热力学开发试验与数据分析小结
热力学开发的定义个人认为，是对设计出的基本型发动机，通过调整点火提前角、空燃比、进排气凸轮相位、CBR状态等参数（对于增压直喷发动机则另有增压控制率、燃油压力、喷油正时等参数），使发动机在全负荷时得到最优的最大功率、最大扭矩、最低比油耗及在部分负荷得到最优的燃油经济性、燃烧稳定性和排放水平，如果基本型的发动机不能达到目标，则要针对问题更改相应的设计和硬件，直至满足目标。
一、试验设备
1、PUMA系统
记录发动机台架运行参数的数据，也可与其他系统相通信并记录其试验数据。
2、INDICATING系统
通过气缸燃烧压力传感器的压力信号，运算得到缸压曲线、平均指示有效压力IMEP、MFB50%、COV of IMEP、缸压波动振幅等。平时试验时，一般要根据缸压曲线，来判断发动机是否有爆震产生。
3、CAMEO系统
发动机自动标定及运行的工具。能自动调整ECU的标定参数如点火提前角、空燃比、进排气凸轮相位及CBR控制状态等，便于标定参数的优化及标定时的数据采集。
4、INCA系统
发动机ECU标定工具，可调整点火提前角、空燃比、进排气凸轮相位、CBR（可控燃烧速率）开关状态等发动机运行参数。
5、其他设备仪器
汽缸燃烧压力传感器、进气温度传感器、进气压力传感器、排气温度、排气压力传感器、空燃比分析仪、线性氧传感器及排放分析仪等。
二、试验内容与方法
1、全负荷优化试验
全负荷试验主要验证发动机的最大功率、最大扭矩及最低燃油消耗BSFC（全负荷燃油消耗率）。调整点火提前角、空燃比、进排气凸轮相位等参数，使发动机发挥出最优性能。 a） 不同进气歧管的外特性试验
细长的进气歧管有助于提高低速段的扭矩，粗短的进气歧管有助于提高高速段的扭矩。 b） 不同凸轮轴（不同型线、升程）的全负荷试验
VVT（Variable valve timing ）：
VVT的作用：降低燃油消耗、降低排放、提高燃烧稳定性、提高功率和扭矩输出。 通过改变凸轮轴相位可控制内部EGR率，（重叠角大时，内部EGR率大）当内部EGR率大时要得到相同的功率输出必须，增大节气门开度，这将使进气管内的绝对压力升高，减小节流损失，提高燃油经济性。
通过控制内部EGR率，可显著的降低Nox的排放量，HC的排放量只是稍微提高。
发动机怠速时，为了得到良好的燃烧稳定性，需要较小的重叠角，大负荷时为了得到较大的功率输出，需要较大的重叠角，但此时由于一部分燃油进入排气系统内会牺牲燃油经济性。
较早的进气阀关（IVC）有利于低速段扭矩的输出，不利于高速扭矩的输出。较早的排气阀开（EVO）有利于减少泵气损失，但是较早的EVO减少了膨胀冲程，冲掉了减少的泵气损失，降低了IMEP。因此，低速时需要较迟的EVO，高速时需要较早的EVO。大的进排气阀重叠角，有利于发动机高速换气，但是活塞与进排气阀的间隙尤其是怠速的稳定性限制了允许的重叠持续期。 c）不同压缩比的全负荷试验（不同活塞、燃烧室） c） 不同排气系统的全负荷试验
主要验证发动机排气背压对发动机性能的影响，。 d） 不同进气系统的全负荷试验。
主要验证发动机进气系统压降对发动机性能的影响。
2、部分负荷优化试验（主要以工况点2000rpm/2bar BMEP为主，其他如1500rpm/2bar、1500rpm/4bar、2000rpm/4bar、3000rpm/2bar、3000rpm/3bar、3000rpm/4bar）
调整发动机点火提前角、空燃比、进排气凸轮相位等发动机运行参数，使发动机发挥出最优性能。部分负荷主要检验发动机的燃油经济性（BSFC）、燃烧稳定性（COV of IMEP）、排放水平（PCO、PHC、PNOx）。
