發(fā)動機(jī)演示原型機(jī)到高級分析技術(shù)的實(shí)測分析

為了滿足制造商不斷降低成本，同時又符合世界各地不同監(jiān)管規(guī)定的需求，發(fā)動機(jī)研發(fā)領(lǐng)域的工具也在不斷更新?lián)Q代，日益豐富。從演示原型機(jī)到高級分析技術(shù)，各類供應(yīng)商都在不遺余力地推動該領(lǐng)域的發(fā)展。

圖為在高性能計算工具和TFM 工具的模擬下，一部壓縮點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的油霧噴射火焰詳細(xì)示意圖，我們可以從中看到明顯的高溫區(qū)和低溫區(qū)。

FEV 公司輕型柴油和商用發(fā)動機(jī)總監(jiān)Michael Franke表示：“對商用車輛發(fā)動機(jī)設(shè)計師來說，當(dāng)前正處在一個非常激動人心的時期。”在美國Tier4 Final 排放法規(guī)的要求下，開發(fā)人員必須在更短的設(shè)計周期內(nèi)，達(dá)到相關(guān)規(guī)定。Franke表示，由于行業(yè)中已經(jīng)出現(xiàn)了按 Tier4 Final標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化的機(jī)會，現(xiàn)在關(guān)注的焦點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移至如何滿足最終客戶需求、應(yīng)對激烈競爭等長期目標(biāo)上。

當(dāng)然，這種激動人心的現(xiàn)狀也同時值得警惕，特別是在小型發(fā)動機(jī)領(lǐng)域?！鞍l(fā)動機(jī)領(lǐng)域一直對成本非常敏感。如今，我們發(fā)現(xiàn)有很多國外制造商憑借一些低成本產(chǎn)品，已經(jīng)打入或正在試圖打入美國市場。”Franke解釋說，“中國和印度已經(jīng)開始在公路車輛領(lǐng)域推行國 VI 和Bharat-VI 標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)展相當(dāng)迅速?！边@些新進(jìn)廠商完全可以通過技術(shù)的應(yīng)用達(dá)到 EPA 的 Tier4 Final 非公路設(shè)備排放標(biāo)準(zhǔn)，因此進(jìn)入美國和歐洲非公路車輛發(fā)動機(jī)領(lǐng)域并不存在合規(guī)方面的困難。

最新出臺的歐五(Stage V) 標(biāo)準(zhǔn)也將帶來新的挑戰(zhàn)，尤其是對于高于37 kW 的大功率發(fā)動機(jī)來說。歐五標(biāo)準(zhǔn)明確對車輛尾氣中的顆粒物含量進(jìn)行了規(guī)定，這是美標(biāo)中沒有的。Franke預(yù)測，發(fā)動機(jī)廠商可能必須借助顆粒過濾器才能達(dá)到相應(yīng)要求。

通常來講，非公路車輛的內(nèi)部空間非常有限，因此加裝顆粒過濾器并非易事，可能需要使用SCR（選擇性催化還原）涂層過濾器。Franke 還提及在歐五標(biāo)準(zhǔn)下，37 kW 以下發(fā)動機(jī)達(dá)到最新 HC + NOx 排放要求也同樣具有挑戰(zhàn)性，可能需要使用 EGR（廢氣再循環(huán)）和 DOC（柴油氧化催化劑）過濾器。

混合采用多種技術(shù)可以幫助廠商應(yīng)對合規(guī)挑戰(zhàn)，“不過具體能帶來多大幫助，仍取決于應(yīng)用何種技術(shù)。” Franke 表示，“未來汽車行業(yè)對模塊化發(fā)動機(jī)架構(gòu)的需求將日益增長，以方便廠商靈活安裝一些電氣化組件，從而在盡可能保證發(fā)動機(jī)核心組件不變的情況下，發(fā)揮混動技術(shù)的優(yōu)勢?！?/p>

