先進汽油機開發(fā)過程關鍵疑難問題CAE解決方法研究.pdf

1、近年來，我國汽車工業(yè)發(fā)展速度極快，已連續(xù)多年產銷量位居世界第一。然而，受開發(fā)模式和技術實力的影響，大部分企業(yè)在發(fā)動機正向開發(fā)的流程和能力上與國際先進水平差距仍然較大。雖然在國外專業(yè)咨詢公司幫助下，很多車企建立了發(fā)動機開發(fā)所需的硬件條件，也積累了一定的開發(fā)能力，能夠完成一部分正向開發(fā)工作。但是，對于直接決定發(fā)動機動力性、經濟性、排放和 NVH等開發(fā)目標能否實現(xiàn)的概念設計和布置設計這兩個正向開發(fā)流程中最重要的環(huán)節(jié)，仍然存在很多關鍵疑難問題，

2、包括概念方案如何形成、形成的概念方案如何參數(shù)化，以及在布置設計階段如何對概念設計得到的初步結果進行詳細優(yōu)化等。這些疑難問題是很多企業(yè)目前常用的開發(fā)方法所忽視或不能解決的。本文在多個實際發(fā)動機研發(fā)項目中，針對發(fā)動機正向開發(fā)流程概念設計和布置設計階段若干疑難問題，總結出了一系列基于CAE的解決方法。
　　概念方案形成是在抽象方式下對發(fā)動機技術方案進行選擇和產品定義，對發(fā)動機開發(fā)成敗起決定作用。受開發(fā)方法和技術實力限制，很多企業(yè)沒有真正

3、主導過概念方案形成，急需一種適合當前現(xiàn)狀的概念形成方法。本文將研究基于多機對比Benchmark的概念形成方法，并結合相關CAE仿真優(yōu)化，論證概念方案可行性。結果表明，通過多臺競品的對比分析，為一臺2.0L渦輪增壓發(fā)動機提出的原創(chuàng)升級概念方案可以將其性能提升到目前最先進水平，同時使用該方法成功地將一臺上世紀七十年代技術水平的2.0L發(fā)動機升級為2011年國內同類發(fā)動機最先進水平。
　　一維熱力學性能仿真優(yōu)化是發(fā)動機正向開發(fā)流程概念

4、設計階段對所形成的概念方案進行參數(shù)化時最重要的工作，需要確定滿足性能開發(fā)目標的詳細設計參數(shù)，同時還要為下一步詳細三維CAE分析提供邊界條件。這其中存在諸多難點，包括仿真模型的準確性、現(xiàn)有軟件物理模型是否可沿用、以及針對先進發(fā)動機的多參數(shù)優(yōu)化流程。大部分企業(yè)在性能仿真過程中，模型校準不充分、現(xiàn)有軟件物理模型可用性考察不足、并且缺乏一套系統(tǒng)化的多參數(shù)優(yōu)化方法。本文將以一維性能仿真模型校準、先進發(fā)動機個性化物理模型開發(fā)和多變量多目標多約束優(yōu)化

5、方法為研究目標，探討發(fā)動機性能仿真建模、校準、物理模型二次開發(fā)和專用優(yōu)化方法集成的系統(tǒng)化流程。研究結果表明，進排氣管路一維離散方法需要以進排氣道瞬態(tài)壓力波為目標進行校準，經過標定的可預測燃燒模型可以在外特性和部分負荷對帶有可變技術的發(fā)動機性能進行準確預測，開發(fā)的現(xiàn)象學著火延遲期積分法爆震預測模型能在較寬空燃比和EGR范圍內對爆震進行預測，提出的多變量敏感性分析方法能從眾多變量中挑選出關鍵設計變量、基于人工神經網絡元模型的間接優(yōu)化法適用于

6、以外特性為目標的折中式優(yōu)化、基于遺傳算法的直接優(yōu)化法適用于部分負荷優(yōu)化。
　　缸內直噴發(fā)動機燃燒系統(tǒng)開發(fā)是布置設計階段的重要難點，需要對噴油系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)和燃燒室進行同步優(yōu)化，CFD是直噴發(fā)動機燃燒系統(tǒng)優(yōu)化設計的唯一有效方法，而CFD模型精度對CFD仿真優(yōu)化結果可靠性起決定性影響。很多企業(yè)在 CFD模型校準方面才剛起步，流程和方法還不完善，并且缺乏系統(tǒng)化的直噴發(fā)動機燃燒系統(tǒng)CFD優(yōu)化設計方法。本文將探討CFD仿真模型的校準方法和直

7、噴發(fā)動機燃燒系統(tǒng)開發(fā)過程中常見疑難問題的CAE優(yōu)化設計方法。研究結果表明，基于噴霧形態(tài)、貫穿距、噴霧錐角、燃油落點分布、液滴 SMD和噴霧速度場等物理量的激光測試結果，可以對噴霧CFD仿真模型進行校準；在可視化發(fā)動機的缸內流場PIV測試基礎上，可以對缸內流動CFD仿真模型進行驗證；提出的直噴發(fā)動機燃燒系統(tǒng)CFD優(yōu)化設計流程可以進行氣道方案選型、燃油碰壁優(yōu)化、失火問題優(yōu)化、爆震診斷和排放優(yōu)化。
　　多缸發(fā)動機受進排氣方式和燃燒模式的

8、影響而存在缸間均勻性差異，是布置設計階段的另一關鍵難題。在布置設計階段進行進氣系統(tǒng)設計和CAE熱負荷優(yōu)化時，需要考慮缸間均勻性的影響。目前，大部分企業(yè)的設計方法在邊界條件設定上都采用人為假設或一維近似，很少會考慮多缸均勻性的影響。本文將探討進氣均勻性CAE優(yōu)化設計方法，以及考慮多缸燃燒不均勻性影響的水套、活塞和排氣歧管等關鍵受熱部件熱負荷CAE分析方法。研究結果表明，使用一維三維耦合的CAE方法，可以從進氣均勻性角度對進氣歧管設計方案進