1）不同CBR结构的部分负荷试验。 CBR（Control burned rate）：CBR发动机的气道由切向气道与中型气道组成，（切向气道形成涡流，中性气道形成滚流），部分负荷时通过关闭中性气道，使空气只从切向气道进入气缸，从而形成较强的紊流，可使燃烧加快。燃烧速度快可提高燃烧稳定性，此时可适当推迟点火提前角以提高排气温度，加快三元催化器的起燃，同时推迟点火提前角也能降低HC的排放。CBR的另外优点是可与VVT相配合，达到节油的目的，通过改变凸轮相位，可适当增大内部EGR，内部EGR的增大会使燃烧速度降低，燃烧稳定性降低，但这可通过CBR来补偿。 调整点火提前角、空燃比、进排气相位等参数，使发动机发挥出最优性能。
2）不同凸轮轴的部分负荷试验 3）不同进气歧管的部分负荷试验 4）不同压缩比的部分负荷试验
3、喷油目标试验
不同工况下，燃油雾化良好，油束处于气道中心，尽量减少湿壁，湿壁面积大会使机油稀释严重和HC的排放升高。
4、火花塞选择试验
三、主要试验数据及分析
1、MFB50% (Ma fraction burned 50%、CA ATDC)
为了得到最佳燃烧热释放率MFB50%应处在上止点后8度，对应的燃烧最高压力点应在上止点后12度附近，此时发动机的燃油经济性、燃烧稳定性最好，其位置可通过点火提前角调整，点火角提前其位置提前，点火角推迟其位置推迟。在低速低负荷区域，MFB50%能达到止点后8度的位置，但在高速高负荷时由于爆震等原因，要迟于上止点后8度。
2、SA（Spark advance、CA BTDC）
点火提前角，调整点火提前角应尽可能使MFB50%应处在上止点后8度的位置，如果发生爆震则要推迟点火角。点火角过大会发生爆震或处于爆震极限，检查点火角是否适当的方法是：缸压曲线的波动振幅应小于不同转速的规定值（一般规律：发动机转速n千转，允许压力波动振幅值为n bar）。另外点火提前角滞后会使排温升高，高速高负荷必须注意。
3、BMEP（Brake mean effective preure、bar）
制动平均有效压力是通过发动机台架的制动力矩计算得到，其值一般与进气管绝对压力有如下关系：进气压力1bar时平均制动有效压力为10-11bar，进气压力为1.6bar时平均制动有效压力为16-17bar。
4、IMEP （Indicated mean effective preure、bar）
指示平均有效压力，通过缸压传感器的压力信号，计算得到。
5、FMEP （Friction mean effective preure、bar） 摩擦平均有效压力FMEP= IMEP- BMEP。FMEP值过大将会影响发动机的功率扭矩输出，1.6L CBR VVT发动机在额定功率点的理想值为1.6~1.7 bar。
6、PMEP （Pumping mean effective preure、bar）
泵气平均有效压力，提前开启排气阀可降低泵气损失，但有可能缩短作功冲程，减小指示平均有效压力。
7、COV of IMEP（Coefficient of vibration of IMEP）
该值主要是评定发动机部分负荷与怠速时燃烧稳定性的重要指标，其值越小燃烧越稳定，一般地，燃烧速度越快其值越小。低速低负荷时其值较大，高负荷时其值较小。2000rpm/2bar时其限值为5%，怠速时其限值为20%。
8、BSFC（Brake specific fuel consumption）
