数值模拟在车用内燃机设计过程中的应用及展望

文/伍赛特

目前，在内燃机研发过程中的常见方法，是采用计算工具来达到既可提高产品性能又能缩短研发周期和节约成本的目的。由于内燃机系统中可变参数的不断增加，再加上混合动力研发过程的复杂性，对于建模和数值模拟的需求也更为迫切。数值模拟对于产品研发的贡献大小，在很大程度上取决于其所依据模型的预测能力，使用工具的方便和有效性，及其与整个研发过程结合的紧密程度。

数值模拟在内燃机设计研发领域的应用较为广泛，包括整个系统设计，如热力学、燃烧和排放等各个方面。同时也根据当前和未来的技术发展趋势，提出了对相关计算工具的总体要求。

1 内燃机研发过程中的数值模拟

1.1 总体过程

通常而言，内燃机的研发过程可分为三个过程：

（1）产品型号、规格的确定/前期概念设计；

（2）具体方案设计；

（3）产品研发和安全保障（通过验证以确定其生效）。

研发过程最为迫切的就是需尽可能早地对重要方案作出正确决定，以免后续再进行基本配置时再进行大幅修改，否则会大幅增加研发成本。

1.2 产品型号、规格的确定及前期概念设计

为了保证前期方案和概念设计的正确进行，使日后能在保持基本条件（增压方案、燃烧方式、排气后处理系统和成本等）不变的情况下，满足对内燃机动力性和燃油经济性等方面的相关要求，有必要在整个系统层面上进行数值模拟。以此方可对有关内燃机子系统、动力总成乃至整车情况，以及后续在实际运行（行驶循环）中整个系统的表现进行描述，从而能简要地对内燃机在整个系统中的不同配置方案作出比较和评估。

在研发采用高增压直喷技术和各类可变气门方案的先进汽油机时，应用数值模拟方法可将之前相关阶段中已获得的有关汽油机瞬态动力性能，与动力总成和整个车辆的配置进行有机结合。

在柴油领域，目前研发工作的重点视其用途的不同（如乘用车、载货汽车、非道路车辆和固定动力等），集中在燃烧方式、增压和废气再循环策略等方面数值模拟。其余的应用范围则涉及各类排气后处理系统的匹配，以便后续达到相关排放法规的需求。为此需紧密结合前述阶段中已涉及的和内燃机及排气后处理系统中的各类热管理问题，并综合加以考虑。

在该阶段的数值模拟方法，除了需简明直观、便于操作及建模成本低廉之外，首先需满足的是参数明确可行、计算结果精度与灵敏度高，以及计算时间短。在缩短计算时间和观察整个系统反应的基础上，判断和评价之前阶段所使用的计算方法，以提高其计算时的效率及实时能力。

1.3 具体方案设计

在具体方案设计阶段，首先需确定内燃机与充量更换，即换气过程相关零部件的尺寸。为此，在前期概念设计所用的内燃机简化模型上，将与此相关的重要零部件（如进排气道、气缸和增压机构等）加以精确与细化。这个阶段数值模拟的主要任务是确定进排气系统的管道长度、截面积和容积、气门开启的时间断面，有时仍需加上增压机构的相应尺寸。计数需预先输入数据，例如进排气道的流量系数，空气滤清器和EGR冷却器的压力损失，以及涡轮增压器的特性曲线等，或者依靠测试，或者通过详细的3D-CFD数值模拟计算所得的结果。

结合适当的排气后处理系统以及冷却和润滑循环的模型，还有可能在方案设计阶段对内燃机热机循环或排气后处理装置的起燃温度特性等进行研究。在该基础上，还可更新及优化现有内燃机和汽车模型，作为下一阶段内燃机控制软件的开发基础。

为了使数值模拟与研发工作结合得更为紧密，以便更可靠地掌握相关过程，方案设计阶段所采用的模型应有前期概念设计阶段的模型导出并加以改进。该过程也可反向进行，即将换气过程详细计算所得的数据再重新代入前期概念设计的模型中去，以更新和优化前期模型及相关参数。采用该类方法即可在方案设计结束前，在确定内燃机配置和参数优化的基础上对整个车辆系统的瞬时动态特性进行计算，也能确保内燃机总体的热力学性能可达到前期概念设计所确定的目标。

