（动力机械及工程专业论文）基于虚拟设计的车用四气门汽油机工作过程研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：知炳锋签字日期2 州年彳月才日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名_ 似酾锋 签字日期：孙以年月垆日 导师签名： 协弓 i 签字日期：卵占年易月；d 日 第一章绪论 第一章绪论 本章概述了我国车用汽油机的市场及技术现状，介绍了现代发动机工作过程 的研究方法及虚拟技术在发动机设计研究中的应用，阐述了本论文研究的意义和 研究方法，并给出了本文研究的主要内容及安排。 1 1 车用汽油机市场及技术现状 我国的汽车产业正处于快速发展的黄金时期，尤其是进入w t o 以来，我国汽 车行业的发展受到了世界的瞩目。2 0 0 3 年中国汽车产量已经达到世界排名第四 位，2 0 0 5 年汽车年产量达到5 7 0 7 7 万量，其中乘用车已达到3 9 3 0 7 万辆，并 仍以两位数的年增长率快速发展。具权威部门预测，到2 0 1 0 年我国汽车产量将 突破1 0 0 0 万辆，如图1 - i 所示。根据我国汽车产业 发展政策的规划目标，在 2 0 1 0 年前，要使我国汽 车产业发展成为国民经 济的支柱产业，使我国成 为世界主要汽车制造国， 汽车产品满足国内市场 大部分需求并批量进入 国际市场l j j 。 图1 1 近年我国汽车年产量及预测 匾爵司 l ! 垂旦兰i 我国汽车产业持续健康发展的关键是要形成产品创新能力和自主开发能力。 2 0 0 5 年我国发布了国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) ， 确定了“自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来”的指导方针，提出了建设 创新型国家的总体目标，其中自主创新是科技发展指导方针的核心。目前，我国 科技的总体水平同世界先进水平相比仍有较大差距，主要表现在关键技术自给率 低，自主创新能力不强，产业技术的一些关键领域存在着较大的对外技术依赖， 不少高技术含量和高附加值产品主要依赖进口。而真正的核心技术、关键技术是 买不来的，必须依靠自主创新，掌握核心技术的自主知识产权，是提高我国产业 竞争力的突破口。具体到我国的汽车产业，当前许多核心技术都掌控在国外跨国 公司手中，特别是汽车的核心技术发动机总成，缺少具有独立自主知识产权的车 用发动机已成为我国汽车产业发展的瓶颈。发动机作为汽车的心脏，其技术水平 直接影响着整车的性能，尤其是在节能和环保越来越被人们重视的今天，具备高 第一章绪论 性能车用发动机的自主开发能力是汽车行业发展的关键。 在我国，汽油机由于升功率高、体积小、重量轻、振动和噪声低等优点一直 是乘用车的传统动力。近年来，现代车用汽油机技术日新月异，多气f - i f 2 1 与双顶 置凸轮轴( d o h c ) t 3 1 、电控喷射【4 】、电控e g r i s l 、电子节气门阎、涡轮增压【刀、缸 内直喷( g d i ) 【8 】与稀薄燃烧1 9 】、分层充气稀薄预混合燃烧( m p f i ) 【1 0 1 、可变进气 正时( 丌) i n 、可变气门升程( v t e c ) 1 1 2 1 埘、可变压缩比【1 4 1 、汽油h c c i 旧、 混合动力l l6 】等新技术越来越广泛的应用于现代车用汽油机上。这些先进技术的 采用使车用汽油机日臻完善，性能更加优异，排放污染更小。相对于国际先进水 平，我国的车用汽油机技术水平相对比较落后，目前中高档轿车上配用的发动机 都为随整车一同引进的进口发动机，自主品牌的汽车可配套的发动机很少，量大 面广的汽油机动力为4 9 2 、4 9 1 汽油机，由于技术水平落后，油耗高，排放指标 达不到要求，随着排放法规的日益严格，急需新一代替代产品。 我国已于2 0 0 4 年7 月1 日起实施轻型汽车污染物排放限值及测量方法 ( ) ( g b l 8 3 5 2 2 - - 2 0 0 1 ) ) ，即中国轻型汽车号摊放标准，对国产发动机的技 术改进起到了积极的促进作用。国家环保总局于2 0 0 5 年4 月2 7 日发布了轻型 汽车污染物排放限值及测量方法( 中国、阶段) ( g b1 8 3 5 2 3 - 2 0 0 5 ) ，即 中国轻型汽车、号排放标准，其中，轻型汽车m 号排放标准自2 0 0 7 年7 月 1 日起实施，北京已于2 0 0 5 年1 2 月3 0 日提前实施，号排放标准自2 0 1 0 年7 月1 日起实施，而北京将于2 0 0 8 年提前实施，实现与欧洲接轨乘用车燃油消 耗量限值( 6 8 1 9 5 7 8 - 2 0 0 4 ) 也已经正式颁布并于2 0 0 5 年7 月1 日起实施。