CN112282943B - 一种基于有效热效率的质调节式发动机的压缩比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于有效热效率的质调节式发动机的压缩比控制方法，步骤如下：步骤一、不改变发动机其他参数，仅增大发动机活塞行程，通过仿真获取不同几何压缩比发动机的有效热效率；根据活塞最大平均速度和最大转速，计算确定发动机几何压缩比；步骤二、通过仿真获取几何压缩比为的发动机在所有工况下的最大爆发压力，确定最低有效压缩比，进而确定有效压缩比的调节范围；步骤三、确定各个工况下，有效压缩比的控制方法；本方法在不改变几何压缩比的条件下，通过控制不同工况下的进气门关闭时刻，实现全工况有效压缩比的可变控制；在保证全工况下稳定运行的同时，提高了中小负荷工况下的热效率，有效地改善燃油经济性。

Description

一种基于有效热效率的质调节式发动机的压缩比控制方法

技术领域

本发明属于内燃机控制技术领域，涉及一种基于有效热效率的质调节式发动机的压缩比控制方法，具体涉及一种基于有效热效率的质调节式发动机在全工况下的有效压缩比的控制方法。

背景技术

对于四冲程发动机，提高压缩比是提高其热效率的重要途径。现代高压直喷柴油发动机的几何压缩比一般高达14～22，目的是为了保证燃料喷入气缸内时，即使是在冷态下也能使气缸内的空气温度升高到足以使燃料自行燃烧的程度。对于质调节式发动机，在确定其几何压缩比时，主要考虑全负荷工况下的最大爆发压力和冷启动性，在保证全负荷工况稳定运行的前提下，适当提高发动机的几何压缩比，可以有效改善发动机的经济性和动力性。

对于车用柴油发动机，其工况变化范围广，传统的压缩比控制方法，是以保证发动机全负荷工况下的稳定运行为前提，几何压缩比受到全负荷工况下最大爆发压力的限制，保证了全负荷工况下的动力性，牺牲了常用的中小负荷工况下的动力性和经济性，使得中小负荷下的循环热效率较低。随着汽车低碳化的发展，一种以提高常用工况热效率为目标的压缩比控制方法是很有必要的。

发明内容

为了有效改善质调节式发动机在中小负荷工况下热效率偏低的问题，本发明提供了一种基于有效热效率的质调节式发动机的压缩比控制方法，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于有效热效率的质调节式发动机的压缩比控制方法，具体步骤如下：

步骤一、不改变发动机其他参数，仅增大发动机活塞冲程以增大发动机几何压缩比，通过模型仿真获取不同几何压缩比发动机的有效热效率；根据活塞最大平均速度c_m和最大转速n_max，计算确定发动机几何压缩比ε_g，具体过程为：

a.利用GT-POWER软件建立发动机模型，发动机模型中的对象包括环境压力、进排气门长度、进排气门管径、进排气门开闭时刻、进排气门升程曲线、喷油系统模型、燃烧模型、发动机缸数、冲程、缸径、几何压缩比；

b.通过发动机模型仿真，获取不同几何压缩比的发动机在1000转每分钟且25％负荷工况下的有效热效率，将最高有效热效率对应的几何压缩比记为ε_imax；

c.根据活塞最大平均速度c_m和最大转速n_max可以确定发动机冲程S，

利用公式

计算最大几何压缩比ε_gmax；其中V_a为燃烧室容积，π为圆周率，D为气缸直径；

d.如果最大几何压缩比ε_gmax≤ε_imax，则几何压缩比ε_g＝ε_gmax；如果最大几何压缩比ε_gmax＞ε_imax，则几何压缩比ε_g＝ε_imax；

步骤二、通过发动机模型仿真获取几何压缩比为ε_g的发动机在所有工况下的最大爆发压力P_max，确定最低有效压缩比ε_emin，进而确定所有工况的有效压缩比ε_e的调节范围；有效压缩比的定义为：指进气门关闭瞬间的气缸容积与活塞处于上止点时的气缸容积之比；具体过程为：

a.通过发动机模型仿真获取几何压缩比为ε_g的发动机所有工况下的最高气缸压力P_max；

b.根据气缸最大承受压力P_lim，如果P_max≤P_lim，则最低有效压缩比ε_emin＝ε_g，气缸有效压缩比ε_e＝ε_g；如果P_max＞P_lim，则增大进气门最大升程的持续期，延迟进气门关闭时间，使P_max＝P_lim，将延迟进气门关闭后的有效压缩比记作ε_el，则最低有效压缩比ε_emin＝ε_el，有效压缩比ε_e的调节范围为ε_e＝[ε_el,ε_g]；