為了促進(jìn)行業(yè)對混合技術(shù)的了解，F(xiàn)EV公司推出了一款專利ITES 系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)渦輪復(fù)合、電氣化和增壓技術(shù)的有機(jī)整合。Franke 表示：“為了滿足客戶的定制應(yīng)用需求，F(xiàn)EV公司專門開發(fā)了模塊化發(fā)動機(jī)和動力總成架構(gòu)，還可以通過在大量不同應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高度的組件共享，實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化效益。

在發(fā)動機(jī)小型化設(shè)計的配合下，F(xiàn)EV 公司的專利 ITES 系統(tǒng)可以將公路用車的燃料經(jīng)濟(jì)性提高 15％以上。FEV 表示，目前公司正在驗(yàn)證該系統(tǒng)在非公路車輛中的應(yīng)用效果。

系統(tǒng)工程助力模塊化發(fā)展

IAV 公司的柴油系統(tǒng)業(yè)務(wù)部門主管Thaddaeus Delebinski表示贊同，“在發(fā)動機(jī)設(shè)計中引入模塊化架構(gòu)很有必要。”非公路車輛領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻，除了設(shè)備類型多樣和各類法規(guī)繁復(fù)外，各種燃料的使用，也讓情況更加復(fù)雜，比如目前天然氣的重要性正在不斷提高， “但是真正售出的天然氣設(shè)備并沒有幾部?！比绻茨茉谧畲蟪潭裙灿媒M件，小批量生產(chǎn)發(fā)動機(jī)的成本很容易失控。在此背景下，發(fā)動機(jī)制造商必須通過模塊化設(shè)計，滿足不同應(yīng)用和市場的需求。

Delebinski 認(rèn)為，采取整體系統(tǒng)工程方法是實(shí)現(xiàn)組件共用的關(guān)鍵。他說：“IAV 公司有一套基于型號的開發(fā)方法，可以降低測試和驗(yàn)證方面的工作量，而且不需要大量使用高空校準(zhǔn)、發(fā)動機(jī)保護(hù)或虛擬排放循環(huán)等昂貴開發(fā)資源?！?/p>

與業(yè)內(nèi)其他公司一樣，IAV公司也推出了一些仿真工具，比如專為 Com Apps 內(nèi)部打造的 Velodyn 車輛動力學(xué)工具。Velodyn 可以與 Gamma Technologies 公司的 GT Power 發(fā)動機(jī)工具和西門子的 Amesim 液壓設(shè)備工具結(jié)合使用，并配合最高 1.5 MW 的功率測試設(shè)備。

Delebinski 強(qiáng)調(diào)，IAV 公司非常擅長排放、OBD（車載診斷）和預(yù)測性高級診斷方面的控制與校準(zhǔn)。他解釋說：“比如，我們會與一些非公路客戶合作，充分了解一款設(shè)備在完整生命周期中的后處理和診斷特性。此外，公司還會幫助客戶實(shí)現(xiàn)電氣化，這不僅可以提高設(shè)備的燃油效率，還可以獲得更多安全和診斷方面的額外功能。

根據(jù)Delebinski 的說法，數(shù)據(jù)非常重要，而如今的數(shù)據(jù)訪問將更加方便，內(nèi)容也越來越豐富。Delebinski說：“這樣一來，我們就可以通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集，縮短測試和驗(yàn)證的所需時間。”此外，如果真實(shí)世界測試開始從公路設(shè)備擴(kuò)大至非公路設(shè)備，相關(guān)數(shù)據(jù)收集工作將更加重要，同時也將迎來更多機(jī)會。

IAV 公司擁有大量專用測試臺架，從組件測試到最高 1.5MW 的重型發(fā)動機(jī)測試臺架，應(yīng)有盡有，還備有車輛和機(jī)械設(shè)備的便攜式測量系統(tǒng)。

工具和擁有成本

在評估系統(tǒng)工程，特別是總擁有成本時，我們必須顧及更多方面。Dassault Systemes 交通運(yùn)輸與移動出行總監(jiān)Jonathan Dutton解釋說：“我們會幫助客戶進(jìn)行多學(xué)科研發(fā)，并在這方面進(jìn)行了大量工作?！?Dassault Systemes公司最早因推出CATIA 計算機(jī)輔助設(shè)計軟件而名聲大噪，如今又推出了更多軟件工具，涉及產(chǎn)品生命周期管理、模擬、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)集成及供應(yīng)鏈管理等方方面面。