以装 用汽油机的第一类轻型汽车为例，各阶段排放法规定的实施日期及排放限值如图 1 2 所示。表1 - 1 给出了我国和欧洲排放法规实施日期的对比情况，新颁布的i 、 号排放标准虽然距国际先进水平仍有很大的差距，在实施时间方面比欧洲晚了 ， y 3 趔 匿 辎 蠢 c o n o x + h ch cn o x ， | | 实施日期( 年) 图1 2 装用汽油机的轻型汽车( 第一类车) i 型试验排放限值 1 3 第一章绪论 5 - 7 年，但标志着我国对机动车污染物排放控制和性能指标的要求提出了更高的 要求。 表1 - 1 欧洲和中国排放法规实施日期对比 i 第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段 l欧洲 1 9 9 21 9 9 5 1 02 0 0 0 2 0 0 5 l 中国 2 0 0 1 42 0 0 4 72 0 0 7 72 0 1 0 7 鉴于我国车用汽油机技术和市场现状，为了满足快速发展的汽车性能和排放 法规的要求，研发具有自主知识产权的环保、节能、高技术含量的新一代车用汽 油机已势在必行。 1 2 发动机工作过程研究方法与现状 在新一代车用汽油机的自主开发过程中，必须突破节能排放、噪声振动以及 结构设计三大技术难题，其中发动机工作过程的设计和研究是最重要的环节之 一。工作过程与发动机的主要工作特性如功率、油耗和排放以及零部件的机械和 热负荷、噪声、振动等直接而紧密的相互耦合，以致欲改进和完善发动机的总体 性能和某些局部特性，都必须首先在工作过程的改进和优化方面下功夫。发动机 工作过程研究主要包括气道及缸内流场的研究以及燃烧过程的研究等方面，是内 燃机研究领域的前沿课题之一。近年来，随着科学测量手段的不断提高和计算流 体力学的迅速发展，工作过程的研究方法更加丰富，常用的研究方法主要有以下 几种： 1 2 ，1 激光诊断 由于内燃机缸内流场和燃烧的复杂性和瞬变性，要求研究工作过程的测量方 法不仅要具有一定的精度，而且要有很高的时空分辨率。激光诊断作为一种蓬勃 发展的光学测量方法，为内燃机缸内流场的测量和燃烧过程的研究提供了一种非 常有效的测试手段。自8 0 年代初以来，激光测试技术已逐步取代传统的热线风 速仪测速等方法，进入了实用阶段，已经能够定量地测量出缸内的速度场、温度 场、浓度场和火焰传播过程，并可以提供实时的、高空间分辨率的测量结果i 】7 1 。 激光诊断技术在内燃机缸内流场测量中的应用主要包括激光多普勒测速技 术( l d v ) f l s l 、粒子图像测速技术0 a l v ) 、粒子条纹测速法0 , s v ) 、粒子轨迹测速 法( p t 、厂) 1 2 0 】和激光斑点测速法( l s v ) 等：在燃烧过程光学诊断中的应用包括激光 第一章绪论 全息摄影技术和激光光谱方法等，激光光谱方法又包括激光诱导荧光法 ( l i p ) 2 1 1 1 2 2 1 、双色法、吸收光谱法( a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o w ) 、喇曼散射光谱法 ( r a m a l is c a t t e r i n gs p e c t r o s c o p y ) 、相干斯托克斯光谱法( c a r s ) 等。另外，用于 发动机工作过程研究的其它激光诊断技术还有激光c t 技术、激光散斑测速技术 s v ) 、同步双成像高速摄影技术等田】。 内燃机工作过程的激光测量是了解缸内状况最直接的手段，为工作过程的研 究提供了大量的试验数据。但由于内燃机本身结构复杂，工作时缸内温度高，压 力和振动大，且又是瞬时多变的，工作环境十分恶劣，因此要对缸内流动和燃烧 过程进行完整、全面、精确的测量，激光测试手段本身的研究与发展仍需进一步 完善。 激光诊断技术总体上具有设备昂贵、试验准备复杂、对试验者水平要求高、 试验数据处理难度大、试验结果不确定性因素多等缺点，所以主要应用于内燃机 的基础理论研究工作中，其研究成果加深和丰富了我们对内燃机缸内流场的认 识。而在新机型开发的过程中，尤其是在无法获得样机的概念设计阶段，针对各 种方案逐一进行激光诊断研究是不可能的，因此必须采用其它的方法研究发动机 工作过程。 1 2 2 气道稳流试验 气道稳流试验是用来研究内燃机气道性能的重要方法，在众多的气道及缸内 流场研究方法中，其成本最低、测试工作简单、试验结果具有较高可比性。气道 稳流试验台主要由抽气机、稳压箱、模拟缸套、叶片风速仪或涡流动量计、流量 计等组成。抽气机吸气，使稳压箱和气道进气口之间产生压差，模拟缸套内气体 的宏观运动被叶片风速仪或涡流动量计测得，换算得到涡流或滚流比，表征缸内 流动强度；气体流经气道的流量或压力降在试验缸筒中测出，转换为流量系数， 表征气道进气阻力。r i c a r d o 2 4 】和a v l 公司【2 5 】较早采用气道稳流试验台对内燃机 缸内流场进行研究，并推导了各自的计算公式。 