1.4 产品研发和安全保障

一旦在充量更换数值模拟基础上确定了内燃机的主要零部件几何尺寸，如进排气系统和燃烧室形状基本尺寸的CAD数据后，即可通过3D-CFD（三维计算流体力学）开展数值模拟，结合内燃机工作过程开展计算，对其缸内气体流动，混合气形成和燃烧进行优化。3D-CFD计算时所采用系统边界条件如进排气道内的压力、温度和质量流量或是活塞、缸套和气缸盖的壁面温度，均直接来自于换气过程计算结果。此外，产品研发阶段的3D-CFD计算不仅有助于燃烧系统的研发，同时也可对冷却液的流动，以及排气后处理系统中的工作过程进行优化。3D-CFD计算还可提供热量通过壁面流入内燃机各受热零件随时间和位置变化的宝贵信息，而这正式通过有限元方法计算零件强度和耐久性的边界条件。

除了上述CFD程序以及充量更换和对内燃机工作过程的计算方法之外，在研发阶段还有不少数值模拟程序可以用来对内燃机的基本功能进行分析和优化。因此，可在此类程序间方便地进行数据交换，正是确保研发工作有效进行的关键。

在前期研发过程中，同时也需进行内燃机的样机试验，该项工作与模拟计算是相辅相成、互相促进的，通过计算有助于建立合理的试验程序，而试验所得的数据又反过来可用于完善和更新在前期概念设计和具体方案设计阶段中所使用的内燃机模型及选用的参数。因此方可确保研发过程结束时数值模拟中的虚拟内燃机，与最后真实内燃机的水平基本一致。同时也应尽量提前提供快速、可靠的内燃机模型，使其用于硬件在环（HiL）仿真，例如，依据该模型即可在HiL试验台上对于已有的内燃机部件，如排气后处理系统或某些动力总成进行测试，以此判别其对内燃机性能的影响，从而为其最终应用于真实汽车上的功能提供稳妥保障。

2 可扩展的内燃机及整个动力系统模型

2.1 系统模型化

在前述概念及方案设计过程中所采用的，在整个系统层面上的数值计算模型，由一系列独立部件的子模型组成。此类模型能以灵活方式得以任意组合，其目的是对各类配置方案进行评价及比较。整个动力系统的各个部分依据其各自的物理特性分属不同的区域，并将其划分为不同的模块子系统。

对于扩展的内燃机或动力系统而言，其应当包括内燃机模块本身，其由进排气、气缸、增压及排气后处理等部分组成；热力模块，其包括内燃机固体结构中的热流、冷却液、润滑油循环等；机械和电动模块；以及电子控制模块等几部分。

在动力总成的整个集成系统中，建立一个可靠、有效的内燃机模型是解决问题的关键。为此已在过去开发数类计算方法，例如将相关参数视为平均值的均值模型，或以曲轴转角为变量的零维模型来作为典型的工作过程计算方法。此时，后者的基本计算公式在物理性质上与典型的工作过程计算相同，从而可确保实现几何参数及传热、燃烧和涡轮增压的相关数据，在整个系统的前期概念设计与后期产品方案设计和研发过程中的模型间实现持续有效可靠的传输。

2.2 气路建模

为了在方案设计和研发阶段建立综合的内燃机模型，使其可反映气体动力效应对气缸充量的影响，除了气缸部分以外，还需在建模时增加管道中的集中容积、孔板以及增压机构的相应模块。在进行气路建模时，可从保证平均值出发采用建立在质量和能量平衡基础上的充填-排空模型，也可为了反映出气道内的压力波动，采用一维气体动力模型，此时除了质量和能量之外，还需将动量守恒原理加入至数学运算中来。