Dutton 表示：“坦率地說，我們的卡車和乘用車工具也同樣適用于其他非公路車輛，只不過具體要求有一些不同而已?！迸e個例子，這種差異可能僅體現(xiàn)在發(fā)動機(jī)負(fù)載方面。簡單來說，公路車輛的發(fā)動機(jī)通常需要平穩(wěn)地輸出負(fù)載，而挖掘機(jī)等非公路車輛在裝滿鏟斗并開始提升時，發(fā)動機(jī)負(fù)載可能會在短時間內(nèi)經(jīng)歷劇烈變化。Dutton說：“然而，公路和非公路車輛在開發(fā)過程中仍有很多可以共用的工具。”

Dassault Systemes 公司的工具主要可以分為四大領(lǐng)域：多學(xué)科物理模擬；基于“實(shí)驗(yàn)設(shè)計 (Design of Experiments) ”數(shù)學(xué)解決方案的優(yōu)化和分析工具；針對混合系統(tǒng)的新型技術(shù)模擬；及覆蓋完整產(chǎn)品的“系統(tǒng)工程 (Systems Engineering) ”工具，包括在產(chǎn)品的完整生命周期內(nèi)將發(fā)動機(jī)需求和設(shè)計聯(lián)系起來。

Dassault 公司將自己的應(yīng)用平臺命名為 3DExperience，并認(rèn)為模仿和理解用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。公司認(rèn)為，只有真正坐進(jìn)駕駛艙中感受設(shè)備運(yùn)行的完整過程，才能開始了解發(fā)動機(jī)的需求，需要借助CAD設(shè)計、機(jī)械仿真、控制和系統(tǒng)仿真及鑄造和裝配等各個領(lǐng)域的知識，才能獲得對成本和使用體驗(yàn)的全面認(rèn)識。

這樣做的目標(biāo)是降低工程成本，并提供更高質(zhì)量的設(shè)計，從而滿足產(chǎn)品在性能、運(yùn)營成本和制造成本等方面的多項目標(biāo)要求。Dutton表示：“我們的客戶希望可以盡量減少所需原型的數(shù)量，而模擬仿真技術(shù)可以幫助我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”

AVL 公司通過關(guān)聯(lián)模擬結(jié)果與實(shí)際測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)排氣門和進(jìn)氣門之間的橋梁處存在裂縫。

細(xì)節(jié)是魔鬼

新的排放要求及其對發(fā)動機(jī)架構(gòu)的影響非常顯著，需要我們加倍關(guān)注，但發(fā)動機(jī)中的其他工程問題并不會因此消失，甚至還可能變的更嚴(yán)重。AVL公司高級技術(shù)專家 Michael DeJack舉了一個很好的例子，比如如何解決低周疲勞的問題。與其他公司一樣，為了解決低周疲勞等讓人頭疼的細(xì)節(jié)問題，AVL公司也運(yùn)用了一系列商用工具和內(nèi)部專業(yè)技術(shù)。

發(fā)動機(jī)的耐久性面臨前所未有的挑戰(zhàn)。“不斷提高的排放標(biāo)準(zhǔn)，將對發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)提出更高要求，發(fā)動機(jī)氣缸需要承受更高的壓力和溫度。”DeJack解釋說，而這均將對發(fā)動機(jī)的熱機(jī)械疲勞性能提出更高要求，特別是在氣缸蓋上。與運(yùn)行過程中的高周疲勞相比，熱機(jī)械疲勞主要來自發(fā)動機(jī)從啟動到熄火整個過程中的低周循環(huán)加熱與冷卻。

