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[新能源汽车用材] 乙醇燃料性能分析及整车性能匹配运用

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发表于 2015-6-13 16:03:05 | 显示全部楼层 |阅读模式

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乙醇汽油燃料具有价格优势,已在整车上逐步推广运用,本文通过对比一种乙醇汽油燃料与普通汽油之间的性能差异,重点分析了发动机转矩发挥及油耗率对整车性能的影响,并在整车的匹配上进行运用,确保新车型使用乙醇燃料后整车动力性、经济性能够较优。
        当今全世界都在使用矿物燃料来生产车用燃料,而这些石油基燃料正在快速枯竭,为有效缓解石油供给压力,很多汽车厂商都在开发乙醇燃料作为代用燃料。
        乙醇汽油是一种由粮食及各种植物纤维加工成的乙醇和普通汽油按一定比例混配形成替代能源,它可以改善油品的性能和质量,降低汽车污染物排放。
        E是乙醇的标号,按照乙醇的含量来说,在国内及国外的乙醇汽油燃料有E10、E22、E60和E100等,乙醇燃料成本比汽油低约30%,若是在产糖的夏季或产糖区,成本差异更大。随着消费者环保意识的不断增强,加上相关政府的税收补贴导向,乙醇燃料将展现出其在各个方面的更多优势。
       

乙醇燃料性能分析及整车性能匹配运用

乙醇燃料性能分析及整车性能匹配运用

        乙醇汽油燃料性能分析
        开发乙醇燃料发动机,燃料的性质不同会导致发动机性能差异,若在成熟机型上开发乙醇燃料发动机,首先必须要保证使用乙醇燃料后发动机性能差异不能太大,涉及到整车匹配的变动要较小,而整车动力性能不会降低或者略有提升,燃油经济性可能降低,因为乙醇燃料的价格优势,综合燃油成本会大幅降低。
        以E22乙醇汽油(22%的乙醇和78%的汽油)为例,其热值对比结果:E22乙醇汽油热值为39J/mg,93#汽油则为42.75J/mg。E22乙醇汽油的热值只有93#汽油热值的91.2%,这意味着燃烧1kg汽油所放出的热量需燃用1.096kg的E22乙醇汽油,使得发动机在总体结构不变的情况下,经济性下降至原来的91%左右,百公里油耗增加。
        为保证试验数据的准确性和可比性,我们在同一台发动机上分批次进行两种燃料的整机性能试验,通过台架试验对比分析E22乙醇汽油和93#汽油性能差异。
       

乙醇燃料性能分析及整车性能匹配运用

乙醇燃料性能分析及整车性能匹配运用

        1.外特性及其分析
        发动机的外特性表示了其能够达到的最高性能,E22乙醇汽油和93#汽油的发动机外特性转矩、功率对比分别如图1、图2所示。
        根据E22乙醇汽油和93#汽油的理化指标可知,尽管乙醇热值较汽油小,但由于含氧量高,其理论混合气热值与汽油接近,因此,乙醇汽油作为汽油机燃料使用,其动力性基本接近于使用汽油的发动机,根据全负荷试验数据来看,发动机使用E22乙醇汽油后,相同转速下转矩、功率变化不大,功率、转矩提高0.9%左右,两种状况的发动机对整车动力性能的影响不大。
        2.负荷特性及其分析
        负荷特性主要用来评价发动机转速不变时,其经济性指标随负荷的变化关系。图3~4是在两种不同转速下,发动机使用E22乙醇汽油和93#汽油的负荷特性曲线对比。不同转速下的负荷特性曲线表明,发动机使用E22乙醇汽油时的燃油消耗量和耗油率普遍高于93#汽油,与全负荷时的规律基本类似。
        E22乙醇汽油的热值较低,其燃油消耗量从理论上讲应是93#汽油的92%左右,从试验数据来看,在2000r/min时,E22乙醇汽油耗油量约是93#汽油的105.1%,耗油率约为106.4%,在3200r/min时E22乙醇汽油耗油量约是93#汽油的109.2%,耗油率约为106.1%。综合试验结果分析,E22乙醇汽油耗油量约比93#汽油高6%~9%左右,耗油率高约6%左右,这与前面燃油热值测量得到的结果基本一致。因此,使用E22乙醇汽油匹配整车在经济性上要高于使用93#汽油,耗油率高约6%左右。
       

