一維熱力學仿真助力發動機技術路線制定

劉 陽 李 強 顏平濤 李紅洲

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

汽車市場風云變幻，客戶需求多種多樣。為適應市場變化，滿足客戶需求并快速搶占市場，汽車企業的策略也要隨風而動，適時調整。

一維熱力學仿真在汽車企業發動機研發過程中扮演著舉足輕重的角色，能夠幫助企業快速完成發動機技術路線的制定，以應對瞬息萬變的外部環境[1-2]。

本文以吉利汽車動力研究院某四缸混動專用TGDI 米勒發動機技術路線的仿真分析及試驗驗證為例，闡述如何通過一維熱力學仿真助力發動機技術路線制定，實現研發成本和研發周期的“雙減”。

1 技術路線的仿真分析及與試驗驗證的成本對比

借助GT-POWER 軟件，對發動機幾何壓縮比，進、排氣門升程曲線，集成式排氣歧管，以及不同增壓器方案進行優化選型，并分別對比仿真及相應試驗驗證的成本和周期。

仿真過程在12 個外特性工況及1 個最低比油耗工況對上述變量進行優化選型。此處只選取對選型工作有重大影響的低速轉矩工況（LET）、額定功率工況（Rated Power）、最低比油耗工況（Min.BSFC）進行數據分析，說明借助一維熱力學仿真手段制定發動機技術路線的過程。

從成本和周期考慮，發動機的熱力學開發試驗，即技術路線的驗證試驗不可能像仿真分析一樣在很多工況進行。試驗驗證只在低速轉矩工況、高速轉矩工況、額定功率工況、最低比油耗工況進行。通過對仿真分析和試驗驗證成本和周期的估算、對比，明確一維熱力學仿真在現代發動機研發過程中的重要作用。

1.1 壓縮比

通過活塞設計實現不同的壓縮比方案。壓縮比的仿真優化，對應臺架的活塞選型。如表1、2 所示，分別為壓縮比選型的仿真成本估算和試驗成本估算。

表1 壓縮比選型仿真周期及成本估算

表2 壓縮比選型試驗周期及成本估算

通過仿真分析，最終推薦一個壓縮比方案進行試驗驗證。按照上述成本估算，則仿真分析在壓縮比選型過程中共計節省試驗周期192 h，節省試驗成本99 200 元。

圖1 為外特性工況壓縮比選型的計算結果。隨著壓縮比的增加，燃燒逐步惡化，發動機油耗增加[3]。在LET 工況，壓縮比CR+1.0 時燃燒退角嚴重，早燃風險增加，且出現增壓器廢氣旁通閥余量及喘振余量不足的風險，使增壓器匹配難度增加。在Rated Power 工況，Pmax已接近設計限值，且壓縮比減小時燃燒相位提前，Pmax會更高，造成發動機機械負荷增加，為滿足強度需求，勢必導致成本增加。

圖1 外特性工況壓縮比選型仿真結果

如圖2 所示，在最低比油耗工況，隨著壓縮比的增加，發動機熱效率逐漸提升，油耗逐漸降低。

圖2 最低比油耗工壓縮比選型仿真結果

綜合考慮壓縮比對外特性工況燃燒、油耗和增壓器匹配等的影響，以及對最低比油耗工況熱效率的影響，最終推薦壓縮比CR+0.5 的方案。

1.2 進氣門升程曲線

進氣門升程曲線的仿真優化，對應試驗的進氣凸輪軸選型，其仿真及試驗驗證的成本和周期，分別與壓縮比選型相應的成本和周期一致，如表1、2 所示。通過仿真分析，只推薦一個方案，按照上述成本估算，則仿真分析在進氣門升程曲線選型過程中共計節省試驗周期192 h，節省試驗成本99 200 元。圖3 為進氣門升程曲線的備選方案。

圖3 進氣門升程曲線

圖4 為外特性工況進氣門升程曲線選型的計算結果。實現圖1 中所示的轉矩目標，隨著進氣型線包角的增加，發動機的米勒度下降，有效壓縮比增加，燃燒重心滯后，LET 工況早燃風險增加，導致油耗增加，渦輪機入口溫度T_TC_IN 升高[4-6]。在Rated Power工況，T_TC_IN 已接近渦殼材料耐溫極限。進氣包角增加后，排溫會更高，為保證增壓器的耐久性就要選用高等級的渦殼材料，導致成本增加。進氣包角增加帶來米勒度降低的同時，也會提升發動機的充氣效率，有利于壓氣機出口溫度T_COM_OUT 的控制，避免出現結焦問題。在LET 工況，進氣包角為InL 時，雖然發動機米勒度增加對爆震控制有利，但充氣效率降低，也帶來了增壓器廢氣旁通閥余量及喘振余量不足的風險，增加了增壓器的匹配難度。

圖4 外特性工況進氣門升程曲線選型仿真結果

如圖5 所示，在最低比油耗工況，隨著進氣包角增加，發動機米勒度降低，熱效率逐漸降低，油耗逐漸增加。

圖5 最低比油耗工況進氣門升程曲線選型仿真結果

綜合考慮進氣大包角對外特性工況燃燒、油耗、排溫的影響，以及小包角對壓氣機出口溫度和增壓器匹配的影響，并結合最低比油耗工況的計算結果，最終推薦的進氣門升程曲線包角為InL+5。

1.3 排氣門升程曲線

排氣門升程曲線的仿真優化，對應試驗的排氣凸輪軸選型，其仿真及試驗驗證的成本和周期，分別與壓縮比選型相應的成本和周期一致，如表1、2 所示。通過仿真分析，只推薦一個方案，按照上述成本估算，則仿真分析在排氣門升程曲線選型過程中共計節省試驗周期192 h，節省試驗成本99 200 元。圖6 為排氣門升程曲線的備選方案。