在求解充填-排空模型方程组时，通常采用高阶Runge-Kutta（龙格-库塔）法，而在计算气体动力过程时，则应采用单级和两级有限差分法。如对计算精度要求较高，则选择计算方法时需考虑进排气系统中的压力波动对研发目标的影响。如果仅是研究内燃机的平均有效压力和燃油消耗率的变化规律，在多数情况下可认为进排气管中的压力确保为常数即可（均质模型），但在压力波动对性能影响较大的场合，则应采用一维气体动力模型或填充-排空模型更为适合。

2.3 缸内建模

在内燃机缸内建模过程中，依据各研发阶段要求提出了细化程度不同的模型来描述传热、燃烧和有害排放物形成的过程。均质模型，是建立在稳态试验台研究的测试结果上，或者直接由曲轴转角为变量的计算导出。这类模型的工作原理是用适当的数学公式建立起内燃机转矩、排气质量流量和温度等性能指标，与转速、进气系统压比和燃油质量流量等参数之间的对应关系，输入量和输出量之间的联系关系可通过经神经网络建立。

如果在内燃机部件研发过程中将燃烧室的设计和优化作为重点，则应选用3D-CFD方法，在对受到进排气机构、燃烧室和活塞顶形状等影响的缸内流动进行分析的基础上，可进一步对燃烧室内混合气形成、燃烧和有害排放物形成过程，及其在时间和空间上的变化规律进行深入研究。通过三维计算得到图形和参数，有助于研发人员改变及优化相关的几何形状与系统参数，以达到提高燃烧效率和减少有害物排放的目标。

在柴油机燃烧过程的研究中，采用缸内3D-CFD方法主要用于确定和优化活塞顶部燃烧室凹坑的形状尺寸，以实现其与喷油及气流之间的合理匹配，以达到节能减排的目的。如果所建模型对于NOx和碳烟计算的可靠性较高，则可以此为基础采用3D-CFD方法替代传统燃烧方案进行有效分析与优化，对降低有害物的排放具有重要意义。

在现代直喷式汽油机燃烧过程的研究中，3D-CFD计算的重点是放在喷雾过程的优化、减少燃油着壁和壁面油膜的形成，以及改善混合气形成条件与保持最佳空燃比，以此实现火焰有效传播等方面。对于汽油机着火和火焰传播方面的数值研究可提供有关火焰锋面的传播特性，其有助于识别火焰传播的优先方向与缓燃区位置。

3 结论及展望

目前仅仅依靠内燃机的机内净化措施，无法有效达到未来降低油耗与CO2排放方面的目标。为此势必需要在市场上大力推广混合动力方案，该方案是将传统内燃机与电力驱动进行有机结合，以此达到节能减排的目的。

在混合车型方案中，对于某些行驶状态可能需部分或完全停止内燃机的运作，势必会对车辆的某些子系统乃至整个动力系统的设计与功能研发提出一系列全新要求：例如在排气后处理中催化转化器的起燃温度特性，以及包括内燃机、电机及蓄电池在内的整个系统的热量管理功能。除此之外，在混合动力车型中通常还会包括其驾驶性能及车身电子稳定系统的调节任务，其仅可通过内燃机、电动机及发电机之间的合理匹配方可实现。

由于发展混合动力汽车及纯电动汽车已是大势所趋，为此使得动力总成配置的各类可能性也随之增多，以此不可避免地会对动力系统的研发产生影响。而在整个研发过程中，前期概念设计的比重亦会大幅增加，在该阶段中会对各类混合动力方案在燃油耗、驾驶性能、全寿命周期成本等方面的潜力进行分析、对比及评估，以便为下一阶段提供切实可行的方案，此后方开始真正的研发过程，以此实现动力总成的优化，并进行与整车系统集成和标定的相关工作。

为了对整个车辆系统及其所属的子系统进行虚拟设计和性能改进，对所用的数值模拟工具提出了一系列的全新要求，尤其是对模型的扩展能力要求与日俱增，以便为混合动力车辆增加部件，如电动机、发电机、逆变器、蓄电池和燃料电池等提供可能、使其根据工作的深入程度，在研发过程中为该类部件的相关系统、子系统数值开发平台提供必要的技术支持。