基于計算流體動力學分析的發動機性能優化

胡華強 景亞兵 栗娟 朱成明 樓宏偉

（1-菲亞特動力科技研發（上海）有限公司上海200807 2-天津內燃機研究所）

基于計算流體動力學分析的發動機性能優化

胡華強1景亞兵2栗娟1朱成明1樓宏偉1

（1-菲亞特動力科技研發（上海）有限公司上海200807 2-天津內燃機研究所）

通過實驗先獲取發動機的原始數據，同時通過計算機輔助技術，設計構建發動機一維三維系統模型，再利用GT-Power和Star-CD軟件導入數字化模型并用實驗數據進行對比驗證，提出了1.3 L汽油發動機性能優化建議并對可行性進行分析。

發動機優化仿真計算流體動力學

引言

利用計算機輔助技術來模擬優化發動機性能已成為當前世界上比較流行的趨勢。通過計算流體動力學軟件對建立的一維和三維虛擬發動機進行分析計算，不僅在發動機開發前期具有前瞻性作用，而且在發動機甚至整車的研發過程中也起到重要指導作用，能夠節約大量人力物力，使有限的研發成本投入到關鍵的作用點上。本文通過某一款發動機研發的實例，詳細闡述了整個仿真計算的全過程

1 優化分析背景和條件

此研究為開發新的動力總成的一部分，目標是改善發動機加速性能以滿足整車的需求。其主要方法是建立仿真模型，并通過和臺架數據對比修正該模型，之后通過一系列流體動力學計算來優化虛擬發動機的性能。主要工作內容有：整車性能和油耗分析，使用GT-Power建立原發動機流體動力學的一維仿真模型，缸蓋氣道和燃燒室的流體動力學的試驗氣道模型和三維仿真分析。

考慮到對產品開發周期和成本的控制，提出項目研究方向為：使用原機械節氣門結構、固定正時下進排氣系統的結構優化，進排氣岐管材料優化，缸內燃燒系統優化。

2 整車性能和油耗分析

2.1 臺架試驗獲取萬有特性曲線

原發動機在指定車型上進行整車性能和油耗分析，其目的在于：為建立優化模型提供數據對比，為以后的工作創建優化基礎。

臺架試驗所得外特性功率扭矩曲線見下文對比圖8（深色實線）。

2.2 整車轉鼓實驗

實驗車輛搭載該發動機原機時，整備質量為1140kg，根據國標GB18352查得轉鼓實驗處于1190＜RM≤1305，得到表1參數：

表1 參數

轉鼓實驗模擬在0 km/h～120 km/h車速下由制動裝置和底盤測功機內摩擦效應而吸收的負荷如下：

式中：F—底盤測功機吸收的總負荷（N）；

a—滾動阻力當量值（N）；

b—空氣阻力系數當量值（N/（km·h-1）2）；

V2—車速（km/h）；

F80—80 km/h車速時的負荷（N）。

2.3 整車性能輸出數據

整車性能輸出數據見表2所示。

表2反映了整車原始數據：底盤測功機試驗實際使用歐4汽油，每升產出CO2為2350 g。一維模擬整車數據仿真采用的歐4汽油，采用查表法和冷態NEDC循環滑行法，密度0.747 kg/L，每升產出2371 gCO2。最后仿真油耗8.4 L/100 km和試驗得出的油耗8.5 L/100 km吻合較好，說明使用滑行法建立的一維參數基本正確。

表2 整車性能輸出數據

圖1顯示該發動機平均有效壓力與轉速的對應關系，圖中的氣泡點位置是不同工況點落在油耗區域所對應的油耗數值，氣泡大小反應了發動機部分負荷在整車油耗中的比重大小，氣泡位置和氣泡比重的加權平均即可得到整車的油耗率?？梢钥闯鲈?500r/min下平均有效壓力為0.2MPa的壓力對應出11.5%的比例，分析得出結論：2500r/min下平均有效壓力為0.2MPa的工況是部分負荷的優化重點。

圖1 平均有效壓力曲線

3 使用GT-Power建立發動機流體動力學的一維仿真模型

圖2體現了GT-Power建立的虛擬發動機一維模型的主要思想，分成進氣系統、發動機本體系統和排氣系統，每一個子模塊由不同的傳感器來輸入條件，傳感器越多所建立的模型就越準確。

圖2 發動機一維仿真模型

發動機GT-Power模型建立之后需要和試驗數據對比來做驗證分析。

圖3工質流量、扭矩曲線

圖3 所示為工質流動和扭矩的對比，實線是GT-Power模擬值，虛線為發動機試驗值，可以看出工質流動吻合得很好，說明缸內和氣道內可燃混合氣實際狀態和仿真狀態很相似，但在中速工況氣體流動擬合度的微小偏差造成在扭矩模型里有一定程度的偏差，這種情況需要加入修正參數。