评价发动机燃油经济性的重要指标，全负荷工况点的最低值为275g/kw*h（此时空燃比应小于1），2000rpm/2bar时其限值为372-399g/kw.h（RON 95）。
9、Max preure rise（bar /CA）
平均压力上升率，当点火角设定的过早时，平均压力上升率增大，输出扭矩增大，油耗降低，但燃烧噪声变大，工作粗暴，因此需对此限制。1.6L CBR VVT和2.0L TCI GDI发动机的最大值为4bar/CA。
10、Lambda 空燃比有实测空燃比和通过排放分析仪计算的空燃比两种，。
部分负荷空燃比为1；全负荷时为了得到较大的扭矩输出需将空燃比加浓，一般情况下空燃比为0.9时，发动机的输出功率较大；高速高负荷时，为了降低排气温度而将空燃比设的更加浓，可为0.85，空燃比加浓排气温度降低的原因主要是燃油蒸发吸收部分热量，另外空燃比过浓将会使燃烧不充分，而是排气温度降低。
11、喷油正时
对于直喷发动机，喷油正时比较重要。因为当加大气门重叠角时，可利用新鲜空气将废气尽可能排除，然后开始喷油，这样避免了燃油随新鲜空气进入排气系统，因此适当的喷油正时可以提高燃油经济性。有一点要注意，由于一部分新鲜空气未参加燃烧便进入排气系统，这使排气系统中氧传感器的测得空燃比值高于实际燃烧的空燃比值。
12、最大燃烧爆发压力
最大燃烧爆发压力过大，活塞、曲轴等运动件的强度也必须提高，否则容易损坏。1.6L CBR VVT 发动机的最高燃烧爆发压力70bar、2.0L TCI GDI最大燃烧爆发压力90bar。
13、发动机最大功率
满足开发目标。1.6L CBR VVT发动机的开发目标为87kw/6200rpm （RON 95），2.0L TCI GDI发动机的开发目标为144kw/5500rpm（RON 95）。
14、发动机扭矩
满足最大扭矩的开发目标，低速段扭矩的开发目标。最大扭矩点的转速不要太高一般小于4500rpm，低速段的扭矩较低，会影响整车的加速性能。
1.6L CBR VVT 发动机的最大扭矩开发目标值为147 Nm/4300rpm、低速段扭矩的开发目标值为121 Nm / 1500rpm（RON 95）；
2.0L TCI GDI 发动机的最大扭矩开发目标值为290Nm/1800rpm、低速段扭矩的开发目标值为249 Nm/1500rpm （RON 95）。
15、PCO 其排放量主要与空燃比有关，空燃比浓排放量升高。
16、PHC 点火角推迟排放量降低，空燃比浓排放量升高。
17、PNOx 燃烧温度高，氮氧化物的含量高。通过内部EGR可显著降低其含量。
18、CO2
19、O2 一般排气中氧气的含量在1%内，则说明燃烧正常，可通过此数值方便的判断发动机工作状态是否正常。 20、发动机出水温度
一般控制在90摄氏度。
21、发动机进水温度
进出水温的差在4摄氏度比较合理，说明发动机的冷却系统的冷却能力满足要求。
22、发动机机油压力
机油压力正常保持在4-5 bar。
23、机油温度
一般控制在90摄氏度，最高温度不能超过140度。
24、环境压力
25、空滤口温度、压力
空滤口温度一般控制在标准温度25度。
26、进气软管温度、压力
27、进气管温度、压力
全负荷试验时，进气歧管的压力与环境压力的差值不能太大，否则将影响发动机的充气效率也就影响了发动机的功率输出，1.6L CBR VVT发动机的限值为25-30mbar。
增压发动机进气管温度控制的过低，有利于功率扭矩输出，但实际上增压发动机进气管内的一般较高（本发动机规定，外特性试验时为50摄氏度），因此要注意进气管内的温度是否适当。增压发动机进气管压力控制的高，有利于功率扭矩输出，但进气压力过高（如绝对压力超过1.8bar），将会使增压器的工作负荷加大，工作环境恶化，可靠性降低，另外也减少了高原时进气增压的余量。
