GT在发动机研发中的应用

GT-POWER在发动机研发中的应用作者：车向国文章来源：阿尔特（中国）汽车技术有限公司点击数：235更新时间：新的发动机机型的开发过程及改型设计中，如何实现提高性能、缩短开发周期、降低开发成本和技术风险是研发单位关注的重点。2009年，荣获一汽大众优秀供应商的阿尔特（中国）汽车技术有限公司已经成功地利用GT-POWER软件对发动机概念机和改型机进行了可行性分析与优化设计。阿尔特（中国）汽车技术有限公司主要从事与整车、动力总成设计开发和生产试制相关的业务，是一家多元化、国际化的大型专业汽车技术公司。目前，阿尔特（中国）汽车技术有限公司已经具备项目企划、总体布置、造型设计、油泥模型和虚拟设计、白车身及内外饰、发动机及动力底盘、电器、样展车制造及试验、逆向工程和CAE分析等全面的汽车设计开发实力。从成立至今，阿尔特（中国）汽车技术有限公司已经为国内外众多汽车主机厂、大型汽车零部厂商完成了大量的设计项目。本文主要介绍阿尔特（中国）汽车技术有限公司利用GT-POWER软件对于发动机概念机或改型机进行可行性分析与优化设计的过程。GT-POWER开发过程在发动机开发过程中，利用GT-POWER软件可以进行以下几个方面的仿真计算和优化设计：1.发动机的性能计算，包括经济性、动力性及相关的污染物排放，在特定的设计目标下，进行多种参数优化设计。2.发动机电控系统的标定与设计优化。3.发动机进、排气系统的噪音计算与分析，以及相关消声元件的优化设计。4.不同技术方案的对比、选择及优化，在实际的生产条件下，选择最经济的方案，满足性能与成本的综合性指标。5.发动机的热负荷的计算，可以为有限元分析软件提供热边界条件。6.对发动机排气污染物的后处理进行设计与控制优化。分析算例1.边界条件设定在使用GT-POWER进行发动机的仿真计算时，需要输入特定的参数。输入参数可以分为以下两大类：结构参数和场边界参数（含流场、温度场）。（1）基本结构参数如表1所示（2）场边界参数大气的边界条件：入口的气体压力，0.1Mpa；温度，23℃（3）空燃比数值（见表2）由于发动机还处于预研阶段，没有测试的试验数据支持，流量系数根据进、排气门在不同开度下根据3D模型利用CFD分析软件进行流量分析计算，计算结果如表3所示。2.节气门的流量系数选取由于只进行全负荷计算，所以只选取了全开时的流量系数，其中，节气门开启角度为0°时，流量系数为0.2；节气门开启角度为90°时，流量系数为0.87。基础模型建立和分析1.计算模型建立GT-POWER软件关于管路内流动及传热的计算原理是：采用有限容积法进行一维的N-S方程的求解。求解关于X与时间T上的结果，并能自动根据流体流动的状态进行时间步长的调整。发动机机体的管路传热采用了第一类边界条件，也就是在不同工况、不同的位置下输入不同的管路壁面温度。建立气缸内的燃烧及热力学模型时，有如下的几个假设：（1）气缸中的工质是均匀的。它是由纯粹的空气和燃烧废气组成，用过量空气系数表示这种关系。（2）整个系统内，工质的状态不受空间的影响，仅随时间的变化，也就是符合定常、准稳态过程。（3）不考虑气体在高温时的离散作用。缸内的燃烧模型采用Wiebe函数模型进行求解，并根据发动机的工况进行如下参数的调整：起燃点、燃烧持续期及燃烧品质，以达到准确的计算结果。缸内气体与缸壁的传热模型采用的半经验半理论模型：沃西尼（Woshni）模型。传热是温度的扩散，而温度的扩散则是在物体的“相”内或“相”间存在温度场，它与流体的流动是由于流场的存在在本质上是一样的，都存在“场”。由于此发动机的进气门是可变配气相位，而没有给出不同工况下进气门的配气相位，所以在计算中只考虑了每个转速下的使功率最大的配气相位。发动机的机械损失，严格的讲应根据实际的试验结果进行输入，但由于没有相应的数据只好根据经验采用如下所示的经验公式：FMEP=0.2+(0.005*Pmaxcylinder)+(0.07*Speedmeanpiston)+（7E-4*Speedmeanpiston^2）式中：Pmaxcylinder是指缸内的最大压力；Speedmeanpiston是指活塞的平均速度。根据以上参数在GT-POWER中建立发动机模型（如图1）。2.