应当指出，由于试验条件与发动机实际迸气过程差别很大，气道稳流试验的 结果只具有自身相对比较的价值，并不代表发动机缸内进气终了的实际情况，更 不是对混合气形成和燃烧起决定性作用的压缩终点的情况。但是，在长期实践中 证实，二者之间存在着对应的关系，即稳流试验台测得的涡流或滚流比越大，压 缩终点燃烧室内的涡流或滚流越强；稳流试验台测得的流量系数越大，发动机的 充量系数越高，泵吸损失越小。所以气道稳流试验台在发动机缸内流场的研究中， 尤其在新机型的开发过程中，仍具有不可替代的地位，是目前发动机行业最常用 的综合评价气道流动特性的试验装置。 第一章绪论 1 2 3 数值模拟 对内燃机工作过程进行数值模拟已经有三十多年的历史了。七十年代， d i w a k e r 、b o n i 等人就开始计算缸内的二维流场，进入八十年代，随着测试技术 的发展，尤其是激光测试技术的应用，人们对内燃机缸内流场的变化规律有了更 深入的了解，而计算机技术、计算流体力学、传热传质学等相关学科的进步，又 为建立适当的内燃机计算模型提供了有力的工具。因此近年来多维数值模拟技术 发展得很快，在湍流模型的应用、网格的生成、数值方程的离散化和方程组的解 法等方面都得到了很大的进展，已成为理解发动机工作过程的有力工具1 2 “3 0 目前比较有代表性的内燃机三维数值模拟计算程序主要有：奥地利a w l 公司 的f i r e 、英国r i e a r d o 公司的v e c t i s 、英国帝国理工学院的p h o e n i c s 、美国 l o s a l a m o s 国家实验室的k i y a 以及f l u e n t 、s t a r - c d 、f i d a p 、p o w e r f l o w 、s c r y u 、 c f x 一5 等商用计算程序。这些软件各有千秋，大部分软件在专业人员使用下，其 模拟计算误差可以控制在1 5 以内。据一位日本学者的计算比较，在使用最优化 网格的情况下，f i r e 、s t a r c d 、f i d a p 等软件缸内流动模拟结果的误差可以控 制在3 以内。 国内数值模拟技术也取得了长足的进步。早在1 9 9 1 年，天津大学李康博士 就对柴油机燃烧室结构对流场的影响进行了模拟计算l j l j ；吉林工业大学孙济美 教授等人开发了微机版的内燃机缸内多维流体模拟计算程序s u n 一1l 弼，该程序 基本实现了k i v a 一的功能，其计算精度及使用方便性与k i v 卜i i 程序基本相同； 天津大学国家燃烧学重点试验室的刘书亮教授指导学生，以激光测试技术为基 础，利用k i v a 进行模拟计算，研究多气门汽油机的缸内流场，积累了丰富的经验 3 3 1 卅；无锡油泵油嘴研究所的夏兴兰博士应用s t a r - c d 软件对一实际柴油机产品 进气道中的气体流动过程进行了三维数值稳态模拟，根据柴油整机特性要求和模 拟计算结果对该气道结构进行了改进，改进后的气道能使发动机排放性能满足欧 i 排放标准i j ”。 总的来说，国内目前对发动机工作过程的模拟主要集中在对流场及燃烧机理 的研究方面，而将模拟计算结果直接应用于产品开发与改进中的研究很少，对缸 内状况进行三维动态数值模拟的研究与应用更少。这主要是因为内燃机是一种复 杂的动力装置，简化的几何模型和边界条件的模拟结果对内燃机性能改善的指导 作用大大降低。所以对发动机工作过程进行三维动态数值模拟时。在网格生成策 略、边界条件设定、解算方法等方面还需解决诸多问题。 1 2 4 发动机性能与排放试验 发动机性能与排放试验是最传统的检验发动机性能的方法，也是认定发动机 第一章绪论 性能优劣的最终方法。尽管对于新产品开发而言，只有在设计、试制等环节完成 后才有可能进行发动机试验，在此之前，通过虚拟设计和数值仿真可以达掰预测 发动机性能的目的。但虚拟设计和数值仿真不能完全取代相关试验，仿真的精确 程度取决于模型与实际发动机的接近程度，而模型的一些边界条件需要从试验中 获得，仿真的结果最终也需要通过试验验证。因此作为对设计结果的最终检验， 发动机试验仍具有不可替代的作用。 1 3 虚拟技术在发动机设计研究中的应用 传统的“图板+ 经验+ 发动机台架”的设计方法由于设计周期长、开发成本 高，已经难以适应目前市场对产品多样化和快节奏的要求。随着上世纪末信息技 术革命的到来，新理论、新方法、新技术不断涌现，尤其是计算机技术得到了迅 猛的发展，计算更精确、成本更低的数值计算方法的出现，图形界面更友好的 c a d 技术和各种专业技术核心软件的开发利用，为发动机虚拟设计创造了技术 上的可能性。同时，计算机软、硬件技术的巨大进步和相关基础理论研究，如有 限元分析( f e a ) 、计算流体力学( c f d ) 等的飞速发展，为计算机辅助分析( c a e ) 的发展和应用提供了必要的前提条件和坚实的理论基础。