與任何其他工程設(shè)計一樣，這一解決方案也需要一些權(quán)衡?！澳憧梢允褂貌煌牟牧蟻碓黾訌?qiáng)度，但同時需要在熱傳導(dǎo)性方面做出犧牲。在這種情況下，我們就必須將冷卻套移到更接近火焰的位置，并將缸壁設(shè)計的更薄?！?DeJack說，可以選擇的材料包括鑄鐵、墨鑄鐵 (CGI) 和球墨鑄鐵。然而，由于涉及針對復(fù)雜材料行為的有限元模型應(yīng)用，對這些材料進(jìn)行評估并不容易。

如果說魔鬼存在細(xì)節(jié)之中，那么解決方案可能就在數(shù)據(jù)里。AVL公司選擇了 Dassault Systemes 公司非常流行的Abaqus 非線性有限元模擬軟件?！盁釞C(jī)械疲勞會使材料的黏塑性升高，因此我們選擇了一款更加先進(jìn)的材料建模工具，也就是Northwest Numerics公司提供的Z-Mat。我們已經(jīng)使用這款 Z-Mat 工具開發(fā)和校準(zhǔn)了一個高級材料模型庫?！背藢Σ牧系酿に苄赃M(jìn)行建模，AVL 公司還開發(fā)了多款損傷模型，以模擬因熱機(jī)械疲勞而導(dǎo)致的材料失效時間。

事實(shí)上，AVL公司圍繞 Abaqus 及其他商業(yè)工具開發(fā)了大量 iCAE 工具箱，低周疲勞分析只是其中一種。他說：“這實(shí)際上如同是一個知識庫，我們可以從中查詢數(shù)百個分析任務(wù)的詳細(xì)工作流程、材料數(shù)據(jù)、腳本、分析結(jié)果及其他代碼工具，比如 AVL 的 Fire計算流體動力學(xué)工具和 Excite 動力學(xué)工具?！?/p>

達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes）的 V6 發(fā)動機(jī)解決方案應(yīng)用了大量需求、功能、邏輯和物理 (RFLP) 模型，以便從整合系統(tǒng)工程的角度更加全面地理解任何一款產(chǎn)品。此外，系統(tǒng)的實(shí)時交互功能還可以為各種模擬提供“后向”可追溯功能。如圖所示，左上方屏幕將展示完整系統(tǒng)；左下方展示需求；右上方為邏輯架構(gòu)；而右下方則展示功能架構(gòu)。

直接模擬燃燒實(shí)現(xiàn)突破

通常來說，燃燒模擬的主要難點(diǎn)在于燃料噴射和缸內(nèi)燃燒的具體細(xì)節(jié)，而這些細(xì)節(jié)將給發(fā)動機(jī)的整體排放水平和燃料經(jīng)濟(jì)性帶來巨大影響。根據(jù)美國阿崗國家實(shí)驗(yàn)室(ANL) 組長兼首席計算科學(xué)家Sibendu Som 博士的說法，這些細(xì)節(jié)部分的模擬將產(chǎn)生大量計算量。正因如此，ANL實(shí)驗(yàn)室的高性能超級計算中心仍然是大量發(fā)動機(jī)開發(fā)商所依賴的重要資源，包括重型發(fā)動機(jī)和非公路車輛發(fā)動機(jī)領(lǐng)域。

ANL 公司的合作伙伴包括公路和非公路領(lǐng)域的卡車和機(jī)車發(fā)動機(jī)客戶。例如，公司曾利用先進(jìn)的熱傳遞模型和精確噴射模型，幫助客戶開發(fā)了一款優(yōu)化噴射器熱障涂層。

燃燒模擬領(lǐng)域的另一項挑戰(zhàn)在于了解缸內(nèi)燃燒的化學(xué)動力學(xué)過程。通常來說，汽油或柴油等燃料中的化學(xué)成分高達(dá) 3000 到5000 種，燃燒過程中涉及的反應(yīng)數(shù)量也可能有數(shù)百種。截至目前，直接進(jìn)行真實(shí)燃料的模擬仍過于復(fù)雜，因此工程師通常會特制一種僅含70 到 80 種成分的模型燃料，來替代成分復(fù)雜的真實(shí)燃料。通常來說，這種模型燃料已經(jīng)足夠工程師完成熱釋放速率和缸內(nèi)升壓等方面的模擬，但仍無法模擬顆粒物或煙塵的形成。然而，隨著人們對煙塵帶來的健康影響有了更多了解，這已經(jīng)成為了一個重要研究領(lǐng)域。