计算分析根据实际的要求，计算的工况主要是进行从1000r/min到6000r/min的全负荷计算，并求得在配气相位变化范围内寻求功率最大的配气相位值。用输入的条件及模型的基础，计算出发动机数据。功率与扭矩结果（如图2）。模型校核修正1.用第一阶段模型输出结果与参考样机试验结果进行对比分析（如图3）。由图3中功率与气体流量差值百分比所示，建立模型分析与试验数据差异比较大，功率最大差值达到5.4%，气体流量差值达到12.2%而且贴合效果不好，这需要对GT模型进行校核修正，直到差值在允许范围内为止。2.模型校核及修正由于GT在计算性能时，主要是关于发动机的各个和流体有关的气动力学计算，并可以对各个与流动有关的管路进行修正，基于这个功能，我们做如下几方面校核修正。（1发动机进气量修正，误差范围应满足工程应用的需求。（2）进行排气背压的修正。（3）对发动机的机械损失进行计算，并达到发动机功率或扭矩、油耗的校核。（4）利用倒拖法进行发动机机械性能损失功率测算。3.结论经过反复校核修正，从图4可以看出，气体流量和功率与试验数据很接近，误差控制在3%以内，燃油经济性的误差控制在5%以内，这个模型可以满足分析实际需要，以此模型来对进气系统进行优化得到数据可信度很高。优化过程在优化过程中，考虑的参数有以下几个：进气总管的长度、进气总管的直径（等效横截面积）、进气歧管的长度和进气歧管的直径（等效面积）。1.进气歧管参数不变时，对发动机性能的影响。从图5、图6中的参数可以看出，进气总管的长度与直径对发动机功率的影响不显著，所以进气总管的尺寸可以不进行优化。2.进气歧管的尺寸变化，对发动机性能的影响。根据要求，工程师对进气歧管直径（基准直径±2.5mm范围变化）、歧管长度（基准长度-30s+50mm范围变化）这两组参数进行调整，每组参数都进行了4个水平数的DOE分析，得到了进气歧管直径和长度16组搭配组合在全负荷各转速工况下所得功率和扭矩数据。从这些数据可以看出，进气歧管的直径增大2.5mm，管长缩短3.5mm，发动机的功率最大；而当进气歧管的直径缩小2.5mm，长度增加24mm时，在4000r/min的扭矩最大。从以上数据可以看出，优化的工况点都能满足优化目标。为了达到较好的优化效果，需要考虑最大功率点与最大扭矩点的效果，我们进行优化时采用一下数学式表示：T=2*Pmax+Tmax式中：T为优化目标；Pmax是在6000r/min时，发动机的功率。Tmax是在4000r/min时，发动机的扭矩。在此优化的目标下，对进气歧管的直径与长度在上面所述的优化范围内进行优化。优化结果：进气管歧管的直径增大2.29mm，进气歧管的长度增加：44.3mm。在此优化过程中，在优化目标、优化变量确定的情况下，我们进行了如下的工作。第一：优化变量的范围。在进气歧管的长度变化范围是在-30~+50mm之间变化，而横截面积在-12%~12%内变化，要据实际情况，直径的变化范围给定了±2.5mm的变化。第二：进行了参数的敏感性分析。其中对于进气总管的尺寸变化由于对发动机性能的影响不显著，而且还涉及到安装空间等的影响，所以在此次优化过程中没有对进气总管的参数进处理。第三：优化参数的权重的处理。由于优化过程中有两个参数要考虑，6000r/min时的功率与4000r/min时的扭矩，所以在此次我们认为两者的权重是一样，但由于功率数值相对较小，所以采用了功率系数为2的处理方法。第四：进行DOE处理，并进行优化结果。得到的结论是：进气歧管的直径增加2.29mm,而进气歧管的长度增加44.3mm。当然，在优化后发动机在3000r/min左右，功率有一个下降点，对于实际效果有待于进一步深入研究。结论进气管歧管的直径在基准值上增大2.29mm；进气歧管的长度在基准值上增加44.3mm，优化后发动机的最大功率：85kW（6500r/min）；最大扭矩：149Nm（4000r/min）。优化后发动机各工况下的油耗分别为：330g/kWh（最大功率点）、268g/kWh（最大扭矩点）和263g/kWh（最小油耗）。通过对比分析我们可以看到，发动机的功率、扭矩能完全满足优化目标值，这充分说明阿尔特（中国）汽车技术有限公司在发动机性能模拟分析应用中已经具有成熟的分析能力，可以在设计验证过程中为客户提供最佳的设计成果和最佳的优化方案。