CN115234387A - 一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法 - Google Patents

一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法，包括：根据对置活塞发动机的热力循环模型以及不同工况和转速对应的控制参数和调控参数，分别对发动机进行全工况下功率、热效率的计算，通过确定相应的调控参数，分别得到全工况下的发动机最大功率和热效率，从而实现对置活塞发动机全工况功率和热效率的双元调控；本发明通过确定调控参数分别得到全工况下的发动机最大功率和热效率，从而实现对置活塞发动机全工况功率和热效率的双元调控，使发动机在相应的转速和工况下达到最高的动力性和燃油经济性，弥补传统发动机性能优化过程的缺陷，提升整机的性能。

Description

一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法
技术领域
本发明属于发动机设计技术领域，具体涉及一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法。
背景技术
能源危机给内燃机行业带来了巨大的压力，同时也推动了新型动力形式的发展，对置活塞发动机便是其中之一。对置活塞发动机的两个活塞以对置形式布置在气缸内，并以相反的方向作往复直线运动，具有结构简单、功率密度高、传热损失小以及热效率高等显著优点，因此具有很好的应用前景。
对置活塞发动机的性能提升有两个方面，一是从动力性方面提升，即在给定条件下尽可能提升动力装置的功率，实现更高的动力输出；二是从经济性方面提升，即期望发动机具有尽可能高的热效率，以降低燃油消耗。传统的发动机性能优化过程具有一定局限性，往往只针对特定的工况和转速进行调控参数的配置，从而调控该特定的工况和转速下的功率和热效率，并不适用于发动机的全运行工况。因此，对对置活塞发动机的功率和热效率在全工况范围内进行调控成为目前整机性能开发领域需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法，以提升功率、热效率双指标为目标，在全工况范围内使用调控参数对发动机进行功率、热效率的双元调控，弥补传统发动机性能优化过程的缺陷，提升整机的性能。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法，包括：
根据对置活塞发动机的热力循环模型以及不同工况和转速对应的控制参数和调控参数，分别对发动机进行全工况下功率、热效率的计算，通过确定相应的调控参数，分别得到全工况下的发动机最大功率和热效率，从而实现对置活塞发动机全工况功率和热效率的双元调控；
其中，控制参数包括空燃比α和转速n；
调控参数的确定方式为：
令发动机最大燃烧压力值等于发动机燃烧压力最大许用值pmax，计算不同发动机转速下的压力升高比λ；
根据每一转速下所计算的压力升高比λ，计算不同空燃比α下发动机的调控参数，获得全工况下发动机的调控参数。
进一步的，所述计算不同发动机转速下的压力升高比为：
首先，基于增压比与转速呈线性关系，确定不同转速所对应的增压比πk；
其次，基于公式1计算不同转速下对应的压力升高比λ；
Pmax＝εkλπkp0 公式1
其中，pmax为燃烧压力最大许用值；ε为压缩比；k为定熵指数；P0为大气压力；
再次，根据公式2计算每一转速和空燃比所对应的调控参数Rp；
Figure BDA0003746621790000021
其中，Hu为燃料热值；cv为空气定容比热容；T1为进气温度。
进一步的，燃烧压力最大许用值pmax在不同转速和工况下不同，具体为：
Pmax＝θPm 公式3
其中，Pm为爆压，θ为爆压系数；
已知空燃比α的取值范围为α1≤α≤α2，转速n的取值范围为n1≤n≤n2；
当处于小负载转速时，即空燃比(α1+σα1(α2-α1))<α≤α2，转速n1≤n<(n1+σn1(n2-n1))时，θ＝1；
当处于中负载转速时，即空燃比(α1+σα2(α2-α1))<α≤(α1+σα1(α2-α1))，转速(n1+σn1(n2-n1))≤n<(n1+σn2(n2-n1))时，θ＝0.96；
当处于大负载转速时，即空燃比α1≤α<(α1+σα2(α2-α1))，转速(n1+σn2(n2-n1))≤n<n2时，θ＝1；
其中，0.35≤σα1≤0.4，0.12≤σα2≤0.18,0.1≤σn1≤0.2,0.6≤σn2≤0.7。
