要供給足夠多的混合氣,乙醇發(fā)動機就可以發(fā)出比汽油機更大的功率。在轉(zhuǎn)速較低時,乙醇的體積分?jǐn)?shù)對發(fā)動機動力性的影響不是很明顯,這主要是低轉(zhuǎn)速時的進(jìn)氣節(jié)流減小,乙醇含氧的優(yōu)勢就不那么明顯了?！?原發(fā)動機一日一乙醇的體積分?jǐn)?shù)20%一·△-·乙醇的體積分?jǐn)?shù)40%乙醇的體積分?jǐn)?shù)60原發(fā)動機x…乙醇的體積分?jǐn)?shù)80%乙醇的體積分?jǐn)?shù)100%日乙醇的體積分?jǐn)?shù)20%乙醇的體積分?jǐn)?shù)40%一乙醇的體積分?jǐn)?shù)60%%乙醇的體積分?jǐn)?shù)80%-乙醇的體積分?jǐn)?shù)100%4000600080002000400060008000發(fā)動機轉(zhuǎn)速(x·min-)發(fā)動機轉(zhuǎn)速/r·min)a)不同乙醇的體積分?jǐn)?shù)與發(fā)動機功奉的關(guān)系b)不冋乙醉的體積分?jǐn)?shù)與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的關(guān)系圖4不同乙醇的體積分教下發(fā)動機外特性與原機對比2.2汽油發(fā)動機燃油經(jīng)濟性分析圖5、圖6是汽油發(fā)動機在部分負(fù)荷工況,轉(zhuǎn)速為3000r/min4000/min時燃用普通汽油和汽油乙醇按不同體積比例混合的燃料的燃油消耗量曲線圖。從圖5、圖6的純汽油和乙醇的體積分?jǐn)?shù)分別為20%,4%,60%,80%和100%的混合燃料燃燒刈比試驗結(jié)果看出,在發(fā)動機轉(zhuǎn)速3000r/min、功率50kW時隨著乙醇的體積分?jǐn)?shù)的提高,燃料消耗量有所增加,分別增加3.2%,4.8%,9.6%,12.9%,17.7%;在發(fā)動機轉(zhuǎn)速400r/min、功率50kW時,隨著乙醇的體積分?jǐn)?shù)的提高,燃料消耗量分別增加4.1%,5.3%,9.7%,13.1%,17.9%。中國煤化工23汽油發(fā)動機排放性能分析CNMHG汽油發(fā)動機的有害排放物主要是一氧化碳C0、氮氧化物NO4、碳?xì)浠衔颒C和微粒等。CO是燃料氧氣不足的情況下部分燃燒生成;NO,主要生成在火焰面下游側(cè)特別是在火焰面下游側(cè)局部高溫、局部氧濃度大及煙氣停留時間長的那些區(qū)域;HC主要來源于燃燒室壁面的淬熄區(qū)、壓縮余隙和活塞、第3期劉曉輝等:開壞控制時醇的體積分?jǐn)?shù)對汽油一乙醇混合燃料發(fā)動機性能的影響活塞環(huán)、缸壁形成的環(huán)形區(qū)域汽油·日·乙醇的體積分?jǐn)?shù)一-汽油乙醇的體積分?jǐn)?shù)20%·乙醇的體積分?jǐn)?shù)60%--乙醇的體積分?jǐn)?shù)4乙醇的體積分?jǐn)?shù)40%厶……乙醇的體積分?jǐn)?shù)40%乙醇的體積分?jǐn)?shù)一乙醇的體積分?jǐn)?shù)60%x··乙醇的體積分?jǐn)?shù)80%乙醇的體積分?jǐn)?shù)100%積35002400200.0功率/W功率kW圖5n=3000r/min時發(fā)動機經(jīng)濟性與乙的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖6n=4000r/nin時發(fā)動機經(jīng)濟性與乙醇的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系2.3.1發(fā)動機HC的排放特性發(fā)動機各工況下HC的排放試驗結(jié)果如圖7所示,400醇的體積分?jǐn)?shù)小于20%時,隨著乙醇的體積分?jǐn)?shù)的增加,HC的體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢,當(dāng)乙醇的休積分?jǐn)?shù)大于自360020%時,隨著乙醇的體積分?jǐn)?shù)的增加,HC的體積分?jǐn)?shù)增餐加明顯;當(dāng)乙醇的體積分?jǐn)?shù)大于60%時,隨著乙醇的體積分?jǐn)?shù)的增加HC的體積分?jǐn)?shù)增加變緩。