基于軟件仿真的發(fā)動(dòng)機(jī)建模研究

金旭，王家峰，劉慧軍，杜憲峰

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

前言

當(dāng)今時(shí)代，雖然新能源車輛的發(fā)展速度很快，但是依然存在一些技術(shù)難關(guān)未得到突破，發(fā)動(dòng)機(jī)依然是車輛的主要?jiǎng)恿υ础ｉL(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主要是以臺(tái)架試驗(yàn)為主，通過(guò)大量的試驗(yàn)，耗費(fèi)大量的時(shí)間與資源才能得到理想的的發(fā)動(dòng)機(jī)性能[1]。并且發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程是非常復(fù)雜的，臺(tái)架試驗(yàn)并不容易滿足一些需要詳細(xì)觀察發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作過(guò)程具體變化的試驗(yàn)要求，而軟件仿真可以很輕易的解決這一難題[2]。目前常用的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件有GT-POWER、FLUENT、AVLBOOST、FIRE 等等。本文主要基于AVLBOOST 軟件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真建模研究。

1 AVLBOOST 軟件的介紹

AVLBOOST 軟件是奧地利AVL 公司研發(fā)的一款專門用來(lái)仿真模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作的軟件，既可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，亦可以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)分析，其不僅功能強(qiáng)大，還有著簡(jiǎn)單易懂的操作界面以及齊全的仿真元件模塊庫(kù)[3]。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的搭建

2.1 模型框架的搭建

表1 為發(fā)動(dòng)機(jī)的部分主要技術(shù)參數(shù)。首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)選出需要用到的仿真元件模塊，本文需要的元件有發(fā)動(dòng)機(jī)、系統(tǒng)邊界、空濾器、渦輪增壓器、中冷器、容腔、氣缸、催化轉(zhuǎn)化器以及管道等。搭建成的模型框架如圖1 所示。

2.2 模型數(shù)據(jù)的輸入

首先，在Simulation/Control 中設(shè)置燃料類型、初始?jí)毫蜏囟葪l件、循環(huán)次數(shù)、計(jì)算步長(zhǎng)等的全局參數(shù)。其次，基于發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)每一個(gè)組成元件進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)輸入，尤其是氣缸、渦輪增壓器這種核心元件。本文選取的燃燒模型為Vibe，其主要輸入?yún)?shù)有三個(gè)：燃燒始點(diǎn)、燃燒持續(xù)期、形狀參數(shù)。燃燒始點(diǎn)對(duì)應(yīng)著噴油提前角，大概為提前角度減去4 度左右。燃燒持續(xù)期和形狀參數(shù)均根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行初步選取，燃燒持續(xù)期一般隨著轉(zhuǎn)速的降低而降低，形狀參數(shù)一般為1.0 左右。本文選取的傳熱模型為適用于高壓模型的Woschni1978 傳熱模型。最后，在運(yùn)行任務(wù)中設(shè)置不同的case 條件，例如不同的轉(zhuǎn)速及其對(duì)應(yīng)的噴油量等。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型

3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型驗(yàn)證及調(diào)整

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)扭矩

圖3 缸內(nèi)壓力

圖2 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2600rpm 時(shí)的瞬態(tài)扭矩變化，可知發(fā)動(dòng)機(jī)以與正、余弦圖像比較類似的趨勢(shì)周期性均勻的輸出扭矩，即說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，可以穩(wěn)定工作[4]。圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸內(nèi)的壓力變化，可以看出壓力峰值滿足低于130bar 的運(yùn)行要求。

表2 為轉(zhuǎn)速為2600rpm 時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真性能指標(biāo)與實(shí)際性能指標(biāo)的對(duì)比。易知，仿真計(jì)算的功率和扭矩偏小，有效燃油消耗率偏大，總體誤差較大。工程使用要求為誤差應(yīng)在5%以下。此時(shí)，需要對(duì)Vibe 參數(shù)中的燃燒持續(xù)周期和形狀參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最后得到合適的性能誤差。有時(shí)單一的調(diào)整Vibe 參數(shù)可能會(huì)達(dá)不到理想的誤差要求，此時(shí)就需要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)詳細(xì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行具體分析及調(diào)整[3]。

表2 性能指標(biāo)對(duì)比

表3 為調(diào)整后的性能指標(biāo)對(duì)比，可以看出誤差均在3%以下，即仿真模型滿足工程使用要求。

表3 調(diào)整后的性能指標(biāo)對(duì)比

分別對(duì)1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400rpm 的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真模擬及參數(shù)調(diào)整，將信息匯總后得到的發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的功率、扭矩以及燃油消耗率。仿真模型的性能指標(biāo)與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)對(duì)比圖如下。可以看出仿真模型精確度較高，誤差均小于5%，最大扭矩、額定功率等關(guān)鍵點(diǎn)誤差均小于3%，仿真較為成功。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下功率對(duì)比

圖5 不同轉(zhuǎn)速下扭矩對(duì)比

圖6 不同轉(zhuǎn)速下BSFC 對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于AVLBOOST 軟件，結(jié)合某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，搭建了該發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，描述搭建流程以及粗略的誤差調(diào)整方法。結(jié)果表明仿真模型精確度較高，滿足工程應(yīng)用要求。本研究對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與研發(fā)具有一定指導(dǎo)意義。