步骤三、确定各个工况下，有效压缩比的控制方法，具体过程为：

a.通过发动机模型仿真获得发动机各个工况下的最高气缸压力P_zmax(n,l)，其中，n为各个工况的转速，l为各个工况的负荷百分比；

b.如果P_zmax(n,l)≤P_lim，则该工况下有效压缩比ε_e＝ε_g；如果P_zmax(n,l)＞P_lim，则增大进气门最大升程的持续期，延迟进气门关闭时间，使P_zmax(n,l)＝P_lim，将此时的有效压缩比记为ε_e(n,l)，其中，n为各个工况的转速，l为各个工况的负荷百分比，则该工况下的有效压缩比ε_e＝ε_e(n,l)。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种基于有效热效率的质调节式发动机的压缩比控制方法，其特点在于以提高中小负荷热效率为目标，在不改变几何压缩比的条件下，通过控制不同工况下的进气门关闭时刻，实现全工况有效压缩比的可变控制。在保证全工况下稳定运行的同时，提高了常用的中小负荷工况下的热效率，有效地改善燃油经济性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明提供的一种基于有效热效率的质调节式发动机的压缩比控制方法的流程框图。

图2为本发明实施例一的不同转速全负荷下进气晚关角图。

图3为本发明实施例一的有效压缩比控制范围图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

为了详细地介绍本发明的内容，定义一些相关概念：

定义一：有效热效率，指发动机飞轮对外输出有效功与为获得此有效功所消耗的燃料完全燃烧释放的热量之比。

定义二：几何压缩比，指活塞处于下止点时的气缸容积与活塞处于上止点时的气缸容积之比。

定义三：有效压缩比，指进气门关闭瞬间的气缸容积与活塞处于上止点时的气缸容积之比。

下面结合具体的实施例对本发明作详细的描述：

实施例一：

本发明所述的一种基于有效热效率的质调节式发动机的压缩比控制方法包括以下步骤：

步骤一、不改变发动机其他参数，仅增大发动机活塞冲程以增大发动机几何压缩比，通过模型仿真获取不同几何压缩比发动机的有效热效率；根据活塞最大平均速度c_m和最大转速n_max，计算确定发动机几何压缩比ε_g。包括以下三个具体步骤：

a.利用GT-POWER软件建立发动机模型，发动机模型中的对象包括环境压力、进排气门长度、进排气门管径、进排气门开闭时刻、进排气门升程曲线、喷油系统模型、燃烧模型、发动机缸数、冲程、缸径、几何压缩比。

b.通过发动机模型仿真，获取不同几何压缩比的发动机在1000转每分钟且25％负荷工况下的有效热效率，将最高有效热效率对应的几何压缩比记为ε_imax。在本实施例中，ε_imax＝36。

c.根据活塞最大平均速度c_m和最大转速n_max可以确定发动机冲程S，

利用公式

计算最大几何压缩比ε_gmax。其中V_a为燃烧室容积，π为圆周率，D为气缸直径。在本实施例中，c_m＝18.88m/s，n_max＝4500r/min，S＝125.87mm，ε_gmax＝23，V_a＝29.61cm³，D＝83mm。

d.如果最大几何压缩比ε_gmax≤ε_imax，则几何压缩比ε_g＝ε_gmax；如果最大几何压缩比ε_gmax＞ε_imax，则几何压缩比ε_g＝ε_imax。在本实施例中，ε_g＝23。

步骤二、通过发动机模型仿真获取几何压缩比为ε_g的发动机在所有工况下的最大爆发压力P_max，确定最低有效压缩比ε_emin，进而确定所有工况的有效压缩比ε_e的调节范围。有效压缩比的定义为：指进气门关闭瞬间的气缸容积与活塞处于上止点时的气缸容积之比。包括以下两个具体步骤：

a.通过发动机模型仿真获取几何压缩比为ε_g的发动机所有工况下的最高气缸压力P_max。在本实施例中，P_max＝24.5MPa。

b.根据气缸最大承受压力P_lim，如果P_max≤P_lim，则最低有效压缩比ε_emin＝ε_g，气缸有效压缩比ε_e＝ε_g；如果P_max＞P_lim，则增大进气门最大升程的持续期，延迟进气门关闭时间，使P_max＝P_lim，将延迟进气门关闭后的有效压缩比记作ε_el，则最低有效压缩比ε_emin＝ε_el，有效压缩比ε_e的调节范围为ε_e＝[ε_el,ε_g]。在本实施例中，P_lim＝18MPa，ε_emin＝ε_el＝18，ε_e＝[11.8,23]。

