數值模擬在車用內燃機設計過程中的應用及展望

文/伍賽特

目前，在內燃機研發過程中的常見方法，是采用計算工具來達到既可提高產品性能又能縮短研發周期和節約成本的目的。由于內燃機系統中可變參數的不斷增加，再加上混合動力研發過程的復雜性，對于建模和數值模擬的需求也更為迫切。數值模擬對于產品研發的貢獻大小，在很大程度上取決于其所依據模型的預測能力，使用工具的方便和有效性，及其與整個研發過程結合的緊密程度。

數值模擬在內燃機設計研發領域的應用較為廣泛，包括整個系統設計，如熱力學、燃燒和排放等各個方面。同時也根據當前和未來的技術發展趨勢，提出了對相關計算工具的總體要求。

1 內燃機研發過程中的數值模擬

1.1 總體過程

通常而言，內燃機的研發過程可分為三個過程：

（1）產品型號、規格的確定/前期概念設計；

（2）具體方案設計；

（3）產品研發和安全保障（通過驗證以確定其生效）。

研發過程最為迫切的就是需盡可能早地對重要方案作出正確決定，以免后續再進行基本配置時再進行大幅修改，否則會大幅增加研發成本。

1.2 產品型號、規格的確定及前期概念設計

為了保證前期方案和概念設計的正確進行，使日后能在保持基本條件（增壓方案、燃燒方式、排氣后處理系統和成本等）不變的情況下，滿足對內燃機動力性和燃油經濟性等方面的相關要求，有必要在整個系統層面上進行數值模擬。以此方可對有關內燃機子系統、動力總成乃至整車情況，以及后續在實際運行（行駛循環）中整個系統的表現進行描述，從而能簡要地對內燃機在整個系統中的不同配置方案作出比較和評估。

在研發采用高增壓直噴技術和各類可變氣門方案的先進汽油機時，應用數值模擬方法可將之前相關階段中已獲得的有關汽油機瞬態動力性能，與動力總成和整個車輛的配置進行有機結合。

在柴油領域，目前研發工作的重點視其用途的不同（如乘用車、載貨汽車、非道路車輛和固定動力等），集中在燃燒方式、增壓和廢氣再循環策略等方面數值模擬。其余的應用范圍則涉及各類排氣后處理系統的匹配，以便后續達到相關排放法規的需求。為此需緊密結合前述階段中已涉及的和內燃機及排氣后處理系統中的各類熱管理問題，并綜合加以考慮。

在該階段的數值模擬方法，除了需簡明直觀、便于操作及建模成本低廉之外，首先需滿足的是參數明確可行、計算結果精度與靈敏度高，以及計算時間短。在縮短計算時間和觀察整個系統反應的基礎上，判斷和評價之前階段所使用的計算方法，以提高其計算時的效率及實時能力。

1.3 具體方案設計

在具體方案設計階段，首先需確定內燃機與充量更換，即換氣過程相關零部件的尺寸。為此，在前期概念設計所用的內燃機簡化模型上，將與此相關的重要零部件（如進排氣道、氣缸和增壓機構等）加以精確與細化。這個階段數值模擬的主要任務是確定進排氣系統的管道長度、截面積和容積、氣門開啟的時間斷面，有時仍需加上增壓機構的相應尺寸。計數需預先輸入數據，例如進排氣道的流量系數，空氣濾清器和EGR冷卻器的壓力損失，以及渦輪增壓器的特性曲線等，或者依靠測試，或者通過詳細的3D-CFD數值模擬計算所得的結果。

結合適當的排氣后處理系統以及冷卻和潤滑循環的模型，還有可能在方案設計階段對內燃機熱機循環或排氣后處理裝置的起燃溫度特性等進行研究。在該基礎上，還可更新及優化現有內燃機和汽車模型，作為下一階段內燃機控制軟件的開發基礎。

為了使數值模擬與研發工作結合得更為緊密，以便更可靠地掌握相關過程，方案設計階段所采用的模型應有前期概念設計階段的模型導出并加以改進。該過程也可反向進行，即將換氣過程詳細計算所得的數據再重新代入前期概念設計的模型中去，以更新和優化前期模型及相關參數。采用該類方法即可在方案設計結束前，在確定內燃機配置和參數優化的基礎上對整個車輛系統的瞬時動態特性進行計算，也能確保內燃機總體的熱力學性能可達到前期概念設計所確定的目標。