28、各缸进气口温度
29、油轨压力
1.6L CBR VVT发动机的油轨燃油压力为4bar。2.0TCI GDI 发动机的油轨压力可调，一般控制在7-11Mpa，中低负荷时燃油需求量小，为了降低高压油泵的功率消耗，将油压设定的低一些，高负荷时为了满足燃油量，应将油压设定的高些。 30、进回油温度
31、各缸排气温度
32、排放物采样
33、三元催化器前的温度、压力
1.6L CBR VVT发动机的最大功率点的排气背压规定值为350mbar。三元催化器前的最高排气温度应低于850摄氏度。
2.0L TCI GDI发动机最大功率点的排气背压规定值为450mbar（最大不能超过550mbar）。增压器前的最高排气温度应低于950摄氏度。
34、三元催化器温度
一般三元催化器内部的最高温度不能超过920度，否则三元催化器将会被烧结损坏。
35、三元催化器后的温度、压力
注：在进行台架试验时一定要注意三个重要的参数：点火提前角、排气温度和空燃比。
点火角不当则会引起爆震，损坏发动机；排气温度过高将会使三元催化器烧结损坏；空燃比不当将会影响油耗，也会影响点火提前角和排气温度。
发动机产品的数字化开发
作者：长安汽车工程研究院 詹樟松 来源：AI汽车制造业
在市场竞争趋于白热化的今天，汽车和发动机制造企业的成功取决于能否持续地向市场提供一流的汽车和发动机产品。富有创新的高效产品开发流程则是企业向市场持续提供一流产品的保证。
产品开发流程概述
发动机产品开发是一个庞大的，具体的产品开发管理程序集，其范围涵盖了从项目研究分析到批量生产整个过程，随着信息技术的发展，将数字化的开发成为一种趋势，发动机产品开发流程的数字化就是在PDM等平台上通过计算机和网络来处理、固化和集成整个发动机产品的开发过程见图1。
图1 发动机产品开发流程及其数字化示意图
本文选取发动机开发流程中的设计和验证阶段，以一款发动机从市场概念确定到虚拟样机开发完毕进入样机制作和物理试验开发为止，简单地介绍发动机产品的虚拟开发过程。
本文定义的设计和验证阶段的数字化开发可细分为概念设计阶段、布置设计阶段和详细设计阶段，每个阶段都包含了数字化设计和验证工作的并行和协同：设计工程师按照时间进度提交零部件、装配的子系统及整机的CAD设计数据；验证工程师应用CAE手段对设计部门提交的CAD数据进行包括最基本的尺寸和运动学校核、复杂的动力学分析和功能实现以及最复杂的可靠性分析等进行全方位验证。在整个数字化开发过程中，CAD设计和CAE分析都在PDM系统的统一管理下实现最大化的并行、交互和协同。
概念设计阶段
概念设计阶段是发动机产品开发流程中进入工程化开发过程的第一阶段，也是最重要的阶段。理论上来说，有关所开发产品的所有重大决策性问题都要在这一阶段内解决。概念设计阶段的主要工作有：对前期项目策划阶段完成的市场、法规、竞争对手和竞争机型调查研究的结果进行分析和评估，并转换为概念设计阶段的设计输入；产品设计、工艺设计、生产制造、市场销售和零部件供应商的专家们在概念设计阶段需协同进行可行性研究工作；根据产品的市场定位和企业品牌的内涵，结合当前行业的技术发展水平等因素，确定所开发产品在性能、质量、成本等方面适当的目标水平、具体指标和规格要求；进行整机系统总体布置研究；确定产品的总体技术方案和各子系统的总体技术路线等。
概念设计阶段的数字化开发工作以CAE仿真分析为主，在整机级和各大系统级建立虚拟样机进行CAE分析，根据仿真分析的结果设定各项设计目标和确定总体技术路线。对于发动机产品开发而言，概念设计阶段的主要CAE仿真任务有：
