發(fā)動(dòng)機(jī)演示原型機(jī)到高級(jí)分析技術(shù)的實(shí)測(cè)分析

為了滿足制造商不斷降低成本，同時(shí)又符合世界各地不同監(jiān)管規(guī)定的需求，發(fā)動(dòng)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(jí)分析技術(shù)，各類供應(yīng)商都在不遺余力地推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。

圖為在高性能計(jì)算工具和TFM 工具的模擬下，一部壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)總監(jiān)Michael Franke表示：“對(duì)商用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，當(dāng)前正處在一個(gè)非常激動(dòng)人心的時(shí)期?！痹诿绹?guó)Tier4 Final 排放法規(guī)的要求下，開(kāi)發(fā)人員必須在更短的設(shè)計(jì)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(huì)，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(duì)激烈競(jìng)爭(zhēng)等長(zhǎng)期目標(biāo)上。

當(dāng)然，這種激動(dòng)人心的現(xiàn)狀也同時(shí)值得警惕，特別是在小型發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域?！鞍l(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域一直對(duì)成本非常敏感。如今，我們發(fā)現(xiàn)有很多國(guó)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(guó)市場(chǎng)?！盕ranke解釋說(shuō)，“中國(guó)和印度已經(jīng)開(kāi)始在公路車輛領(lǐng)域推行國(guó) 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(guò)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(guó)和歐洲非公路車輛發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域并不存在合規(guī)方面的困難。

最新出臺(tái)的歐五(Stage V) 標(biāo)準(zhǔn)也將帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)于高于37 kW 的大功率發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)。歐五標(biāo)準(zhǔn)明確對(duì)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(méi)有的。Franke預(yù)測(cè)，發(fā)動(dòng)機(jī)廠商可能必須借助顆粒過(guò)濾器才能達(dá)到相應(yīng)要求。

通常來(lái)講，非公路車輛的內(nèi)部空間非常有限，因此加裝顆粒過(guò)濾器并非易事，可能需要使用SCR（選擇性催化還原）涂層過(guò)濾器。Franke 還提及在歐五標(biāo)準(zhǔn)下，37 kW 以下發(fā)動(dòng)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(guò)濾器。

混合采用多種技術(shù)可以幫助廠商應(yīng)對(duì)合規(guī)挑戰(zhàn)，“不過(guò)具體能帶來(lái)多大幫助，仍取決于應(yīng)用何種技術(shù)?！?Franke 表示，“未來(lái)汽車行業(yè)對(duì)模塊化發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)的需求將日益增長(zhǎng)，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(dòng)機(jī)核心組件不變的情況下，發(fā)揮混動(dòng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。”

為了促進(jìn)行業(yè)對(duì)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(kāi)發(fā)了模塊化發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力總成架構(gòu)，還可以通過(guò)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(dòng)機(jī)小型化設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(méi)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(dòng)機(jī)的成本很容易失控。在此背景下，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商必須通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，滿足不同應(yīng)用和市場(chǎng)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(shuō)：“IAV 公司有一套基于型號(hào)的開(kāi)發(fā)方法，可以降低測(cè)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(dòng)機(jī)保護(hù)或虛擬排放循環(huán)等昂貴開(kāi)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(dòng)力學(xué)工具。Velodyn 可以與 Gamma Technologies 公司的 GT Power 發(fā)動(dòng)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(cè)試設(shè)備。

Delebinski 強(qiáng)調(diào)，IAV 公司非常擅長(zhǎng)排放、OBD（車載診斷）和預(yù)測(cè)性高級(jí)診斷方面的控制與校準(zhǔn)。他解釋說(shuō)：“比如，我們會(huì)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(huì)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(shuō)法，數(shù)據(jù)非常重要，而如今的數(shù)據(jù)訪問(wèn)將更加方便，內(nèi)容也越來(lái)越豐富。Delebinski說(shuō)：“這樣一來(lái)，我們就可以通過(guò)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集，縮短測(cè)試和驗(yàn)證的所需時(shí)間?！贝送猓绻鎸?shí)世界測(cè)試開(kāi)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(shí)也將迎來(lái)更多機(jī)會(huì)。

