基于軟件仿真的發動機建模研究

金旭，王家峰，劉慧軍，杜憲峰

（遼寧工業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展速度很快，但是依然存在一些技術難關未得到突破，發動機依然是車輛的主要動力源。長期以來，對發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動機性能[1]。并且發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動機內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 公司研發的一款專門用來仿真模擬發動機工作的軟件，既可以對發動機進行穩態分析，亦可以進行發動機的瞬態分析，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 發動機仿真模型的搭建

2.1 模型框架的搭建

表1 為發動機的部分主要技術參數。首先根據發動機實際結構選出需要用到的仿真元件模塊，本文需要的元件有發動機、系統邊界、空濾器、渦輪增壓器、中冷器、容腔、氣缸、催化轉化器以及管道等。搭建成的模型框架如圖1 所示。

2.2 模型數據的輸入

首先，在Simulation/Control 中設置燃料類型、初始壓力和溫度條件、循環次數、計算步長等的全局參數。其次，基于發動機的真實結構參數以及實驗數據對每一個組成元件進行詳細的數據輸入，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，其主要輸入參數有三個：燃燒始點、燃燒持續期、形狀參數。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。燃燒持續期和形狀參數均根據經驗值進行初步選取，燃燒持續期一般隨著轉速的降低而降低，形狀參數一般為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，在運行任務中設置不同的case 條件，例如不同的轉速及其對應的噴油量等。

表1 發動機主要技術參數

圖1 發動機仿真模型

3 發動機模型驗證及調整

圖2 發動機瞬態扭矩

圖3 缸內壓力

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

表2 為轉速為2600rpm 時的發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 參數中的燃燒持續周期和形狀參數進行調整，最后得到合適的性能誤差。有時單一的調整Vibe 參數可能會達不到理想的誤差要求，此時就需要針對發動機詳細運行狀態進行具體分析及調整[3]。

表2 性能指標對比

表3 為調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 調整后的性能指標對比

分別對1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400rpm 的發動機轉速進行仿真模擬及參數調整，將信息匯總后得到的發動機不同轉速下的功率、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、額定功率等關鍵點誤差均小于3%，仿真較為成功。

圖4 不同轉速下功率對比

圖5 不同轉速下扭矩對比

圖6 不同轉速下BSFC 對比

4 結束語

本文基于AVLBOOST 軟件，結合某柴油發動機基本結構參數和實驗數據，搭建了該發動機仿真模型，描述搭建流程以及粗略的誤差調整方法。結果表明仿真模型精確度較高，滿足工程應用要求。本研究對發動機的設計與研發具有一定指導意義。