进一步的，存储不同转速和空燃比所对应的调控参数Rp，当发动机运行时，采集发动机的转速和空燃比，根据采集参数从所存储的数据查询其对应的调控参数Rp进行发动机设置，实现发动机的调控。
进一步的，利用所述不同转速和空燃比所对应的调控参数Rp绘制全工况MAP图，采集发动机的转速和空燃比，根据采集参数从所述全工况MAP图中提取调控参数Rp进行发动机设置，实现发动机的调控。
进一步的，所述根据对置活塞发动机的热力循环模型以及不同工况和转速对应的控制参数和调控参数，分别对发动机进行全工况下功率、热效率的计算，具体为：首先，根据空燃比α计算获得膨胀比ρ,然后，一方面，根据热力循环模型得到发动机每循环所作功W的计算公式，结合膨胀比ρ、压力升高比λ和增压比πk计算得到发动机每循环所作功W，根据发动机每循环所作功W计算得到功率P；另一方面，根据热力循环模型得到发动机循环热效率的计算公式，结合膨胀比ρ和压力升高比λ计算得到循环热效率η。
进一步的，所述不同转速为按照设定步长所提取的转速。
进一步的，热力循环模型的获得方式为：忽略对置活塞发动机的热力循环中次要的影响因素，并对其中的变化复杂、难以进行细致分析的物理、化学过程进行简化处理。
有益效果：
(1)本发明根据对置活塞发动机的热力循环模型以及不同工况和转速对应的控制参数和调控参数，分别对发动机进行全工况下功率、热效率的计算，通过确定相应的调控参数，分别得到全工况下的发动机最大功率和热效率，从而实现对置活塞发动机全工况功率和热效率的双元调控；本发明同时提升功率、热效率双指标为目标，根据对置活塞发动机的热力循环模型和不同工况和转速对应的控制参数、调控参数，分别对发动机进行全工况下功率、热效率的计算，不再针对某一特定工况点；通过确定调控参数分别得到全工况下的发动机最大功率和热效率，从而实现对置活塞发动机全工况功率和热效率的双元调控，使发动机在相应的转速和工况下达到最高的动力性和燃油经济性，弥补传统发动机性能优化过程的缺陷，提升整机的性能。
同时，本发明令发动机最大燃烧压力值等于发动机燃烧压力最大许用值pmax，计算不同发动机转速下的压力升高比λ；根据每一转速下所计算压力升高比λ，计算不同空燃比α下发动机的调控参数，获得全工况下发动机的调控参数。本发明通过发动机燃烧压力最大许用值pmax来确定全工况下发动机的调控参数，从而保证发动机能够稳定运转。
同时，本发明控制参数包括空燃比α，根据每一转速下所计算压力升高比λ，计算不同空燃比α下发动机的调控参数；本发明通过改变空燃比α来模拟发动机的不同运行工况；空燃比是指可燃混合气中空气质量与燃油质量之比，当空气少燃油多时，功率较大，但是燃烧不完全，油耗高，污染大；当空气多燃油少时，燃烧完全，油耗低，但是功率较小，所以可通过改变空燃比来模拟发动机的不同运行工况，可以对工况进行量化分析。
(2)本发明当处于小负载转速时和大负载转速时，θ＝1，当处于中负载转速时，θ＝0.96；由于小负荷低转速条件下热效率高但功率低，大负荷高转速条件下功率高但热效率低，为避免影响动力性和经济性，对小负荷低转速和大负荷高转速的最高许用压力不作修正，而对于中等负荷和转速，由于中等负荷和转速是对置活塞发动机的主要工作区间，长时间工作在爆压条件下会使缸套、活塞等结构承受较大负载，因此对中等负荷转速下的最大许用压力进行修正，使其稍小于爆压，延长发动机使用寿命。
(3)本发明存储不同转速和空燃比所对应的调控参数Rp，当发动机运行时，采集发动机的转速和空燃比，根据采集参数从所存储的数据查询其对应的调控参数Rp进行发动机设置，实现发动机的调控。在空燃比和转速的取值范围内，无论选取任何空燃比和转速，都能得到使当前工况下的功率和热效率的最大值，避免重复计算，为实际发动机运行过程中工况的选择与确定提供指导。
(4)本发明根据计算得到到的最大功率和最高下热效率绘制全工况MAP图，全工况MAP图直观反应了转速和工况对发动机指示功率和指示热效率的影响，可以分别确定不同转速和工况下发动机的最大功率运行工况点和最高效率运行工况点，不受转速步长和空燃比取值间隔的限制，能够为实际发动机运行过程中工况的选择与确定提供指导。