+…怠速母中小負(fù)荷同時研究了HC的排放與發(fā)動機負(fù)荷的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)一大負(fù)荷隨著發(fā)動機負(fù)荷的升高,HC排放可以逐漸降低。2.3.2發(fā)動機CO的排放特性發(fā)動機各工況下CO的排放試驗結(jié)果如圖8所示,乙醇的體積分?jǐn)?shù)隔隨著乙醇的體積分?jǐn)?shù)的增加,CO的體積分?jǐn)?shù)程下降趨圖7HC的排放特性勢。發(fā)動機怠速狀態(tài)乙醇的體積分?jǐn)?shù)從0增到20%時,CO的體積分?jǐn)?shù)下降5.3%;乙醇的體積分?jǐn)?shù)從20%增到40%,CO的體積分?jǐn)?shù)下降變化不大;當(dāng)乙醇的體積分?jǐn)?shù)分別從40%增到60%、60%增到80%80%增到100%時,CO的體積分?jǐn)?shù)分別下降3.5%,1,5%和2.2%;在大負(fù)荷空燃比開環(huán)控制下,由于提供的混合氣較濃,乙醇汽油混合燃料的高含氧量有助亍燃料的充分燃燒,使得CO排放顯著降低。2.3.3發(fā)動機NO,的排放特性NO,生成的條件為高溫、富氧和高溫持續(xù)時間。在中小負(fù)荷時,由于乙醇汽化潛熱高,混合氣溫度降低,從而抑制了NO,的生成量;大負(fù)荷下,乙醇的加入使滯燃期延長,NO,的生成量有所增加。乙醇的體積分?jǐn)?shù)小于40%時,隨著乙醇的體積分?jǐn)?shù)增加NO,下降明顯;當(dāng)乙醇的體積分?jǐn)?shù)大于40%時,隨乙醇的體積分?jǐn)?shù)增加,NO,下降變緩,如圖9所示。x…怠速0.026}A-·怠速—中小負(fù)荷×—中小負(fù)荷一大負(fù)荷△大負(fù)荷中國煤化工CNMHG乙醇的體積分?jǐn)?shù)隅乙醇的體積分?jǐn)?shù)/%田8CO的排放特性圖9NO4的排放特性山東交通學(xué)院學(xué)報2007年9月第15卷3結(jié)論1)通過試驗,開發(fā)的主控程序滿足了試驗要求,得到了理想的試驗結(jié)果。2)在怠速狀態(tài)和小負(fù)荷工況,乙醇的體積分?jǐn)?shù)的提高對發(fā)動機動力性影響不大,在大負(fù)荷上況,隨乙醇的體積分?jǐn)?shù)增大,汽油發(fā)動機動力性有所提高。3)在同等工況條件下,隨著乙醇的體積分?jǐn)?shù)的提高,汽油發(fā)動機燃料消耗量有所增加。4)隨乙醇的體積分?jǐn)?shù)增大,汽油機CO和NO4的體積分?jǐn)?shù)降低,但乙醇的體積分?jǐn)?shù)大于40%時HC的體積分?jǐn)?shù)增加明顯。參考文獻(xiàn):[1 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The test shows when the gasoline engine parameters remairunchanged, the higher volume grade of alcohol, the stronger the engine power will have; the largconsumption, the lower gasoline engine NOx and CO will discharge. But HC discharge will increase signifieantlywhen volume grade of alcohol is more than 40%Key words: open-loop control; volume grade of alcohol gasoline machine; engine power; economy; discharge責(zé)任編輯:楊秀紅)中國煤化工CNMHG