先進(jìn)汽油機(jī)開發(fā)過程關(guān)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(chǎn)銷量位居世界第一。然而，受開發(fā)模式和技術(shù)實(shí)力的影響，大部分企業(yè)在發(fā)動機(jī)正向開發(fā)的流程和能力上與國際先進(jìn)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(jī)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(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放和 NVH等開發(fā)目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的概念設(shè)計(jì)和布置設(shè)計(jì)這兩個(gè)正向開發(fā)流程中最重要的環(huán)節(jié)，仍然存在很多關(guān)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(shè)計(jì)階段如何對概念設(shè)計(jì)得到的初步結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)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(gè)實(shí)際發(fā)動機(jī)研發(fā)項(xiàng)目中，針對發(fā)動機(jī)正向開發(fā)流程概念設(shè)計(jì)和布置設(shè)計(jì)階段若干疑難問題，總結(jié)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(jī)技術(shù)方案進(jìn)行選擇和產(chǎn)品定義，對發(fā)動機(jī)開發(fā)成敗起決定作用。受開發(fā)方法和技術(shù)實(shí)力限制，很多企業(yè)沒有真正

3、主導(dǎo)過概念方案形成，急需一種適合當(dāng)前現(xiàn)狀的概念形成方法。本文將研究基于多機(jī)對比Benchmark的概念形成方法，并結(jié)合相關(guān)CAE仿真優(yōu)化，論證概念方案可行性。結(jié)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(jī)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(jìn)水平，同時(shí)使用該方法成功地將一臺上世紀(jì)七十年代技術(shù)水平的2.0L發(fā)動機(jī)升級為2011年國內(nèi)同類發(fā)動機(jī)最先進(jìn)水平。
　　一維熱力學(xué)性能仿真優(yōu)化是發(fā)動機(jī)正向開發(fā)流程概念

4、設(shè)計(jì)階段對所形成的概念方案進(jìn)行參數(shù)化時(shí)最重要的工作，需要確定滿足性能開發(fā)目標(biāo)的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)還要為下一步詳細(xì)三維CAE分析提供邊界條件。這其中存在諸多難點(diǎn)，包括仿真模型的準(zhǔn)確性、現(xiàn)有軟件物理模型是否可沿用、以及針對先進(jìn)發(fā)動機(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)、先進(jìn)發(fā)動機(jī)個(gè)性化物理模型開發(fā)和多變量多目標(biāo)多約束優(yōu)化

5、方法為研究目標(biāo)，探討發(fā)動機(jī)性能仿真建模、校準(zhǔn)、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(jié)果表明，進(jìn)排氣管路一維離散方法需要以進(jìn)排氣道瞬態(tài)壓力波為目標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，經(jīng)過標(biāo)定的可預(yù)測燃燒模型可以在外特性和部分負(fù)荷對帶有可變技術(shù)的發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，開發(fā)的現(xiàn)象學(xué)著火延遲期積分法爆震預(yù)測模型能在較寬空燃比和EGR范圍內(nèi)對爆震進(jìn)行預(yù)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(guān)鍵設(shè)計(jì)變量、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)元模型的間接優(yōu)化法適用于

6、以外特性為目標(biāo)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(fù)荷優(yōu)化。
　　缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)開發(fā)是布置設(shè)計(jì)階段的重要難點(diǎn)，需要對噴油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)和燃燒室進(jìn)行同步優(yōu)化，CFD是直噴發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的唯一有效方法，而CFD模型精度對CFD仿真優(yōu)化結(jié)果可靠性起決定性影響。很多企業(yè)在 CFD模型校準(zhǔn)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(jī)燃燒系統(tǒng)CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文將探討CFD仿真模型的校準(zhǔn)方法和直

7、噴發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)開發(fā)過程中常見疑難問題的CAE優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。研究結(jié)果表明，基于噴霧形態(tài)、貫穿距、噴霧錐角、燃油落點(diǎn)分布、液滴 SMD和噴霧速度場等物理量的激光測試結(jié)果，可以對噴霧CFD仿真模型進(jìn)行校準(zhǔn)；在可視化發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)流場PIV測試基礎(chǔ)上，可以對缸內(nèi)流動CFD仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證；提出的直噴發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)流程可以進(jìn)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(jī)受進(jìn)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(shè)計(jì)階段的另一關(guān)鍵難題。在布置設(shè)計(jì)階段進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和CAE熱負(fù)荷優(yōu)化時(shí)，需要考慮缸間均勻性的影響。目前，大部分企業(yè)的設(shè)計(jì)方法在邊界條件設(shè)定上都采用人為假設(shè)或一維近似，很少會考慮多缸均勻性的影響。本文將探討進(jìn)氣均勻性CAE優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guān)鍵受熱部件熱負(fù)荷CAE分析方法。研究結(jié)果表明，使用一維三維耦合的CAE方法，可以從進(jìn)氣均勻性角度對進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)方案進(jìn)