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

工具和擁有成本

在評(píng)估系統(tǒng)工程，特別是總擁有成本時(shí)，我們必須顧及更多方面。Dassault Systemes 交通運(yùn)輸與移動(dòng)出行總監(jiān)Jonathan Dutton解釋說(shuō)：“我們會(huì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(shuō)，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(guò)具體要求有一些不同而已?！迸e個(gè)例子，這種差異可能僅體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載方面。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，公路車輛的發(fā)動(dòng)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(kāi)始提升時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷劇烈變化。Dutton說(shuō)：“然而，公路和非公路車輛在開(kāi)發(fā)過(guò)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(jì) (Design of Experiments) ”數(shù)學(xué)解決方案的優(yōu)化和分析工具；針對(duì)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(dòng)機(jī)需求和設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)。

Dassault 公司將自己的應(yīng)用平臺(tái)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(guò)程，才能開(kāi)始了解發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，需要借助CAD設(shè)計(jì)、機(jī)械仿真、控制和系統(tǒng)仿真及鑄造和裝配等各個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，才能獲得對(duì)成本和使用體驗(yàn)的全面認(rèn)識(shí)。

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(jì)，從而滿足產(chǎn)品在性能、運(yùn)營(yíng)成本和制造成本等方面的多項(xiàng)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)?！?/p>

AVL 公司通過(guò)關(guān)聯(lián)模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)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(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)中的其他工程問(wèn)題并不會(huì)因此消失，甚至還可能變的更嚴(yán)重。AVL公司高級(jí)技術(shù)專家 Michael DeJack舉了一個(gè)很好的例子，比如如何解決低周疲勞的問(wèn)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(wèn)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(dòng)機(jī)的耐久性面臨前所未有的挑戰(zhàn)?！安粩嗵岣叩呐欧艠?biāo)準(zhǔn)，將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)提出更高要求，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸需要承受更高的壓力和溫度?！盌eJack解釋說(shuō)，而這均將對(duì)發(fā)動(dòng)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(guò)程中的高周疲勞相比，熱機(jī)械疲勞主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)從啟動(dòng)到熄火整個(gè)過(guò)程中的低周循環(huán)加熱與冷卻。

與任何其他工程設(shè)計(jì)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?lái)增加強(qiáng)度，但同時(shí)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(jì)的更薄?！?DeJack說(shuō)，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(duì)復(fù)雜材料行為的有限元模型應(yīng)用，對(duì)這些材料進(jìn)行評(píng)估并不容易。

如果說(shuō)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(huì)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(kāi)發(fā)和校準(zhǔn)了一個(gè)高級(jí)材料模型庫(kù)。”除了對(duì)材料的黏塑性進(jìn)行建模，AVL 公司還開(kāi)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(shí)間。

事實(shí)上，AVL公司圍繞 Abaqus 及其他商業(yè)工具開(kāi)發(fā)了大量 iCAE 工具箱，低周疲勞分析只是其中一種。他說(shuō)：“這實(shí)際上如同是一個(gè)知識(shí)庫(kù)，我們可以從中查詢數(shù)百個(gè)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)工具和 Excite 動(dòng)力學(xué)工具?！?/p>