(5)本发明根据对置活塞发动机的热力循环模型以及不同工况和转速对应的控制参数和调控参数，分别对发动机进行全工况下功率、热效率的计算，具体为：首先，根据空燃比α计算获得膨胀比ρ,然后，一方面，根据热力循环模型得到发动机每循环所作功W的计算公式，结合膨胀比ρ、压力升高比λ和增压比πk计算得到发动机每循环所作功W，再根据发动机每循环所作功W计算得到功率P；另一方面，根据热力循环模型得到发动机循环热效率的计算公式，结合膨胀比ρ和压力升高比λ计算得到循环热效率η。通过上述过程可以得到在不同工况和转速下的发动机功率P和循环热效率η，且功率P和循环热效率η均为与调控参数项相关的函数，能够仅通过确定调控参数这一个变量就能得到发动机在某一组工况和转速下的最大功率P和循环热效率η，从而得到全工况对应的最大功率P和循环热效率η。
(6)本发明中的热力循环模型的获得方式为：忽略对置活塞发动机的热力循环中次要的影响因素，并对其中的变化复杂、难以进行细致分析的物理、化学过程进行简化处理，通过忽略次要影响因素和简化过程获得的热力循环模型便于进行定量分析和后续的计算。
附图说明
图1是对置活塞发动机P-V图；
图2是对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法示意图；
图3是对置活塞发动机全工况最高功率MAP图；
图4是对置活塞发动机全工况最高热效率MAP图；
图5为对置活塞发动机预混燃烧分数MAP图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法，包括：
根据对置活塞发动机的热力循环模型以及不同工况和转速对应的控制参数和调控参数，分别对发动机进行全工况下(即全部的工况和转速下)功率、热效率的计算，通过确定相应的调控参数，分别得到全工况下的发动机最大功率和热效率，从而实现对置活塞发动机全工况功率和热效率的双元调控；
其中，控制参数包括空燃比α和转速n；
调控参数为预混燃烧分数，确定方式为：令发动机最大燃烧压力值等于发动机燃烧压力最大许用值pmax，计算不同发动机转速下的压力升高比λ；
根据每一转速下所计算的压力升高比λ，计算不同空燃比α下发动机的调控参数，获得全工况下发动机的调控参数。
本实施例以同时提升功率、热效率双指标为目标，根据对置活塞发动机的热力循环模型和不同工况和转速对应的控制参数、调控参数，分别对发动机进行全工况下功率、热效率的计算，不再针对某一特定工况点；通过确定调控参数分别得到全工况下的发动机最大功率和热效率，从而实现对置活塞发动机全工况功率和热效率的双元调控，使发动机在相应的转速和工况下达到最高的动力性和燃油经济性，弥补传统发动机性能优化过程的缺陷，提升整机的性能；
同时，本实施例令发动机最大燃烧压力值等于发动机燃烧压力最大许用值pmax，计算不同发动机转速下的压力升高比λ；根据每一转速下所计算压力升高比λ，计算不同空燃比α下发动机的调控参数，获得全工况下发动机的调控参数。本发明通过发动机燃烧压力最大许用值pmax来确定全工况下发动机的调控参数，从而保证发动机能够稳定运转；
同时，本实施例通过改变空燃比来模拟发动机的不同运行工况；其中，空燃比是指可燃混合气中空气质量与燃油质量之比，当空气少燃油多时，功率较大，但是燃烧不完全，油耗高，污染大；当空气多燃油少时，燃烧完全，油耗低，但是功率较小，所以可通过改变空燃比来模拟发动机的不同运行工况。
进一步地，本发明所述计算不同发动机转速下的压力升高比为：
首先，基于增压比与转速呈线性关系，确定不同转速所对应的增压比πk；
其次，基于公式(1)计算不同转速下对应的压力升高比λ；
Pmax＝εkλπkp0 公式(1)
其中，pmax为燃烧压力最大许用值；ε为压缩比；k为定熵指数；P0为大气压力，单位为kPa；
再次，根据公式(2)计算每一转速和空燃比所对应的调控参数Rp；
Figure BDA0003746621790000061
其中，Hu为燃料热值，单位为kJ/kg；cv为空气定容比热容，单位为kJ/(kg·K)；T1为进气温度，单位为K；
进一步的，燃烧压力最大许用值pmax在不同转速和工况下不同，具体为：
Pmax＝θPm 公式(3)
其中，Pm为爆压，θ为爆压系数；
已知空燃比α的取值范围为α1≤α≤α2，转速n的取值范围为n1≤n≤n2；
当处于小负载转速时，即空燃比(α1+σα1(α2-α1))<α≤α2，转速n1≤n<(n1+σn1(n2-n1))时，θ＝1；
当处于中负载转速时，即空燃比(α1+σα2(α2-α1))<α≤(α1+σα1(α2-α1))，转速(n1+σn1(n2-n1))≤n<(n1+σn2(n2-n1))时，θ＝0.96；
当处于大负载转速时，即空燃比α1≤α<(α1+σα2(α2-α1))，转速(n1+σn2(n2-n1))≤n<n2时，θ＝1；