1.4 產品研發和安全保障

一旦在充量更換數值模擬基礎上確定了內燃機的主要零部件幾何尺寸，如進排氣系統和燃燒室形狀基本尺寸的CAD數據后，即可通過3D-CFD（三維計算流體力學）開展數值模擬，結合內燃機工作過程開展計算，對其缸內氣體流動，混合氣形成和燃燒進行優化。3D-CFD計算時所采用系統邊界條件如進排氣道內的壓力、溫度和質量流量或是活塞、缸套和氣缸蓋的壁面溫度，均直接來自于換氣過程計算結果。此外，產品研發階段的3D-CFD計算不僅有助于燃燒系統的研發，同時也可對冷卻液的流動，以及排氣后處理系統中的工作過程進行優化。3D-CFD計算還可提供熱量通過壁面流入內燃機各受熱零件隨時間和位置變化的寶貴信息，而這正式通過有限元方法計算零件強度和耐久性的邊界條件。

除了上述CFD程序以及充量更換和對內燃機工作過程的計算方法之外，在研發階段還有不少數值模擬程序可以用來對內燃機的基本功能進行分析和優化。因此，可在此類程序間方便地進行數據交換，正是確保研發工作有效進行的關鍵。

在前期研發過程中，同時也需進行內燃機的樣機試驗，該項工作與模擬計算是相輔相成、互相促進的，通過計算有助于建立合理的試驗程序，而試驗所得的數據又反過來可用于完善和更新在前期概念設計和具體方案設計階段中所使用的內燃機模型及選用的參數。因此方可確保研發過程結束時數值模擬中的虛擬內燃機，與最后真實內燃機的水平基本一致。同時也應盡量提前提供快速、可靠的內燃機模型，使其用于硬件在環（HiL）仿真，例如，依據該模型即可在HiL試驗臺上對于已有的內燃機部件，如排氣后處理系統或某些動力總成進行測試，以此判別其對內燃機性能的影響，從而為其最終應用于真實汽車上的功能提供穩妥保障。

2 可擴展的內燃機及整個動力系統模型

2.1 系統模型化

在前述概念及方案設計過程中所采用的，在整個系統層面上的數值計算模型，由一系列獨立部件的子模型組成。此類模型能以靈活方式得以任意組合，其目的是對各類配置方案進行評價及比較。整個動力系統的各個部分依據其各自的物理特性分屬不同的區域，并將其劃分為不同的模塊子系統。

對于擴展的內燃機或動力系統而言，其應當包括內燃機模塊本身，其由進排氣、氣缸、增壓及排氣后處理等部分組成；熱力模塊，其包括內燃機固體結構中的熱流、冷卻液、潤滑油循環等；機械和電動模塊；以及電子控制模塊等幾部分。

在動力總成的整個集成系統中，建立一個可靠、有效的內燃機模型是解決問題的關鍵。為此已在過去開發數類計算方法，例如將相關參數視為平均值的均值模型，或以曲軸轉角為變量的零維模型來作為典型的工作過程計算方法。此時，后者的基本計算公式在物理性質上與典型的工作過程計算相同，從而可確保實現幾何參數及傳熱、燃燒和渦輪增壓的相關數據，在整個系統的前期概念設計與后期產品方案設計和研發過程中的模型間實現持續有效可靠的傳輸。

2.2 氣路建模

為了在方案設計和研發階段建立綜合的內燃機模型，使其可反映氣體動力效應對氣缸充量的影響，除了氣缸部分以外，還需在建模時增加管道中的集中容積、孔板以及增壓機構的相應模塊。在進行氣路建模時，可從保證平均值出發采用建立在質量和能量平衡基礎上的充填-排空模型，也可為了反映出氣道內的壓力波動，采用一維氣體動力模型，此時除了質量和能量之外，還需將動量守恒原理加入至數學運算中來。