在虚拟设计当中，发动 机设计人员应用比较精确的分析计算方法逐步取代传统的经验设计与粗略估算， 从而提高设计的精度和效率，缩短产品开发周期。所以，从上个世纪九十年代起， 世界各大内燃机技术公司与研究机构相继推出了其基于发动机虚拟设计思路的 软件，如a v l 、r i c a r d o 等都建立了自己的商业化发动机虚拟设计分析系统，世界 各大汽车公司的发动机设计部门也把虚拟设计的思路应用到新产品的开发当中 。 以计算流体力学( c f d ) 为基础的发动机工作过程数值模拟分析是发动机虚 拟设计的重要内容，已成为发动机开发的重要辅助手段。对于上节所述发动机工 作过程的研究方法，在发动机新产品开发过程中，有些方法的使用受到一定的限 制。发动机缸内流场及燃烧过程的激光诊断方法，虽然可以获得部分参数，但需 要极为复杂的试验条件，在发动机开发的初始阶段，在没有样机的情况下，激光 测量及台架试验都还无法实施，相对来说基于虚拟技术的发动机工作过程仿真研 究方法提供了一种估计发动机性能参数的低成本方法，在新产品开发过程中应用 更为广泛。正是基于这种共识，欧洲著名的发动机研究机构纷纷加快了发动机工 作过程模拟研究工作的步伐，如a v l 的虚拟设计软件包中，包含了b o o s t ( 发动 机性能一维模拟) 和f i r e ( 发动机性能三维模拟) 两个工作过程模拟模块，r i e a r d o 也有相应的软件w a v e 和v e c t i s 等。 第一章绪论 虚拟技术应用于发动机工作过程的研究主要包含气道及缸内流场模拟和燃 烧模拟两部分。根据模拟的目的不同，在建模、设置等方面也有不同的侧重。在 以研究流动及燃烧机理为目的模拟过程中，通常建模时将结构要素进行大量的简 化，侧重考虑不同边界条件和选用不同流动和燃烧模型的情况下，从流场和燃烧 的机理方面发现新问题；而在以指导设计为目的的模拟研究中，结构要素则成为 重要的因素，模拟的思路是对结构尽量少做简化，侧重研究结构参数对流场及燃 烧的影响，以期达到指导设计的作用。 就本文进行的车用四气门汽油机工作过程研究而言，虚拟技术就是在专业软 件平台上建立缸内流场及燃烧的详细三维数学模型并对其进行数值计算，以分析 发动机结构对工作过程的影响，从而达到预测与优化发动机工作过程并用于指导 发动机结构设计的目的。虚拟设计为结构的设计与改进提供理论依据，这将有益 于缩短气道、燃烧室等影响发动机性能的重要结构的开发周期，提高设计质量和 整机性能。本文涉及的目标发动机开发项目从立项至完成产品鉴定，历时仅两年， 是运用虚拟设计方法缩短开发周期的一个成功范例。 近年来，相关的专业分析软件如s t a r - c d 、f i r e 等的应用使虚拟技术核心 的仿真分析功能得到专业技术支持，试验测试技术的发展使虚拟技术的可靠性得 到补充和验证，同时，内燃机流动及燃烧理论的发展在数值模拟与试验研究之间 架起了沟通的桥梁，有关内燃机流动及燃烧分析的经验公式的总结与修正进一步 提高了数值模拟的精度。所有这些使发动机虚拟仿真的精度和可信性大幅度提 高，使基于虚拟技术的仿真研究方法在发动机工作过程研究中具有越来越重要的 地位。 1 4 论文研究的意义 针对我国当前车用汽油机市场及技术现状，本论文研究的意义主要有以下几 点： l 、当前我国现有车用汽油机技术水平较为落后，已成为快速发展的汽车产 业的瓶颈。在此背景下，开发具有自主知识产权的新一代高水平车用汽油机具有 重大的工程价值和社会价值。 2 、当前我国车用发动机市场上的主导机型仍是多点电喷的汽油发动机。近 年来，柴油机、新型燃烧系统如h c c l 领域的研究十分活跃，而对我国量大面广 的多点电喷汽油发动机的研究却日益减少。究其原因，主要是由于汽油机的研究 开展的较早，目前很多关于汽油机的技术已被认为较为成熟。但随着技术的发展， 尤其是计算机模拟技术的飞速发展，新方法新手段的不断涌现，对传统问题采用 第一章绪论 新方法研究将会获得很大的收获。本文以多点电喷的汽油发动机作为研究对象， 具有重要的工程实际意义，其研究方法可以推广到其它类型的汽油发动机和柴油 机的工作过程研究和开发上。 3 、本文采用的基于虚拟设计的发动机工作过程仿真研究与气道稳流试验及 发动机性能试验相结合的研究方法，可以在新产品开发的初级阶段得到最优化方 案，从而缩短产品开发周期，降低开发成本。 4 、在发动机概念设计、系统设计以及零部件设计等开发流程中，通过仿真 研究和试验验证，找出车用四气门汽油机工作过程的一般规律，并逐渐形成数据 库，有利于实现高性能车用汽油机系列产品的自主开发。 1 5 本文的研究内容与安排 发动机工作过程虚拟设计方法正成为现代发动机设计的重要方向，由于内燃 机结构的复杂性以及分析计算条件的限制，早期的研究多采用试验的方法进行。 本文以虚拟设计的方法对发动机工作过程进行深入研究，分析结构及流场参数对 燃烧的影响，得到了能够指导设计的结论。