乙醇燃料性能分析及整车性能匹配运用

乙醇燃料性能分析及整车性能匹配运用

        3.万有特性及其分析
        图5、图6分别为使用E22乙醇汽油和93#汽油时的万有特性曲线,从图中可以看出:
        (1)使用93#汽油时,发动机最低比油耗为242.15g/kWh,而使用E22乙醇汽油时,发动机最低比油耗为258.10g/kWh,这表明普通汽油的热值高于E22乙醇汽油。
        (2)使用E22乙醇汽油时,发动机的最经济性区域处于中速、大转矩区域,即发动机转速在1500~4000r/min范围内,经济性区域范围较小,而使用93#汽油时,发动机的最经济区域处于1000~5000r/min范围内,范围宽广,在整车最常使用的区域,匹配整车时经济性优势较明显。
       

乙醇燃料性能分析及整车性能匹配运用

乙醇燃料性能分析及整车性能匹配运用

        乙醇燃料整车性能的匹配需求分析
        以某款成熟车型为例,匹配该机型使用93#汽油燃料后,市场销量较好,若开发E22乙醇汽油车型,对整车性能匹配要求为借用该基本型,尽量保留原车的整体结构,在匹配条件上作出相应变更,确保该车型动力性不会降低或增强,而要求经济性上油耗增加较少,使发动机与整车达到最佳的匹配原则。
        1.乙醇汽油的整车匹配需求分析
        通过E22乙醇汽油和93#汽油的发动机性能状态对比,其外特性转矩差距较小,但考虑到各车型的使用状况不同,通过发动机及整车标定优化后各车型外特性转矩状态可能不相同。
        如图7所示,成熟车型与拟开发的E22乙醇车型在外特性转矩上有一定差异,在整车性能分析过程中应尽量考虑到各车型之间的性能差异,确保开发车型整车性能的准确性。表1所示为主要匹配参数对比。
        外特性转矩上,E22乙醇车型差于标杆车,优于成熟车型,综合考虑车型开发成本、开发周期及量产可行性等问题,可借用成熟车型的速比,但由于总速比较大,同时考虑到驾驶舒适性要求,选用高端轮胎,这样可保证新开发车型的整车动力性能不差于成熟车型,而经济性能上又可进一步优化。
       

乙醇燃料性能分析及整车性能匹配运用

乙醇燃料性能分析及整车性能匹配运用

        图8  整车CRUISE仿真模型

        2.理论计算与试验验证对比分析
        (1)通过整车滑行试验或相应的整车滑行数据积累,输入相应的整车参数,运用CRUISE软件建立整车模型(见图8)并进行性能计算。
        (2)在借用成熟车型的基础上,搭载新机型装机验证,进行整车的道路试验和转鼓试验,对该车型的动力性、经济性进行测量,综合对比整车性能结果进行分析,如表2所示。
        综合对比理论计算及试验结果,新开发的E22乙醇汽油车型在动力性上与成熟车型相当且略优于标杆车型,在经济性能上略优于成熟车型和标杆车型,完全达到了相应的开发目标,说明了相应匹配条件的准确性。
        根据理论计算值与试验值的对比可以看出,仿真结果与试验值有一定的误差,这是由于建立仿真模型时存在一定的简化及试验时驾驶员的换挡规律不一致等原因造成的,如忽视发动机内部的摩擦损失数据、没有考虑热机状态及各种阻力系数误差等。但是,对于工程应用来说,该精度已经能够指导实际工程中判断不同匹配方案的优劣程度,对发动机与整车性能匹配开发有较高的参考价值。
       

乙醇燃料性能分析及整车性能匹配运用

乙醇燃料性能分析及整车性能匹配运用

        结语
        本文以E22乙醇汽油燃料为例,重点阐述了乙醇汽油与普通汽油的性能差异及可能对整车造成的影响进行分析,保证了在成熟车型上更换乙醇燃料后整车性能差异不至于过大,为开发乙醇燃料的可行性进行说明。
        我们从乙醇汽油的转矩发挥、耗油率的影响进行分析,根据整车开发目标,细化了对整车的匹配条件变更的分析说明,从理论上确保新开发车型的整车性能达标,并通过试验验证,新开发的乙醇车型性能较好,完全能够用户需求。
        通过乙醇燃料的性能分析及整车匹配运用,本文提供了一种切实可行的方法和步骤,对发动机与整车性能的开发具有较高的参考价值。
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