其中，0.35≤σα1≤0.4，0.12≤σα2≤0.18,0.1≤σn1≤0.2,0.6≤σn2≤0.7。
由于小负荷低转速条件下热效率高但功率低，大负荷高转速条件下功率高但热效率低，为避免影响动力性和经济性，对小负荷低转速和大负荷高转速的最高许用压力不作修正，而对于中等负荷和转速，由于中等负荷和转速是对置活塞发动机的主要工作区间，长时间工作在爆压条件下会使缸套、活塞等结构承受较大负载，因此对中等负荷转速下的最大许用压力进行修正，使其稍小于爆压，延长发动机使用寿命。
进一步地，本发明所述不同转速为按照设定步长所提取的转速。
进一步地，本发明存储不同转速和空燃比所对应的调控参数Rp，当发动机运行时，采集发动机的转速和空燃比，根据采集参数从所存储的数据查询其对应的调控参数Rp进行发动机设置，实现发动机的调控。
进一步地，本发明利用所述不同转速和空燃比所对应的调控参数Rp绘制全工况MAP图，采集发动机的转速和空燃比，根据采集参数从所述全工况MAP图中提取调控参数Rp进行发动机设置，实现发动机的调控。
全工况MAP图直观反应了转速和工况对发动机指示功率和指示热效率的影响，可以分别确定发动机的最大功率运行工况点和最高效率运行工况点，为实际发动机运行过程中工况的选择与确定提供指导。
进一步的，所述根据对置活塞发动机的热力循环模型以及不同工况和转速对应的控制参数和调控参数，分别对发动机进行全工况下(即全部的工况和转速下)功率、热效率的计算，具体为：根据公式(4)、(5)和(6)计算功率，根据公式(4)和(7)计算热效率：
首先，根据空燃比α计算获得膨胀比ρ：
Figure BDA0003746621790000071
其中，cp为空气定压比热容，单位为kJ/(kg·K)；
然后，一方面，根据热力循环模型得到发动机每循环所作功W(kJ)的计算公式，结合膨胀比ρ、压力升高比λ和增压比πk计算得到发动机每循环所作功W(kJ)：
Figure BDA0003746621790000072
其中，x为缸数，D为缸径，单位为mm；d为活塞最小间隙，单位为mm；R为曲柄半径,单位为mm；
根据发动机每循环所作功W(kJ)计算得到功率P(kW)：
Figure BDA0003746621790000073
其中，n为转速，单位为r/min；
另一方面，根据热力循环模型得到发动机循环热效率的计算公式，结合膨胀比ρ和压力升高比λ计算得到循环热效率η：
Figure BDA0003746621790000074
进一步的，参见附图2，热力循环模型包括压缩过程1-2、等容燃烧过程2-3、等压燃烧过程3-4、膨胀过程4-5，排气过程5-6和扫气过程6-1；热力循环模型(即P-V图)的获得方式为：忽略对置活塞发动机的热力循环中次要的影响因素，并对其中的变化复杂、难以进行细致分析的物理、化学过程进行简化处理，通过以上过程获得的热力循环模型便于进行定量分析和后续的计算。
综上，参见附图2，为一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法的示意图，本方法以功率、热效率双指标为目标，在全工况范围内通过设置调控参数Rp，对发动机进行全工况下的功率、热效率的双元调控，能够弥补传统发动机性能优化过程的缺陷，提升整机的性能。
本申请一具体实施例：一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法，研究对象为一台3缸对置活塞二冲程柴油机，其基础参数如下：
缸径D＝50mm，双活塞行程S＝100mm，曲柄半径R＝25mm，活塞最小间隙为d＝3.75mm，额定转速n＝3000r/min，压缩比ε＝16，额定转速下增压比πk＝2.2，燃料热值Hu＝4.27×104kJ/kg，定熵指数k＝1.4，空气定容比热容cv＝0.717kJ/(kg·K)，空气定压比热容cp＝1.004kJ/(kg·K)，空气气体常数Rg＝0.287kJ/(kg·K)，进气压力为p0＝0.1×106Pa，进气温度为T1＝343K。
运用Matlab建立模型，对该型发动机进行模拟实验。其中，空燃比变化范围为16～42，最小变化间隔为2；转速变化范围为2100～3900r/min，最小变化间隔为150r/min；最高燃烧压力许用值[pmax]＝16MPa。将计算所得的功率、效率及预混燃烧份数预制成MAP图，参见附图3-5。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法，其特征在于，包括：