研究以本人所在的天津内燃杌研究所 为江淮汽车股份有限公司开发的2 4 l 和2 2 l 两款车用四气门汽油机作为目标发 动机进行，首先对2 4 l 自然吸气汽油机进行虚拟设计及试验验证，然后将经过 验证的虚拟设计方法进一步应用于2 2 l 增压中冷汽油机上。论文主要包括以下 几章内容； 第一章，绪论。概述论文研究的市场背景和技术背景，分析虚拟技术在内燃 机工作过程研究中应用的必要性和可行性；给出本论文研究的意义、内容和安排。 第二章，基于虚拟技术的内燃机工作过程研究方法。介绍虚拟样机的概念、 内涵和构成，给出流场及燃烧模拟的基本理论，并介绍本文虚拟设计的仿真平台 和仿真研究流程，给出参考样机的基本参数和设计目标值，分析影响性能的关键 结构参数，提出虚拟设计的基本研究方案。 第三章，气道及缸内流场的静态模拟及气道稳流试验研究对2 4 l 汽油机 气道及缸内流场进行静态数值模拟分析与气道稳流试验研究，比较两种气道的滚 流强度和流量系数，初步确定气道的最佳方案，并通过模拟与试验结果对比分析 验证所选用的湍流模型的正确性。 第四章，气道及缸内流场的三维动态模拟研究。针对动态模拟的技术难点， 应用基于模板的动网格生成技术，进一步对2 4 l 汽油机缸内流场进行三维动态 模拟，揭示四气门车用汽油机在实际工作状态下缸内流场的孕育形成与发展演变 的特殊规律；对不同方案的模拟结果进行相对比较，研究发动机结构参数对缸内 第一章绪论 流场的影响。 第五章，燃烧过程的三维动态模拟研究。对2 4 l 汽油机各设计方案在实际 工作状况下的燃烧过程进行模拟，预测各组分在缸内的分布、不同曲轴转角下的 温度、压力、湍动能、n o x 排放量等参数，并求出示功图，根据汽油机燃烧理 论，分析燃烧模拟结果，确定用于样机试制的最优化方案。 第六章，样机试制及整机试验研究。按照虚拟设计过程中确定的最佳方案对 2 4 l 汽油机进行样机试制，确定发动机控制策略，对发动机进行试验标定。对 样机进行示功图测试，并与模拟结果相比较，验证仿真结果的正确性。对样机进 行详细的整机性能和排放试验，包括磨合试验、外特性试验、负荷特性试验、万 有特性试验、活塞漏气量、机油耗测试及配车排放等试验，充分验证本目标发动 机在经济性，动力性、制造及排放指标等方面的水平。 第七章，将经过试验验证的虚拟设计方法应用到在2 4 l 汽油机基础上进行 强化设计的2 2 l 增压中冷汽油机上，通过对比分析两种发动机的流场及燃烧模 拟情况，快速获得最佳设计方案，得到强化后的更加卓越的性能指标。 第八章，全文总结及展望。给出本文的主要结论和创新点，分析研究工作中 存在的问题，并对进一步的研究前景进行了展望。 第二章基于虚拟技术的内燃机工作过程研究方法 第二章基于虚拟技术的内燃机工作过程研究方法 随着技术的进步和市场竞争的加剧，产品的复杂程度日益提高，法规和环保 的要求日益严格，但是产品生命周期却日益缩短，成本要求日益缩减，产品开发 周期和成本成为企业核心竞争力的重要因素。在这种形势下，传统的产品设计方 法已经很难满足企业当前生存和发展的需要。随着现代计算机仿真技术的发展， 虚拟设计( v l m m ld e s i g n ，v d ) 技术的兴起为解决这些问题提供了新的方法。 在设计初期，可直接在虚拟环境( 计算机环境) 中创建产品模型，即虚拟样机 ( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ，v p ) ，并将其置于虚拟环境中进行试验。这样可以使产品 的结构和性能得到模拟，以便在最初的设计阶段就能做出前瞻性的决策并获得优 化设计方案l j 7 1 。 本文即采用虚拟设计方法研究车用四气门汽油机的工作过程，本章介绍内然 机虚拟设计技术的基本概念以及内燃机流场及燃烧模拟的基本理论，并给出了本 文参考样机的基本参数以及虚拟设计的基本方案。 2 1 内燃机设计过程中的虚拟样机 在内燃机的传统设计过程中，由于在前期设计阶段缺乏试验用的样机，长期 以来，内燃机的概念设计过程基本上依靠经验估计，只能做一些粗略的原则性考 虑。为了获得较好的发动机性能，常常需要经历多次包括试制、试验、修改的反 复过程，使设计周期加长，成本升高。随着现代内燃机设计理论的发展及计算水 平的不断提高，使得发动机的分析和设计工作，有可能从经验估计上升到理论计 算、动态设计的阶段。也就是说不但可以逐步解决工作中出现的各种问题，而且 在设计阶段就可以对发动机的结构和性能进行理论分析和动态优化，内燃机设计 过程中的虚拟样机技术就是在这种背景下产生的。 2 1 1 虚拟样机技术概述 虚拟样机技术就是在虚拟的条件下，对产品进行构思、设计、制造、测试和 分析，它的显著特点之一就是利用存储在计算机内部的数字化模型虚拟产品 来代替实际物体模型进行仿真、分析，从而提高产品在时间、质量、成本、服务 和环境等多目标中的决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的目的。 