步骤三、确定各个工况下，有效压缩比的控制方法。包括以下两个具体步骤：

a.通过发动机模型仿真获得发动机各个工况下的最高气缸压力P_zmax(n,l)，其中，n为该工况的转速，l该工况的负荷百分比。在本实施中，P_zmax(1000,25)＝9.1MPa，P_zmax(1000,50)＝10.9MPa,P_zmax(1000,100)＝14.1Mpa，P_zmax(2200,25)＝14.8MPa，P_zmax(2200,50)＝17.8MPa，P_zmax(2200,100)＝24.5MPa，P_zmax(3600,25)＝12.9MPa，P_zmax(3600,50)＝16.7MPa，P_zmax(3600,100)＝22.6MPa。

b.如果P_zmax(n,l)≤P_lim，则该工况下有效压缩比ε_e＝ε_g；如果P_zmax(n,l)＞P_lim，则增大进气门最大升程的持续期，延迟进气门关闭时间，使P_zmax(n,l)＝P_lim，将此时的有效压缩比记为ε_e(n,l)，其中，n为该工况的转速，l为该工况的负荷百分比，则该工况下的有效压缩比ε_e＝ε_e[n,l]。在本实施例中，ε_e(2200,100)＝13.7，ε_e(3600,100)＝11.8。

Claims (1)

1.一种基于有效热效率的质调节式发动机的压缩比控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、不改变发动机其他参数，仅增大发动机活塞冲程以增大发动机几何压缩比，通过模型仿真获取不同几何压缩比发动机的有效热效率；根据活塞最大平均速度c_m和最大转速n_max，计算确定发动机几何压缩比ε_g，具体过程为：

a.利用GT-POWER软件建立发动机模型，发动机模型中的对象包括环境压力、进排气门长度、进排气门管径、进排气门开闭时刻、进排气门升程曲线、喷油系统模型、燃烧模型、发动机缸数、冲程、缸径、几何压缩比；

b.通过发动机模型仿真，获取不同几何压缩比的发动机在1000转每分钟且25％负荷工况下的有效热效率，将最高有效热效率对应的几何压缩比记为ε_{i max}；

c.根据活塞最大平均速度c_m和最大转速n_max可以确定发动机冲程S，

利用公式

计算最大几何压缩比ε_{g max}；其中V_a为燃烧室容积，π为圆周率，D为气缸直径；

d.如果最大几何压缩比ε_{g max}≤ε_{i max}，则几何压缩比ε_g＝ε_{g max}；如果最大几何压缩比ε_{g max}＞ε_{i max}，则几何压缩比ε_g＝ε_{i max}；

步骤二、通过发动机模型仿真获取几何压缩比为ε_g的发动机在所有工况下的最大爆发压力P_max，确定最低有效压缩比ε_{e min}，进而确定所有工况的有效压缩比ε_e的调节范围；有效压缩比的定义为：指进气门关闭瞬间的气缸容积与活塞处于上止点时的气缸容积之比；具体过程为：

a.通过发动机模型仿真获取几何压缩比为ε_g的发动机所有工况下的最高气缸压力P_max；

b.根据气缸最大承受压力P_lim，如果P_max≤P_lim，则最低有效压缩比ε_{e min}＝ε_g，气缸有效压缩比ε_e＝ε_g；如果P_max＞P_lim，则增大进气门最大升程的持续期，延迟进气门关闭时间，使P_max＝P_lim，将延迟进气门关闭后的有效压缩比记作ε_el，则最低有效压缩比ε_{e min}＝ε_el，有效压缩比ε_e的调节范围为ε_e＝[ε_el,ε_g]；

步骤三、确定各个工况下，有效压缩比的控制方法，具体过程为：

a.通过发动机模型仿真获得发动机各个工况下的最高气缸压力P_{z max}(n,l)，其中，n为各个工况的转速，l为各个工况的负荷百分比；

b.如果P_{z max}(n,l)≤P_lim，则该工况下有效压缩比ε_e＝ε_g；如果P_{z max}(n,l)＞P_lim，则增大进气门最大升程的持续期，延迟进气门关闭时间，使P_{z max}(n,l)＝P_lim，将此时的有效压缩比记为ε_e(n,l)，其中，n为各个工况的转速，l为各个工况的负荷百分比，则该工况下的有效压缩比ε_e＝ε_e(n,l)。

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