根据对置活塞发动机的热力循环模型以及不同工况和转速对应的控制参数和调控参数，分别对发动机进行全工况下功率、热效率的计算，通过确定相应的调控参数，分别得到全工况下的发动机最大功率和热效率，从而实现对置活塞发动机全工况功率和热效率的双元调控；
其中，控制参数包括空燃比α和转速n；
调控参数的确定方式为：
令发动机最大燃烧压力值等于发动机燃烧压力最大许用值pmax，计算不同发动机转速下的压力升高比λ；
根据每一转速下所计算的压力升高比λ，计算不同空燃比α下发动机的调控参数，获得全工况下发动机的调控参数。
2.如权利要求1所述一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法，其特征在于，所述计算不同发动机转速下的压力升高比为：
首先，基于增压比与转速呈线性关系，确定不同转速所对应的增压比πk；
其次，基于公式1计算不同转速下对应的压力升高比λ；
Pmax＝εkλπkp0 公式1
其中，pmax为燃烧压力最大许用值；ε为压缩比；k为定熵指数；P0为大气压力；
再次，根据公式2计算每一转速和空燃比所对应的调控参数Rp；
Figure FDA0003746621780000011
其中，Hu为燃料热值；cv为空气定容比热容；T1为进气温度。
3.如权利要求1所述一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法，其特征在于，
燃烧压力最大许用值pmax在不同转速和工况下不同，具体为：
Pmax＝θPm 公式3
其中，Pm为爆压，θ为爆压系数；
已知空燃比α的取值范围为α1≤α≤α2，转速n的取值范围为n1≤n≤n2；
当处于小负载转速时，即空燃比(α1+σα1(α2-α1))<α≤α2，转速n1≤n<(n1+σn1(n2-n1))时，θ＝1；
当处于中负载转速时，即空燃比(α1+σα2(α2-α1))<α≤(α1+σα1(α2-α1))，转速(n1+σn1(n2-n1))≤n<(n1+σn2(n2-n1))时，θ＝0.96；
当处于大负载转速时，即空燃比α1≤α<(α1+σα2(α2-α1))，转速(n1+σn2(n2-n1))≤n<n2时，θ＝1；
其中，0.35≤σα1≤0.4，0.12≤σα2≤0.18,0.1≤σn1≤0.2,0.6≤σn2≤0.7。
4.如权利要求1所述一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法，其特征在于，存储不同转速和空燃比所对应的调控参数Rp，当发动机运行时，采集发动机的转速和空燃比，根据采集参数从所存储的数据查询其对应的调控参数Rp进行发动机设置，实现发动机的调控。
5.如权利要求1所述一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法，其特征在于，利用所述不同转速和空燃比所对应的调控参数Rp绘制全工况MAP图，采集发动机的转速和空燃比，根据采集参数从所述全工况MAP图中提取调控参数Rp进行发动机设置，实现发动机的调控。
6.如权利要求2-5任意一项所述一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法，其特征在于,所述根据对置活塞发动机的热力循环模型以及不同工况和转速对应的控制参数和调控参数，分别对发动机进行全工况下功率、热效率的计算，具体为：首先，根据空燃比α计算获得膨胀比ρ,然后，一方面，根据热力循环模型得到发动机每循环所作功W的计算公式，结合膨胀比ρ、压力升高比λ和增压比πk计算得到发动机每循环所作功W，根据发动机每循环所作功W计算得到功率P；另一方面，根据热力循环模型得到发动机循环热效率的计算公式，结合膨胀比ρ和压力升高比λ计算得到循环热效率η。
7.如权利要求1-5任意一项所述一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法，其特征在于，所述不同转速为按照设定步长所提取的转速。
8.如权利要求1-5任意一项所述一种对置活塞发动机全工况功率和热效率双元调控方法，其特征在于,热力循环模型的获得方式为：忽略对置活塞发动机的热力循环中次要的影响因素，并对其中的变化复杂、难以进行细致分析的物理、化学过程进行简化处理。
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