虚拟样机技术是在c a x ( 如c a d 、c a m 、c a e 等) 技术基础上发展而来 的，它迸一步融合了先进建模仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和 第二章基于虚拟技术的内燃机工作过程研究方法 现代管理技术，将这些技术应用于复杂系统的全生命周期，并对它们进行综合管 理。利用虚拟样机可代替物理样机对产品进行创新设计和评估，缩短开发周期， 降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。 虚拟样机技术的开发与实施涉及许多关键技术与相关研究领域，如系统总体 技术、建模仿真技术、虚拟现实技术、模型校验、 验证和确认技术、支撑平台框架技术等。其核心 是工程设计、建榭仿真和v r 同视化这三类技术 的集成技术，如图2 1 所示。 值得注意的是，虚拟技术以虚拟样机为核 心，但并不排斥物理样机。虚拟产品开发应该是 虚拟样机与物理样机相结合的开发流程，并且随 着虚拟技术应用水平的提高，物理样机的数量不 图2 - 1 虚拟样机技术的构成 断减少，虚拟样机的数量和水平不断提高，设计 评判的依据不断由物理样机的试验数据向虚拟样机的仿真数据转移。 针对发动机的设计过程而言，虚拟样机包括很多方面内容，如零件建模、虚 拟装配、流动分析、燃烧模拟、有限元分析、运动仿真等，其中发动机工作过程 的虚拟设计是其中最重要也是难度最大的部分。 2 1 2 发动机工作过程虚拟样机 本文基于工作过程虚拟样 机的发动机开发流程如图2 2 所示。首先对不同结构参数的样 机进行三维建模以及生成计算 网格等c f d 计算的前处理过 程；接下来进行缸内流场的静态 模拟并与气道稳流试验结果相 比较，主要是研究气道的性能并 验证所选湍流模型的准确性和 有效性；然后再进行缸内流场的 三维动态模拟，获得流场的详细 信息；最后进行燃烧模拟以预测 发动机性能、排放指标，优选出 最优化的方案进行样机试制并 试验，以快速达到设计目标值。 匡圃匝亟匿固 i 流场静态模拟ll 气道稳流试验l i- 图2 - 2 工作过程虚拟研究流程 卤 第二章基于虚拟技术的内燃机工作过程研究方法 内燃机缸内的流动和燃烧过程在各种燃烧装置中最为复杂。内燃机的工作过 程是强瞬变的，工质具有强压缩性，缸内同时存在涡流、滚流、挤流等多种大尺 度运动和微涡团的湍流运动，且两者之间密切耦合并相互作用，燃烧室具有各种 不同的复杂几何形状，气门的周期性开闭和活塞的往复运动还构成了瞬态的运动 边界条件。这些特点使得发动机工作过程的数值模拟除了以计算流体力学和计算 燃烧学的通用理论和方法为基础以外，还必须建立和发展其独特的模型、方法和 技巧。 2 2 发动机流场及燃烧模拟的基本理论 发动机流场及燃烧过程的数值模拟是根据化学流体力学的基本原理，用一系 列经典的守恒偏微分方程描述气道及缸内的流场结构及燃烧过程，并利用数值计 算方法对这组方程在特定边界条件下进行数值求解，以获得缸内流场及燃烧过程 的详尽信息，如缸内充量的速度、温度、浓度、压力和各组分的分布，并预测发 动机的性能和排放。 2 2 1 流场及燃烧模拟的基本方程 内燃机流场及燃烧过程多维数值模拟的实质是对可压缩粘性流体的 n s ( n a v i e s - s t o k e s ) 方程进行数值求解。由于缸内工作状态极其复杂，具有非定常、 粘性、可压缩、有旋、传热、传质、外源等各种流动现象与流动特征，其控制方 程必然是最具普遍性的化学流体力学方程。一般应用的守恒方程有：质量守恒方 程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程以及理想气体状态方程等。守 恒方程有多种表示方法，本文采用张量表示法：用f 、j 、k 等作为下标，凡有 一个下标的量为矢量，如速度；有两个下标的量为二阶张量，如粘性应力“： 同一项如有一个下标出现两次，即表示对该指标按e i n s t e i n 约定求和方法从l 3 求和，例如： 笪：堕+ 堕+ 堕 ( 2 1 ) 叙，观苏2 化学流体力学的基本控制方程组可以用统一的输运方程的形式表示： 妄( 肿丢( 刚= 丢( 争心， ( 2 - 2 ) 式中，f 为时间；p 为流体混合物的密度；、x ，或而为笛卡尔坐标系下的 坐标； ，、“，或为葺、x ，或五方向的速度；伊代表通用的因变量，如速度，、 第二章基于虚拟技术的内燃机工作过程研究方法 总焓或组分，在混合物中的质量分数坼等；l 和墨分别为与因变量伊对应的 交换系数和源项。式2 - 2 包含4 种基本类型的相，依次是代表时间变化率的非定 常相、由流体宏观运动引起的对流项、由流体分子运动引起的扩散项以及不属于 以上3 项的其它源项。对应于不同的因变量，式2 2 可以变换成质量守恒方程、 动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程等多种形式。 