1、发动机气体交换过程模拟
建立一维的CFD模型，分析发动机经进气系统吸入新鲜空气直至经排气系统排出的整个过程，目的是确定进气系统和排气系统以及气缸盖气道的总体技术方案和主要参数，目标是保证发动机整个气体交换过程顺畅有效。此类分析软件主要有GT-Power和AVL-Boost等。
2、发动机热动力学分析和整机性能预测
在气体交换的基础上增加发动机缸内燃烧过程的仿真分析，预测发动机的总体性能，如功率、扭矩和燃油消耗率等，然后反过来确定进气系统、排气系统、由缸盖、缸体和活塞组成的燃烧系统等子系统的主要参数和技术方案，如图2所示。
图2 发动机热动力学和整机总体性能预测
3、发动机冷却系统一维CFD分析
用于确定发动机水套的主体结构使发动机得到有效而适当的冷却，保证发动机热力学性能和可靠性的实现。此类分析软件有GT-Cool等。
4、发动机润滑系统一维CFD分析
用于确定发动机润滑系统，主要是发动机缸盖、缸体的润滑油道的主体结构和主要参数，使发动机各运动部件，如凸轮配气机构、曲柄连杆机构等得到有效而适当的润滑，保证发动机的可靠性。此类分析软件有FlowMaster等。
5、装备该发动机的整车的基本性能仿真分析
目的是确定与该发动机匹配的变速器，以及预测装备此动力总成的汽车的动力性和燃料经济性，图3所示的即为整车性能分析CAE模型及其相应的分析结果——新欧洲循环工况下的汽车燃油消耗量和汽车性能指标（反映汽车的动力性）之间的关系。该类分析软件主要有AVL-Cruise和GT-Drive等。
图3 汽车动力性和燃料经济性能预测和变速器选型分析
布置设计阶段
布置设计阶段主要是确定各主要零部件的尺寸和相互之间的关系及接口，进一步对概念设计阶段确定的技术方案进行细化。布置设计阶段的CAD设计工作主要是根据概念设计阶段的CAE仿真结果建立发动机各大子系统的表面模型，确定和建立各大子系统之间的装配关系和模型，以及明确发动机在所装配的整车发动机舱中的坐标位置等。CAE仿真分析则需要对所有的概念设计阶段的分析模型进行更新，使之更加具体和复杂，仿真的输出结果也更加详细和准确。同时，增加新的一些CAE仿真分析内容和领域，如发动机前端轮系动力学分析，配气机构动力学分析，以及发动机的缸盖、缸体、曲轴、凸轮轴和连杆五大零部件的初步有限元分析等。
1、发动机的前端轮系和配气机构动力学分析
应用AVL-Tycon或MSC.ADAMS等行业常用的专业软件建立分析模型，首先对前端轮系和配气机构子系统的布置设计结果进行各运动零部件之间的装配和运动学关系进行检查和校核，然后开始动力学分析，主要的分析内容是考察各运动零部件的位移、速度、加速度等运动学和动力学指标以及各零部件在各种状况下的受力情况，分析目的是要求各运动部件的各力学指标在合理范围之内以确保动力学系统的可靠性和良好振动和噪声水平，图4即为发动机配气机构的动力学分析。
图4 发动机配气机构动力学分析
2、主要零部件的有限元分析
在布置设计阶段部分主要的零部件，如缸盖、缸体、曲轴、凸轮轴和连杆五大件将进行第一轮的有限元计算分析，考察和验证零部件CAD结构设计的合理性，主要计算各零部件的刚强度、模态和疲劳等。在布置设计阶段，有限元分析是静态分析，相对简单，主要考察零部件CAD设计的静态结构参数的合理性。图5和图6分别给出了发动机连杆的强度分析和曲轴的扭振分析，常用的分析软件有HyperWorks、NASTRAN、ABAQUS、AVL-EXCITE等。
图5 发动机连杆强度分析
图6 发动机曲轴扭转振动分析