4 缸內進氣道和燃燒室的流體動力學的三維仿真和試驗氣道模型

圖4為該發動機三維模型，以此作為輸入條件輸入到計算機中。

圖4發動機三維模型圖

圖5 為氣道模擬試驗臺的圖紙。將拆解下來的缸蓋清洗后固定在試驗臺上，在氣道的各個位置安裝空氣流速傳感器，在燃燒室內安裝渦流傳感器，使用密封的風洞輸入各種不同流速的空氣用來模擬發動機各種工況下的可燃混合氣流量。

圖5 氣道模擬試驗臺構造

通過氣道模擬試驗臺，我們可以模擬冷態下缸內氣體流動的狀態，根據不同位置不同傳感器對溫度、壓力變化的反饋，輸入到計算機軟件中，得到燃燒室內的燃燒情況，可以對之前的分析作為補充，做出相應的修正。

圖6 全負荷6000r/min結果和缸內空氣運動分布圖

圖7 部分負荷2500r/min平均有效壓力0.2 MPa結果和缸內空氣運動分布圖

從圖6全負荷6000r/min和圖7部分負荷2500r/min的三維分析結果看出，原型機的燃燒室布局比較合理，火焰中心集中于燃燒室中間且溫度場分布規則并均勻，缸內壓力波無鋸齒形突變說明爆燃情況良好。若無特殊要求，可以保留此參數設計。

5 性能優化分析（固定正時和進排氣歧管的優化）

根據建立的虛擬發動機模型，通過對充氣效率、扭矩和功率圖表、正時和氣門升程的模擬表明，進排氣系統的主要尺寸參數和其他相應修改參數如下：

1）進氣岐管管頸優化：增加管長至380 mm，減少管徑至33 mm；

2）進氣系統優化：增大進氣岐管容積至0.8 L，節氣門體到諧振腔間管長比原來增加100 mm；

3）減少進氣系統壓降：進氣管第一段從48 mm增大到55 mm；

4）進氣岐管材料：塑料替代金屬；

5）排氣岐管優化：使用完全對稱形式；

6）減少排氣系統壓降：使用更好的下游催化器，讓排氣背壓減少50 mbar；

7）氣門升程曲線優化：采用帶液壓間隙調節器的發動機升程曲線；

8）燃燒系統：提高50%燃料燃燒放熱率；

9）燃燒系統：壓縮比從9.3：1增大到11：1。

6 分析結果

如圖8所示，性能結果對比如下：

圖8 發動機外特性曲線

1）標定轉速及周邊：

圖中3個圓點顯示整車的期望目標，分別為：100 N·m@1600 r/min，115N·m@3000r/min，125N·m @4000r/min，優化后曲線（淺色實線）遠遠超過了這個目標，且最大扭矩達到了130N·m@4000r/min。

2）最高轉速：

原發動機實測（黑色虛線）：

66.3 kW@6000rpm

GT-Power原發動機模型（深色實線）：67.5kW@ 6000r/min

GT-Power優化后發動機（淺色實線）：69.3 kW@ 6000r/min

優化后的發動機也超過了期望目標：69kW@ 6000r/min

此外，在性能基礎優化之后，發動機機體和零部件強度需求也隨之相應提高，是否能滿足可靠性的要求，則需要繼續完成余下的工作：

1）缸體、活塞強度分析

2）連桿的結構和運動分析

7 結論

1）計算流體動力學分析不僅在發動機開發的前期有前瞻性作用，而且在發動機甚至整車的研發過程中起到重要指導作用。

2）計算機模擬計算無法取代所有的實驗工作，特別是在模型建立階段，需要足夠多的實驗數據對所建模型進行驗證，所以企業所擁有的數據庫對計算起到至關重要的作用。

3）評估整車可達到的性能和油耗的目標則需要等到全部數據計算出來之后完成，可以預見，通過多項更改之后，新的發動機完全能達到預期目標。

1雷衛.一種新的HCCI柴油機燃油噴霧特性的PLIF法測試裝置[D].天津：天津大學，2003

2解茂昭.內燃機計算燃燒學[M].大連：大連理工大學出版社，2005

3周龍保.內燃燒學[M].北京：機械工業出版社，1996

4王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004

A Study on Engine Performance Optimization Based on CFD Analysis

Hu Huaqiang1，Jing Yabing2，Lydia Li1，Zhu Chengming1，Lou Hongwei1
1-Fiat Powertrain Technologies（Shanghai）R&D Co.，Ltd.（Shanghai，200807，China）2-Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute

Acquired original engine data from test as the initial condition，meanwhile by computer aided technology，1D and 3D model can be built.Then using GT-Power and Star-CD software，dealing with the digital model，the experimental data is compared for verification.The scheme of performance optimization is presented for the 1.3 liter petrol engine and the feasibility is analyzed.

Engine，Optimize，Simulation，CFD

TK411

A

2095-8234（2014）04-0053-05

2014-06-03）

胡華強（1981-），男，碩士，主要研究方向為發動機的應用。