基于计算流体动力学分析的发动机性能优化

胡华强 景亚兵 栗娟 朱成明 楼宏伟

（1-菲亚特动力科技研发（上海）有限公司上海200807 2-天津内燃机研究所）

基于计算流体动力学分析的发动机性能优化

胡华强1景亚兵2栗娟1朱成明1楼宏伟1

（1-菲亚特动力科技研发（上海）有限公司上海200807 2-天津内燃机研究所）

通过实验先获取发动机的原始数据，同时通过计算机辅助技术，设计构建发动机一维三维系统模型，再利用GT-Power和Star-CD软件导入数字化模型并用实验数据进行对比验证，提出了1.3 L汽油发动机性能优化建议并对可行性进行分析。

发动机优化仿真计算流体动力学

引言

利用计算机辅助技术来模拟优化发动机性能已成为当前世界上比较流行的趋势。通过计算流体动力学软件对建立的一维和三维虚拟发动机进行分析计算，不仅在发动机开发前期具有前瞻性作用，而且在发动机甚至整车的研发过程中也起到重要指导作用，能够节约大量人力物力，使有限的研发成本投入到关键的作用点上。本文通过某一款发动机研发的实例，详细阐述了整个仿真计算的全过程

1 优化分析背景和条件

此研究为开发新的动力总成的一部分，目标是改善发动机加速性能以满足整车的需求。其主要方法是建立仿真模型，并通过和台架数据对比修正该模型，之后通过一系列流体动力学计算来优化虚拟发动机的性能。主要工作内容有：整车性能和油耗分析，使用GT-Power建立原发动机流体动力学的一维仿真模型，缸盖气道和燃烧室的流体动力学的试验气道模型和三维仿真分析。

考虑到对产品开发周期和成本的控制，提出项目研究方向为：使用原机械节气门结构、固定正时下进排气系统的结构优化，进排气岐管材料优化，缸内燃烧系统优化。

2 整车性能和油耗分析

2.1 台架试验获取万有特性曲线

原发动机在指定车型上进行整车性能和油耗分析，其目的在于：为建立优化模型提供数据对比，为以后的工作创建优化基础。

台架试验所得外特性功率扭矩曲线见下文对比图8（深色实线）。

2.2 整车转鼓实验

实验车辆搭载该发动机原机时，整备质量为1140kg，根据国标GB18352查得转鼓实验处于1190＜RM≤1305，得到表1参数：

表1 参数

转鼓实验模拟在0 km/h～120 km/h车速下由制动装置和底盘测功机内摩擦效应而吸收的负荷如下：

式中：F—底盘测功机吸收的总负荷（N）；

a—滚动阻力当量值（N）；

b—空气阻力系数当量值（N/（km·h-1）2）；

V2—车速（km/h）；

F80—80 km/h车速时的负荷（N）。

2.3 整车性能输出数据

整车性能输出数据见表2所示。

表2反映了整车原始数据：底盘测功机试验实际使用欧4汽油，每升产出CO2为2350 g。一维模拟整车数据仿真采用的欧4汽油，采用查表法和冷态NEDC循环滑行法，密度0.747 kg/L，每升产出2371 gCO2。最后仿真油耗8.4 L/100 km和试验得出的油耗8.5 L/100 km吻合较好，说明使用滑行法建立的一维参数基本正确。

表2 整车性能输出数据

图1显示该发动机平均有效压力与转速的对应关系，图中的气泡点位置是不同工况点落在油耗区域所对应的油耗数值，气泡大小反应了发动机部分负荷在整车油耗中的比重大小，气泡位置和气泡比重的加权平均即可得到整车的油耗率。可以看出在2500r/min下平均有效压力为0.2MPa的压力对应出11.5%的比例，分析得出结论：2500r/min下平均有效压力为0.2MPa的工况是部分负荷的优化重点。

图1 平均有效压力曲线

3 使用GT-Power建立发动机流体动力学的一维仿真模型

图2体现了GT-Power建立的虚拟发动机一维模型的主要思想，分成进气系统、发动机本体系统和排气系统，每一个子模块由不同的传感器来输入条件，传感器越多所建立的模型就越准确。