圖6 排氣門升程曲線

從圖7 的排氣門升程曲線的選型仿真結果來看，實現圖1 中所示的轉矩目標，排氣型線對Rated Power 工況的影響不是很明顯。在LET 工況，隨著排氣包角的增加，燃燒重心滯后，發動機油耗增加，早燃風險增加，雖然喘振余量充足，但廢氣旁通閥余量已然不滿足需求。

圖7 外特性工況排氣門升程曲線選型仿真結果

如圖8 所示，在最低比油耗工況，隨著排氣包角增加，熱效率逐漸提升，油耗逐漸降低。

圖8 最低比油耗工況排氣門升程曲線選型仿真結果

綜合考慮排氣包角對外特性LET 工況，以及Min.BSFC 工況的影響，最終推薦包角為ExL+5 的排氣門升程曲線方案。

1.4 集成式排氣歧管

集成式排氣歧管的仿真選型成本和周期如表3所示，其試驗驗證的成本和周期，與壓縮比相應的成本和周期一致，如表2 所示。通過仿真分析，只推薦一個方案，按照上述成本估算，則仿真分析在排氣門升程曲線選型過程中共計節省試驗周期192 h，節省試驗成本99 200 元。

表3 集成式排氣歧管選型仿真周期及成本估算

如圖9 所示，為降低缸內殘余廢氣量，對集排進行優化設計，以提升其流量系數

圖9 集成式排氣歧管流量系數

如圖10 所示，為實現圖1 中所示的轉矩目標，隨著集排設計的優化，流量系數提高后，發動機缸內殘余廢氣量RGF 降低，燃燒得到改善，壓氣機出口溫度和渦輪機入口溫度均有所改善，降低了壓氣機結焦和渦殼開裂的風險[7]。集排的優化對Min.BSFC工況的熱效率幾乎沒有影響，最終推薦V3 IEM 方案。

圖10 集成式排氣歧管選型仿真結果

1.5 增壓器選型

此次增壓器選型涉及3 家供應商，共計18 個增壓器方案，仿真和試驗選型的成本、周期估算如表4、5 所示。通過仿真分析，最終推薦A、B 兩家供應商各1 個方案。為增壓器選型共計節省試驗周期768 h，節省試驗成本665 600 元。通過試驗驗證，所推薦的供應商A 的增壓器方案能夠滿足發動機性能需求。下面以供應商A 的增壓器選型過程為例，闡述如何進行增壓器匹配。

表4 增壓器選型仿真周期及成本估算

表5 增壓器選型試驗周期及成本估算

圖11 是供應商A 提供的3 個增壓器方案，其中V1 TC 與V2 TC 的壓氣機一致，V2 TC 與V3 TC 的渦輪機一致。相比于V1 TC 和V2 TC，V3 TC 的壓氣機流量Map 變化不大，但高速效率提升，有利于壓氣機出口溫度的改善；與V1 TC 相比，V2 TC 和V3 TC的渦輪機流量增加，效率提升，有利于渦輪機入口壓力和溫度的改善。

圖11 供應商A 的增壓器方案

圖12 為上述增壓器供應商A 提供的3 個方案的選型仿真結果。為了保證較高的外特性性能，壓氣機出口溫度和渦輪機入口溫度都偏高，加重了壓氣機結焦和渦殼開裂的風險，其中又以壓氣機結焦風險更難解決。渦殼開裂的風險可以通過渦殼材料的選擇來規避，壓氣機結焦的風險也可以通過增加壓殼水套來應對，但后者的成本要遠大于前者，且結構復雜。因此增壓器的匹配優化就顯得尤為重要。通過方案的優化，可以看出實現與圖1 中所示相同的轉矩目標，壓氣機出口壓力和溫度明顯降低，渦輪機入口壓力和溫度也得以改善。

圖12 增壓器選型仿真結果

如圖13 所示，在最低比油耗工況，隨著增壓器方案的優化，熱效率逐漸提升，油耗逐漸降低。

圖13 最低比油耗工增壓器選型仿真結果

綜上所述，針對供應商A 提供的3 個增壓器方案，最終推薦選用V3 TC 方案。

2 技術路線試驗驗證

如表6 所示，通過上述仿真分析，最終給出了兩個技術路線的方案。結合上述成本和周期的分析，一維熱力學仿真為該項目發動機的研發縮減了1 536 h的開發周期，及1 062 400 人民幣元的開發成本，有利地保障了項目進度，有效降低了開發成本。

表6 發動機技術路線

圖14 為兩個方案的試驗驗證結果與開發目標的對比，首推方案能夠同時滿足外特性轉矩和最低比油耗的要求。次推方案能夠達成最低比油耗的目標，但外特性高速端壓氣機出口溫度過高，有較大結焦風險，不能保證后續可靠性試驗的順利開展。將次推方案的壓氣機出口溫度控制到限值以內，則外特性高速端的轉矩不能達成開發目標，舍棄次推方案。

圖14 技術路線的試驗驗證

3 結論

1）通過一維熱力學仿真手段完成對壓縮比，進、排氣門升程曲線、集成式排氣歧管及增壓器的優化選型，制定出發動機的技術路線。

2）經熱力學試驗驗證，通過仿真手段制定出的技術路線首推方案能夠滿足發動機的開發目標。

3）一維熱力學手段的應用有效助力了發動機研發成本和研發周期的“雙減”。