達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes）的 V6 發(fā)動(dòng)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(shí)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(lái)說(shuō)，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(dòng)機(jī)的整體排放水平和燃料經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)巨大影響。根據(jù)美國(guó)阿崗國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ANL) 組長(zhǎng)兼首席計(jì)算科學(xué)家Sibendu Som 博士的說(shuō)法，這些細(xì)節(jié)部分的模擬將產(chǎn)生大量計(jì)算量。正因如此，ANL實(shí)驗(yàn)室的高性能超級(jí)計(jì)算中心仍然是大量發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)商所依賴的重要資源，包括重型發(fā)動(dòng)機(jī)和非公路車輛發(fā)動(dòng)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(dòng)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(kāi)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(xiàng)挑戰(zhàn)在于了解缸內(nèi)燃燒的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。通常來(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)于復(fù)雜，因此工程師通常會(huì)特制一種僅含70 到 80 種成分的模型燃料，來(lái)替代成分復(fù)雜的真實(shí)燃料。通常來(lái)說(shuō)，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(wú)法模擬顆粒物或煙塵的形成。然而，隨著人們對(duì)煙塵帶來(lái)的健康影響有了更多了解，這已經(jīng)成為了一個(gè)重要研究領(lǐng)域。

不過(guò)，隨著ANL 公司 Tabulated Flamelet Model (TFM) 工具的推出，這一問(wèn)題將得到改善。TFM 可以對(duì)煙塵行為進(jìn)行更好的建模，并對(duì)OEM一直關(guān)注的發(fā)動(dòng)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(jì)算時(shí)間，即可對(duì)組成高達(dá) 5000 種化學(xué)成分的真實(shí)燃料進(jìn)行建模。”事實(shí)證明，這可能會(huì)給燃料高保真模擬領(lǐng)域帶來(lái)重要突破。

了解瞬態(tài)工況離不開(kāi)動(dòng)態(tài)油耗測(cè)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(cè)極限范圍，還能優(yōu)化響應(yīng)時(shí)間。

實(shí)時(shí)油耗測(cè)量

如今非公路車輛的油耗非常巨大，讓整個(gè)行業(yè)都非?？鄲?。油耗可以會(huì)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(guò)濾器煙灰累積等各種問(wèn)題。IAV公司設(shè)計(jì)和整合業(yè)務(wù)部門主管 Robert Dolan解釋說(shuō)：“煙灰累積對(duì)后處理設(shè)備來(lái)說(shuō)是個(gè)大問(wèn)題。”

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(guò)IAV 公司的 FOCAS 測(cè)量系統(tǒng)可能給汽車行業(yè)帶來(lái)了一種全新解決方案，即采用質(zhì)譜分析技術(shù)來(lái)測(cè)量任何氣體中的石油含量。

Dolan 解釋說(shuō)：“我們可以對(duì)各個(gè)種類的氣流進(jìn)行測(cè)試，包括排氣、漏氣、氣缸間的氣體交換，并可通過(guò)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(shuō)的“排干稱重”的老方法，也就是在測(cè)試前后仔細(xì)測(cè)量燃油的質(zhì)量，從而確定燃燒過(guò)程中的消耗量，進(jìn)而得出燃耗數(shù)據(jù)。這種辦法僅能測(cè)量總?cè)己?，而且受測(cè)試循環(huán)的影響很大。Dolan稱，采用老方法測(cè)試可能需要持續(xù)幾周，甚至長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的時(shí)間。

Dolan 說(shuō)，“如今，在FOCUS 系統(tǒng)的幫助下，我們僅需幾天時(shí)間即可在測(cè)試單元或底盤平臺(tái)上完成全部的油耗測(cè)量。”通過(guò)將測(cè)試搬到真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)測(cè)試循環(huán)過(guò)程中，“我們可以大幅度縮短測(cè)量時(shí)間，為客戶提供更多的幫助。”

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(huì)與預(yù)測(cè)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(shí)系統(tǒng)，我們得以完整重現(xiàn)客戶車輛的獨(dú)特瞬時(shí)狀態(tài)和負(fù)載條件，從而獲得一些新的認(rèn)識(shí) ——例如，在瞬態(tài)工況中，校準(zhǔn)可能會(huì)無(wú)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(cè)試臺(tái)架或測(cè)功機(jī)中，但未來(lái)將更多參與真實(shí)工況下的現(xiàn)場(chǎng)油耗測(cè)試。目前，IAV公司正在與一家客戶合作，進(jìn)行概念驗(yàn)證。