金旭，王家峰，劉慧軍，杜憲峰

（遼寧工業(yè)大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

前言

當今時代，雖然新能源車輛的發(fā)展速度很快，但是依然存在一些技術(shù)難關(guān)未得到突破，發(fā)動機依然是車輛的主要動力源。長期以來，對發(fā)動機的研究主要是以臺架試驗為主，通過大量的試驗，耗費大量的時間與資源才能得到理想的的發(fā)動機性能[1]。并且發(fā)動機的工作過程是非常復雜的，臺架試驗并不容易滿足一些需要詳細觀察發(fā)動機內(nèi)部工作過程具體變化的試驗要求，而軟件仿真可以很輕易的解決這一難題[2]。目前常用的發(fā)動機仿真軟件有GT-POWER、FLUENT、AVLBOOST、FIRE 等等。本文主要基于AVLBOOST 軟件進行發(fā)動機的仿真建模研究。

1 AVLBOOST 軟件的介紹

AVLBOOST 軟件是奧地利AVL 公司研發(fā)的一款專門用來仿真模擬發(fā)動機工作的軟件，既可以對發(fā)動機進行穩(wěn)態(tài)分析，亦可以進行發(fā)動機的瞬態(tài)分析，其不僅功能強大，還有著簡單易懂的操作界面以及齊全的仿真元件模塊庫[3]。

2 發(fā)動機仿真模型的搭建

2.1 模型框架的搭建

表1 為發(fā)動機的部分主要技術(shù)參數(shù)。首先根據(jù)發(fā)動機實際結(jié)構(gòu)選出需要用到的仿真元件模塊，本文需要的元件有發(fā)動機、系統(tǒng)邊界、空濾器、渦輪增壓器、中冷器、容腔、氣缸、催化轉(zhuǎn)化器以及管道等。搭建成的模型框架如圖1 所示。

2.2 模型數(shù)據(jù)的輸入

首先，在Simulation/Control 中設(shè)置燃料類型、初始壓力和溫度條件、循環(huán)次數(shù)、計算步長等的全局參數(shù)。其次，基于發(fā)動機的真實結(jié)構(gòu)參數(shù)以及實驗數(shù)據(jù)對每一個組成元件進行詳細的數(shù)據(jù)輸入，尤其是氣缸、渦輪增壓器這種核心元件。本文選取的燃燒模型為Vibe，其主要輸入?yún)?shù)有三個：燃燒始點、燃燒持續(xù)期、形狀參數(shù)。燃燒始點對應著噴油提前角，大概為提前角度減去4 度左右。燃燒持續(xù)期和形狀參數(shù)均根據(jù)經(jīng)驗值進行初步選取，燃燒持續(xù)期一般隨著轉(zhuǎn)速的降低而降低，形狀參數(shù)一般為1.0 左右。本文選取的傳熱模型為適用于高壓模型的Woschni1978 傳熱模型。最后，在運行任務中設(shè)置不同的case 條件，例如不同的轉(zhuǎn)速及其對應的噴油量等。

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)動機仿真模型

3 發(fā)動機模型驗證及調(diào)整

圖2 發(fā)動機瞬態(tài)扭矩

圖3 缸內(nèi)壓力

圖2 為發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2600rpm 時的瞬態(tài)扭矩變化，可知發(fā)動機以與正、余弦圖像比較類似的趨勢周期性均勻的輸出扭矩，即說明發(fā)動機運行狀態(tài)平穩(wěn)，可以穩(wěn)定工作[4]。圖3為發(fā)動機的氣缸內(nèi)的壓力變化，可以看出壓力峰值滿足低于130bar 的運行要求。

表2 為轉(zhuǎn)速為2600rpm 時的發(fā)動機仿真性能指標與實際性能指標的對比。易知，仿真計算的功率和扭矩偏小，有效燃油消耗率偏大，總體誤差較大。工程使用要求為誤差應在5%以下。此時，需要對Vibe 參數(shù)中的燃燒持續(xù)周期和形狀參數(shù)進行調(diào)整，最后得到合適的性能誤差。有時單一的調(diào)整Vibe 參數(shù)可能會達不到理想的誤差要求，此時就需要針對發(fā)動機詳細運行狀態(tài)進行具體分析及調(diào)整[3]。

表2 性能指標對比

表3 為調(diào)整后的性能指標對比，可以看出誤差均在3%以下，即仿真模型滿足工程使用要求。

表3 調(diào)整后的性能指標對比

分別對1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400rpm 的發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行仿真模擬及參數(shù)調(diào)整，將信息匯總后得到的發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下的功率、扭矩以及燃油消耗率。仿真模型的性能指標與實際發(fā)動機性能指標對比圖如下?？梢钥闯龇抡婺Ｐ途_度較高，誤差均小于5%，最大扭矩、額定功率等關(guān)鍵點誤差均小于3%，仿真較為成功。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下功率對比

圖5 不同轉(zhuǎn)速下扭矩對比

圖6 不同轉(zhuǎn)速下BSFC 對比

4 結(jié)束語

本文基于AVLBOOST 軟件，結(jié)合某柴油發(fā)動機基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和實驗數(shù)據(jù)，搭建了該發(fā)動機仿真模型，描述搭建流程以及粗略的誤差調(diào)整方法。結(jié)果表明仿真模型精確度較高，滿足工程應用要求。本研究對發(fā)動機的設(shè)計與研發(fā)具有一定指導意義。