不過，隨著ANL 公司 Tabulated Flamelet Model (TFM) 工具的推出，這一問題將得到改善。TFM 可以對煙塵行為進(jìn)行更好的建模，并對OEM一直關(guān)注的發(fā)動機(jī)的低溫燃燒特性進(jìn)行探索。

Som 表示：“借助我們的最新技術(shù)，研發(fā)人員只需多花 20% 的計算時間，即可對組成高達(dá) 5000 種化學(xué)成分的真實(shí)燃料進(jìn)行建模?！笔聦?shí)證明，這可能會給燃料高保真模擬領(lǐng)域帶來重要突破。

了解瞬態(tài)工況離不開動態(tài)油耗測量設(shè)備。AVL 公司介紹，與其他方法相比，IAV 公司的新型 FOCAS 系統(tǒng)不僅可以擴(kuò)大檢測極限范圍，還能優(yōu)化響應(yīng)時間。

實(shí)時油耗測量

如今非公路車輛的油耗非常巨大，讓整個行業(yè)都非?？鄲?。油耗可以會導(dǎo)致EGR 冷卻器結(jié)垢、閥門卡死、柴油機(jī)氧化催化劑中毒及顆粒過濾器煙灰累積等各種問題。IAV公司設(shè)計和整合業(yè)務(wù)部門主管 Robert Dolan解釋說：“煙灰累積對后處理設(shè)備來說是個大問題?！?/p>

Dolan 介紹道，直到今天，如何確定高油耗的具體原因一直都是難點(diǎn)。不過IAV 公司的 FOCAS 測量系統(tǒng)可能給汽車行業(yè)帶來了一種全新解決方案，即采用質(zhì)譜分析技術(shù)來測量任何氣體中的石油含量。

Dolan 解釋說：“我們可以對各個種類的氣流進(jìn)行測試，包括排氣、漏氣、氣缸間的氣體交換，并可通過研究渦輪增壓前后端氣流確定渦輪的作用。”FOCAS系統(tǒng)可以取代 Dolan 所說的“排干稱重”的老方法，也就是在測試前后仔細(xì)測量燃油的質(zhì)量，從而確定燃燒過程中的消耗量，進(jìn)而得出燃耗數(shù)據(jù)。這種辦法僅能測量總?cè)己?，而且受測試循環(huán)的影響很大。Dolan稱，采用老方法測試可能需要持續(xù)幾周，甚至長達(dá)幾個月的時間。

Dolan 說，“如今，在FOCUS 系統(tǒng)的幫助下，我們僅需幾天時間即可在測試單元或底盤平臺上完成全部的油耗測量?！蓖ㄟ^將測試搬到真實(shí)發(fā)動機(jī)的真實(shí)測試循環(huán)過程中，“我們可以大幅度縮短測量時間，為客戶提供更多的幫助?！?/p>

Dolan 表示：“由于現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)工況可能不同，后處理系統(tǒng)的耐久性可能也會與預(yù)測驗(yàn)證階段有所差異，因此這種新方法將特別有用。”憑借 FOCAS 等實(shí)時系統(tǒng)，我們得以完整重現(xiàn)客戶車輛的獨(dú)特瞬時狀態(tài)和負(fù)載條件，從而獲得一些新的認(rèn)識 ——例如，在瞬態(tài)工況中，校準(zhǔn)可能會無意間造成活塞環(huán)顫振，從而產(chǎn)生油耗。FOCAS系統(tǒng)的保真度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的 “排干稱重”法。

目前，盡管 FOCAS 系統(tǒng)仍主要用于測試臺架或測功機(jī)中，但未來將更多參與真實(shí)工況下的現(xiàn)場油耗測試。目前，IAV公司正在與一家客戶合作，進(jìn)行概念驗(yàn)證。