图2 发动机一维仿真模型

发动机GT-Power模型建立之后需要和试验数据对比来做验证分析。

图3工质流量、扭矩曲线

图3 所示为工质流动和扭矩的对比，实线是GT-Power模拟值，虚线为发动机试验值，可以看出工质流动吻合得很好，说明缸内和气道内可燃混合气实际状态和仿真状态很相似，但在中速工况气体流动拟合度的微小偏差造成在扭矩模型里有一定程度的偏差，这种情况需要加入修正参数。

4 缸内进气道和燃烧室的流体动力学的三维仿真和试验气道模型

图4为该发动机三维模型，以此作为输入条件输入到计算机中。

图4发动机三维模型图

图5 为气道模拟试验台的图纸。将拆解下来的缸盖清洗后固定在试验台上，在气道的各个位置安装空气流速传感器，在燃烧室内安装涡流传感器，使用密封的风洞输入各种不同流速的空气用来模拟发动机各种工况下的可燃混合气流量。

图5 气道模拟试验台构造

通过气道模拟试验台，我们可以模拟冷态下缸内气体流动的状态，根据不同位置不同传感器对温度、压力变化的反馈，输入到计算机软件中，得到燃烧室内的燃烧情况，可以对之前的分析作为补充，做出相应的修正。

图6 全负荷6000r/min结果和缸内空气运动分布图

图7 部分负荷2500r/min平均有效压力0.2 MPa结果和缸内空气运动分布图

从图6全负荷6000r/min和图7部分负荷2500r/min的三维分析结果看出，原型机的燃烧室布局比较合理，火焰中心集中于燃烧室中间且温度场分布规则并均匀，缸内压力波无锯齿形突变说明爆燃情况良好。若无特殊要求，可以保留此参数设计。

5 性能优化分析（固定正时和进排气歧管的优化）

根据建立的虚拟发动机模型，通过对充气效率、扭矩和功率图表、正时和气门升程的模拟表明，进排气系统的主要尺寸参数和其他相应修改参数如下：

1）进气岐管管颈优化：增加管长至380 mm，减少管径至33 mm；

2）进气系统优化：增大进气岐管容积至0.8 L，节气门体到谐振腔间管长比原来增加100 mm；

3）减少进气系统压降：进气管第一段从48 mm增大到55 mm；

4）进气岐管材料：塑料替代金属；

5）排气岐管优化：使用完全对称形式；

6）减少排气系统压降：使用更好的下游催化器，让排气背压减少50 mbar；

7）气门升程曲线优化：采用带液压间隙调节器的发动机升程曲线；

8）燃烧系统：提高50%燃料燃烧放热率；

9）燃烧系统：压缩比从9.3：1增大到11：1。

6 分析结果

如图8所示，性能结果对比如下：

图8 发动机外特性曲线

1）标定转速及周边：

图中3个圆点显示整车的期望目标，分别为：100 N·m@1600 r/min，115N·m@3000r/min，125N·m @4000r/min，优化后曲线（浅色实线）远远超过了这个目标，且最大扭矩达到了130N·m@4000r/min。

2）最高转速：

原发动机实测（黑色虚线）：

66.3 kW@6000rpm

GT-Power原发动机模型（深色实线）：67.5kW@ 6000r/min

GT-Power优化后发动机（浅色实线）：69.3 kW@ 6000r/min

优化后的发动机也超过了期望目标：69kW@ 6000r/min

此外，在性能基础优化之后，发动机机体和零部件强度需求也随之相应提高，是否能满足可靠性的要求，则需要继续完成余下的工作：

1）缸体、活塞强度分析

2）连杆的结构和运动分析

7 结论

1）计算流体动力学分析不仅在发动机开发的前期有前瞻性作用，而且在发动机甚至整车的研发过程中起到重要指导作用。

2）计算机模拟计算无法取代所有的实验工作，特别是在模型建立阶段，需要足够多的实验数据对所建模型进行验证，所以企业所拥有的数据库对计算起到至关重要的作用。

3）评估整车可达到的性能和油耗的目标则需要等到全部数据计算出来之后完成，可以预见，通过多项更改之后，新的发动机完全能达到预期目标。

1雷卫.一种新的HCCI柴油机燃油喷雾特性的PLIF法测试装置[D].天津：天津大学，2003

2解茂昭.内燃机计算燃烧学[M].大连：大连理工大学出版社，2005

3周龙保.内燃烧学[M].北京：机械工业出版社，1996

4王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，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）

胡华强（1981-），男，硕士，主要研究方向为发动机的应用。