1 、质量守恒方程( 连续性方程) - g p 善- 7 ( m i 、；s 式中，瓯为质量源项。 ( 2 - 3 ) 2 、动量矸但万程 掣+ ( p u 一吲一芸+ 蜀 ( 2 呦 式中，勺为粘性应力张量；尸为压力；墨为季力和其它阻力在f 方向的分量。 粘性应力张量白与流体的应变率张量岛通过广义牛顿定律相联系： 勺= 2 坞一詈象岛 ( 2 - 5 ) 岛= 吾( 鲁+ 挈 式中，a 为流体的动力粘性系数；磊为k r o n e c k e r 记号，它是一个二阶张量， 当i = j 时，毛= 1 ，当f ，时，磊= 0 将方程( 2 5 ) 、( 2 6 ) 代a ( 2 4 ) ，可得动量守恒方程的展开形式； 掣+ 毒c 一，一筹+ 毒喀，+ 毒c 挈一；丢 拳+ s ( 2 - 7 ) 3 、能量守恒方程 1a(p厂,o)+掣=掣+丢(五剖otc3x+ 钾。+ 丢【莩( l l ) 挈( 2 8 ) a ，苏，叙，、缸。缸，午一”次7 式中，为滞止焓即总焓ri i j o = j | ，+ “，t , t ，2 ，h = 岛，r t l ，和岛分别是组 分，在混合物中的质量分数和比焓；五为流体导熟系数；，为温度；l 和l 分别 是组分，和焓的输运系数或交换系数；口。为辐射热。如果利用总焓的定义，将式 第二章基于虚拟技术的内燃机工作过程研究方法 ( 2 8 ) 右端扩散项中的r 换成如，则得到能量方程的另一种形式： 掣+ 掣；石ou _ 司o h o + s 式中源项为： 既= 詈+ 掣+ 用一十考m 一军坼勺l ，考+ 莩一l ，岛薏一 l 考嘞 式中，c i , i 为组分，的比定压热容 4 、组分守恒方程 昙c 册小考一，= 考正拳+ 马 式中r j 是由于化学反应引起的组分，的产生率。 5 、理想气体状态方程 p = r r e ( p t i m i ) ， “乃= ( 所户b ( r ) ， 勺( d = ( p ，i p ) c 一( d f ( 丁) = e ，( 1 3 + 瓦r t 式中，e 为流体比内能；r 为摩尔气体常数。 ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) 方程( 2 - 3 ) 、( 2 一j 7 ) 、( 2 9 ) 和( 2 1 1 ) 构成了流场及燃烧模拟的基本方程组，再加 上气体混合物的状态方程即构成一个封闭的方程组。将其中的源项根据有关学科 的知识计算出来，在加上适当的定解条件，就可以得出描述发动机流动和燃烧过 程的数值解。需要说明的是，上述方程组是针对层流状态推导出来的，而发动机 的流动和燃烧过程是湍流过程，因此在实际应用过程中必须对这些方程进行湍流 修正。 1 4 第二章基于虚拟技术的内燃机工作过程研究方法 2 2 2 基本方程的数值解法 基于守恒定律的控制方程，具有封闭性、非线性、联立耦合性和形式相同性 的特点，这些特点决定了在一般情况下都不可能用解析法求出其封闭形式的解， 而只能用合理的数值计算方法进行数值求解。 2 2 2 1 偏微分方程的离散化方法 求解偏微分方程数值解首先要解决的问题是方程的离散化，即在按一定方式 网格化的积分区域内，把微分方程离散成有限数量的代数方程，再根据初始条件 和边界条件，在计算机上进行数值求解。构造离散化代数方程最常用的方法有三 种：有限差分法、有限元法和有限分析法。 有限差分法是在流体力学领域应用最广泛、发展最成熟的一种离散化方法。 传统的有限差分法是将三维计算空间划分成六面体网格单元，将偏微分方程写成 计算坐标系形式，对其中的每项导数均通过泰勒展开方法构造差分，将偏微分方 程中的偏微分用有限差分代替，得到有限差分方程，即可在求解区域内的有限个 点上得到控制方程的近似解。传统的有限差分法要求坐标变换函数的计算具有一 定的精度，这就要求物理坐标系下的网格具有一定的均匀度。如果几何区域不规 则，很难保证网格具有一定的均匀度，某些几何体含有奇点，在奇点附近网格大 小可能发生较大的变化，此时坐标变换函数可能取无限大值。在这种情况下，有 限差分法很难获得相应的精度。由于化学反应引入了高阶非线形项，极易导致 j a c o b i n 行列式奇异，使控制方程不容易收敛，对初值的选择也很敏感，因此必须 对传统的有限差分法进行必要的改进。2 0 世纪7 0 年代以来，随着有限容积法的 发展以及适体网格系统的出现，上述问题己逐步得到解决i 。 有限元法是在李兹法和伽辽金法的基础上发展而来的。它是从交分原理出 发，采用分块逼近的方法来逼近真解。即将整个求解区域划分成许多小的相互联 结的子区域，即单元，在每个单元上选定一些节点，再选取特定的插值函数，在 经过求解确定了结点上的函数值后，通过插值函数就可以得到整个求解区域内的 函数值。有限元法在固体力学领域的结构应力分析中取得了巨大的成功，但在处 理n s 方程时，由于非线性对流项的存在，使有限元法遭遇了很大的困难。