详细设计阶段
详细设计阶段，数字化开发范围将覆盖所有新设计零部件的全部特性，在详细设计阶段结束时将保证每一个零部件的CAD设计数据（包括三维实体设计数据和二维平面设计数据）将能具体指导工厂的生产制造，因此，CAD设计的工作量急剧增长，成为详细设计阶段的主要工作。同时，在详细设计阶段将应用CAE分析手段对所有新设计零部件的CAD设计进行分析和验证，以确保在数字化开发阶段解决每个新设计的零部件以及从零部件到各子系统、最后到整机的每个层次都不存在问题。
此时，CAE分析的首要任务是对前两个阶段所有的分析模型根据详细设计阶段能够获得的最全面的设计信息进行最后的更新和拓展，进一步更准确地验证各零部件、系统和整机的功能和特性。比如在概念设计和布置设计阶段进行的发动机气体交换一维CFD分析的基础上将进一步拓展和更新到进行一维或三维的进排气噪声分析（见图7），进排气系统和发动机缸内流动的三维CFD分析（见图8）。目的是从三维角度考察发动机的气体交换过程和流体在发动机缸内的流动过程，保证发动机各缸进排气的均匀度和发动机缸内流动的最佳化，以及在保证发动机性能设计指标的前提下尽量降低发动机的进排气噪声。又如在前阶段发动机冷却系统的一维CFD分析在本阶段将更新为最详细的三维CFD分析，以详细考察冷却液在发动机冷却水套中的流动情况，包括冷却液的流动速度、压力损失等参数，要求整个冷却水套没有流动死区或冷却液发生沸腾等，使发动机得到恰当的冷却，从而确保发动机的工作的可靠性。在汽车和发动机产品开发领域，常用的三维CFD分析软件有Fluent、Star_CD和AVL-Fire等。
图7 发动机进排气气动噪声分析
图8 发动机进排气系统和缸内流动三维CFD分析
在此着重介绍发动机缸体缸盖一体化分析（见图9），该CAE分析项目是整个发动机开发流程中最复杂、最困难的、也是最重要的分析项目之一。发动机缸体缸盖一体化分析是一个典型的流固耦合分析，整个分析由发动机缸内燃烧和传热、冷却润滑系统的三维CFD计算分析和缸体缸盖的受热、受力、变形等有限元分析两个过程的交互耦合完成，考察发动机缸盖、缸体、缸套、汽缸垫等在极限或典型运行工况下的温度变化和变形等，尤其是一些关键部位的关键指标必须被验证确认。比如缸盖鼻梁区的最高温度、缸套的最大变形量、汽缸垫的变形量等， 这些部位任何一处设计不当导致温度过高或变形过大都会给发动机带来致命的失效。例如缸盖鼻梁区温度过高会导致材料蠕变失效、开裂等，缸套变形过大会带来拉缸等，这些故障一旦发生将直接导致发动机完全失效而报废。
图9 发动机缸体缸盖一体化分析
在详细设计阶段所有零部件和子系统新的CAD设计都必须经CAE仿真分析验证，确保任何设计问题解决后，开发流程才能进入样机制造和物理试验开发和验证阶段。
结语
本文概述了数字化技术在现代发动机产品开发流程中的应用，从概念设计到详细设计，CAD设计和CAE分析始终在PDM统筹下并行、协同工作，例如PDM系统会规定CAD设计工程师在一定的时间间隔内发布以百分比方式表示的CAD设计成熟度（完成度），负责该零部件的CAE分析工程师则根据CAD设计的不同成熟度建立不同层次的分析模型，进行相应层次CAE校核或验证，并及时把分析结果反馈给CAD设计工程师，以保证其后续设计的正确方向。可见，整个数字化开发过程就是一个CAD设计和CAE验证的“实时”交互和协同过程，该过程使得现代发动机产品的设计质量提高、周期变短并且降低了费用。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2010-2-24，阅读360次)
