基于CAE仿真的DOC轉(zhuǎn)化效率研究

王先瑞，雷蕾，周波

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

近年來，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能減排的重要性已經(jīng)被提到前所未有的高度，這不僅要求限制有害污染物的排放，而且要求限制CO2排放和降低油耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。如何合理選擇后處理路線及后處理系統(tǒng)集成，讓發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平滿足法規(guī)要求，既保持較高的熱效率，又保護(hù)環(huán)境，成為汽車工程師們越來越關(guān)心的問題。傳統(tǒng)的后處理系統(tǒng)開發(fā)重心在于試驗(yàn)開發(fā)，主要在試驗(yàn)階段通過不同的后處理系統(tǒng)選擇和標(biāo)定手段來滿足法規(guī)要求。但隨著市場競爭的加劇，工程師必須在開發(fā)時(shí)采用更有針對(duì)性的措施來縮短開發(fā)周期；另外由于排放法規(guī)的日趨嚴(yán)苛，后處理系統(tǒng)的開發(fā)難度大幅度上升。

CAE分析是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的重要手段之一，它使得發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)者能更早的了解產(chǎn)品的性能表現(xiàn)，針對(duì)可能出現(xiàn)的問題采取針對(duì)性措施，從而有效提高產(chǎn)品質(zhì)量并縮短開發(fā)周期。鑒于后處理系統(tǒng)開發(fā)的重要性和難度，相關(guān)的 CAE分析已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中CAE分析一項(xiàng)重要內(nèi)容，且隨著時(shí)間推移，相關(guān)CAE分析的比例呈上升趨勢[1-4]。

依據(jù)試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，建立仿真模型、調(diào)試參數(shù)并標(biāo)定模型；發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)用于排放循環(huán)中的 DOC的計(jì)算中，對(duì)DOC進(jìn)行標(biāo)定，以保證后期項(xiàng)目仿真分析工作預(yù)測精準(zhǔn)度,并降低后期試驗(yàn)開發(fā)周期和工作量。

1 仿真模型標(biāo)定

在進(jìn)行CAE仿真的優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，須確保仿真模型本身的準(zhǔn)確性，保證該模型能夠滿足工程應(yīng)用要求。對(duì)于熱力學(xué)仿真分析而言，柴油機(jī)分析模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差值在4%、關(guān)鍵工況點(diǎn)（額定轉(zhuǎn)速、最大扭矩轉(zhuǎn)速、最小轉(zhuǎn)速）在2%以內(nèi)是合格的。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型標(biāo)定結(jié)果

表1 仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果

綜上所述，修正后BOOST模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上與曲線形狀上吻合性均較好，主要性能指標(biāo)包括扭矩、功率及比油耗誤差最大均低于限值4%，關(guān)鍵點(diǎn)低于2%；進(jìn)氣量數(shù)值與試驗(yàn)趨勢接近，最大誤差為 6%，認(rèn)為該模型建模成功，能滿足工程應(yīng)用要求。

2 DOC轉(zhuǎn)化效率標(biāo)定

DOC又稱氧化型催化轉(zhuǎn)化器，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路中，通過氧化反應(yīng)，講發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中一氧化碳CO和碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化成無害的水喝二氧化碳的裝置。它是發(fā)動(dòng)機(jī)排放后處理系統(tǒng)中重要的組成部件之一，因此如果想要準(zhǔn)確預(yù)測排放循環(huán)工況下的排氣水平，需要對(duì)DOC進(jìn)行精準(zhǔn)標(biāo)定。

標(biāo)定過程運(yùn)用 AVL軟件公司 Boost軟件中的優(yōu)化工具Design Explorer。這一工具提供了不同的優(yōu)化算法，由于BOOST的計(jì)算速度很快且對(duì)計(jì)算資源要求不高，推薦使用遺傳算法（Genetic Algorithm）。將所有反應(yīng)的重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)均定義為變量，在Design Explorer中將其定義為自動(dòng)參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，并給出上下限值進(jìn)行尋最優(yōu)解計(jì)算。

標(biāo)定結(jié)果見圖2，結(jié)果顯示CO、HC、NO試驗(yàn)測試值與仿真值在數(shù)值與曲線形狀上吻合度均較好，仿真標(biāo)定結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。

圖2 CO、HC、NO試驗(yàn)與仿真對(duì)比值

3 結(jié)論

本文運(yùn)用CAE仿真分析方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行標(biāo)定、排氣系統(tǒng)中的DOC性能進(jìn)行標(biāo)定，分析結(jié)論如下：

（1）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能標(biāo)定結(jié)果在數(shù)值和曲線形狀上均滿足誤差要求，仿真模型與發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)狀態(tài)相符，為后續(xù) DOC標(biāo)定工作奠定了基礎(chǔ)。

（2）對(duì) DOC性能標(biāo)定結(jié)果顯示，CO、HC、NO轉(zhuǎn)化率試驗(yàn)測量值與仿真值在數(shù)值與曲線形狀上均接近，說明DOC仿真標(biāo)定是成功的，仿真狀態(tài)與實(shí)物真實(shí)狀態(tài)是一致的。

（3）通過以上標(biāo)定工作，為后期DOC選型及設(shè)計(jì)優(yōu)化工作奠定了基礎(chǔ)，并對(duì)減少試驗(yàn)開發(fā)周期和工作量具有一定的指導(dǎo)作用。與此同時(shí)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)相互驗(yàn)證，做到了理論與實(shí)際緊密結(jié)合。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉惟信.機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)(第 2版)(M).北京：清華大學(xué)出版社,1994.39—226,280—287.

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[3] 張桂昌.柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].天津大學(xué).2009.

[4] 趙琦等.低溫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響[J].柴油機(jī). 2003.34(2).