在求解充填-排空模型方程組時，通常采用高階Runge-Kutta（龍格-庫塔）法，而在計算氣體動力過程時，則應采用單級和兩級有限差分法。如對計算精度要求較高，則選擇計算方法時需考慮進排氣系統中的壓力波動對研發目標的影響。如果僅是研究內燃機的平均有效壓力和燃油消耗率的變化規律，在多數情況下可認為進排氣管中的壓力確保為常數即可（均質模型），但在壓力波動對性能影響較大的場合，則應采用一維氣體動力模型或填充-排空模型更為適合。

2.3 缸內建模

在內燃機缸內建模過程中，依據各研發階段要求提出了細化程度不同的模型來描述傳熱、燃燒和有害排放物形成的過程。均質模型，是建立在穩態試驗臺研究的測試結果上，或者直接由曲軸轉角為變量的計算導出。這類模型的工作原理是用適當的數學公式建立起內燃機轉矩、排氣質量流量和溫度等性能指標，與轉速、進氣系統壓比和燃油質量流量等參數之間的對應關系，輸入量和輸出量之間的聯系關系可通過經神經網絡建立。

如果在內燃機部件研發過程中將燃燒室的設計和優化作為重點，則應選用3D-CFD方法，在對受到進排氣機構、燃燒室和活塞頂形狀等影響的缸內流動進行分析的基礎上，可進一步對燃燒室內混合氣形成、燃燒和有害排放物形成過程，及其在時間和空間上的變化規律進行深入研究。通過三維計算得到圖形和參數，有助于研發人員改變及優化相關的幾何形狀與系統參數，以達到提高燃燒效率和減少有害物排放的目標。

在柴油機燃燒過程的研究中，采用缸內3D-CFD方法主要用于確定和優化活塞頂部燃燒室凹坑的形狀尺寸，以實現其與噴油及氣流之間的合理匹配，以達到節能減排的目的。如果所建模型對于NOx和碳煙計算的可靠性較高，則可以此為基礎采用3D-CFD方法替代傳統燃燒方案進行有效分析與優化，對降低有害物的排放具有重要意義。

在現代直噴式汽油機燃燒過程的研究中，3D-CFD計算的重點是放在噴霧過程的優化、減少燃油著壁和壁面油膜的形成，以及改善混合氣形成條件與保持最佳空燃比，以此實現火焰有效傳播等方面。對于汽油機著火和火焰傳播方面的數值研究可提供有關火焰鋒面的傳播特性，其有助于識別火焰傳播的優先方向與緩燃區位置。

3 結論及展望

目前僅僅依靠內燃機的機內凈化措施，無法有效達到未來降低油耗與CO2排放方面的目標。為此勢必需要在市場上大力推廣混合動力方案，該方案是將傳統內燃機與電力驅動進行有機結合，以此達到節能減排的目的。

在混合車型方案中，對于某些行駛狀態可能需部分或完全停止內燃機的運作，勢必會對車輛的某些子系統乃至整個動力系統的設計與功能研發提出一系列全新要求：例如在排氣后處理中催化轉化器的起燃溫度特性，以及包括內燃機、電機及蓄電池在內的整個系統的熱量管理功能。除此之外，在混合動力車型中通常還會包括其駕駛性能及車身電子穩定系統的調節任務，其僅可通過內燃機、電動機及發電機之間的合理匹配方可實現。

由于發展混合動力汽車及純電動汽車已是大勢所趨，為此使得動力總成配置的各類可能性也隨之增多，以此不可避免地會對動力系統的研發產生影響。而在整個研發過程中，前期概念設計的比重亦會大幅增加，在該階段中會對各類混合動力方案在燃油耗、駕駛性能、全壽命周期成本等方面的潛力進行分析、對比及評估，以便為下一階段提供切實可行的方案，此后方開始真正的研發過程，以此實現動力總成的優化，并進行與整車系統集成和標定的相關工作。

為了對整個車輛系統及其所屬的子系統進行虛擬設計和性能改進，對所用的數值模擬工具提出了一系列的全新要求，尤其是對模型的擴展能力要求與日俱增，以便為混合動力車輛增加部件，如電動機、發電機、逆變器、蓄電池和燃料電池等提供可能、使其根據工作的深入程度，在研發過程中為該類部件的相關系統、子系統數值開發平臺提供必要的技術支持。