因 此在流体力学领域，有限元法在目前乃至近期内仍难以动摇有限差分法的主导地 位。 有限分析法是由美籍华人学者陈景仁于1 9 5 5 年首创的。该方法的基本思想 是将求解微分方程的解析法与数值法结合起来，在各个单元内将原方程局部线性 化和常数化之后求得解析解，然后将各单元内的这些局部解析解组成控制方程在 第二章基于虚拟技术的内燃机工作过程研究方法 全部解域上的整体数值解。这种方法的显著特点是可以较好的保留原问题的物理 特征，缺点是存贮量和耗费机时较多，而且有时求解微分方程的局部解析解也并 非易事，因此有限分析法目前仍处于发展过程中，尚未得到广泛应用。 目前内燃机工程实际应用中最流行的两种方法：有限容积法( f v m ) 及任意拉 格朗日欧拉法( a l e ) 从本质上说都属于有限差分法的范畴。两种方法都是通过对 传统的有限差分法的改进，使之更适应内燃机流动及燃烧模拟的工程背景。有限 容积法物理概念清晰，通用性极强，在计算流体力学和包括内燃机在内的工程热 物理领域应用十分普遍；而任意拉格朗日欧拉法对内燃机流动及燃烧问题有很强 的针对性和灵活性。由于两种方法各有其鲜明的特点，因此在内燃机工作过程模 拟这一研究领域，形成了有限容积法和任意拉格朗日欧拉法双峰并峙的局面。由 于本文选用的仿真研究平台采用的是有限容积法，以下仅对有限容积法作较为详 细的说明。 有限容积法是由英国帝国理工学院的s p a l d i n g 及其合作者创立的。本身作为 种有限差分法，它又吸收了有限元法的一些优点，即通过把微分方程在网格单 元( 控制容积) 内积分而得到离散的有限差分方程。所谓控制容积就是包围积分域 内某一节点的网格单元。差分方程的建立方法叙述如下： 在三维非定常体系中，设任意一节点为p ，其在三维坐标上相邻的六个节点 为e 、s 、日、工，其有限差分方程的一般形式为： n p 9 p = a g 砖+ n e 9 e + a w q 口w + a s 妒s + n n 妒n + n h 9 h + n l 9 l + sc 2 - 、6 、 式中，口表示差分方程的系数；最表示常数项；上标“0 ”表示p 点前一时 刻的状态。 对微分方程的离散化建立在两个基本假设的基础上；一是函数值在任一网格 内均匀分布，即用函数在节点上的值代表它在网格内各处的值；二是函数值在任 网格的任一边界上均匀分布，即函数在一个网格边界上任一点的值都可以代表 函数在该边界上的值。基于上述两个假设，将通用形式的反应流方程( 2 2 ) 在以p 点为代表的网格上积分，便可得到作为用控制容积法建立差分方程的出发点的通 用方程： a 善( p 妒矿) ，+ 【( 妒一g ，耐咖刎= ( 墨 ， ( 2 - 1 7 ) u 式中，矿表示该网格的体积，它可以是随时问变化的：甜为速度，在非定常 状态下，应取成流体相对于运动着的网格边界的速度；彳的绝对值表示网格某界 面的面积，其方向是该表面的外法线方向；表示对该网格的6 个边界求和，求 和号内的量在相应的网格边界上取值，注有下标，的项中的量在节点上取值。 为了建立式( 2 1 6 ) 形式的有限差分方程，必须进一步对式( 2 1 7 ) 中的各项离散 第二章基于虚拟技术的内燃机工作过程研究方法 化，并把变量在网格边界上的值用其在节点上的值表示出来。网格边界是变量值 的间断面，决定了各边界上的变量值不可能有一个完全确定的法则，只能采用近 似的处理方法，通常采用的是内插法，内插方式的不确定正是差分格式多样性的 原因所在。 式( 2 - 1 7 ) 中求和号中的项“( p u c p - l g r a d 伊) * a ”综合了对流通量和扩散通 量的影响，称为总通量项。它体现了穿过网格界面的对流和扩散对网格内因变量 变化的影响，需要对来自该网格的备个界面的总通量求和。式( 2 一1 7 ) 中的瞬变相 “( p e r ) ，。和源项“( 咒 ，”的共同点是定义在网格内部，而不是定义在网格 的边界上，因而其空间积分只需知道该网格内的变量值，无需进行插值，只需对 时间上的积分进行离散化。在离散化过程中，差分格式的选取十分重要，不但影 响求解的收敛性、准确性和经济性，而且直接影响数值解在物理上的真实性。常 用的差分格式主要有：中心差分格式、上风差分格式( 也称逆风格式 、指数差分 格式、混合格式以及乘方定律格式等。限于篇幅，对总通量项、瞬变相和源项离 散化的具体过程不再详述，请参见相关文献【3 9 】，直接给出方程( 2 - 2 ) 的有限差分 方程的一般形式及其对应的系数： o p 妒p = n e 9 e a q 埽+ n n 9 n + o s 妒s + n m 9 hq - a l 妒l + b t 2 _ 1 硒 式中： = d a ( i e o + 1 一e ，o 】 a w = d ：爿q 己p + ( 【c 。，0 1 1 d = d ：爿( 1 只d + 【一c 。，o 】 a s = 见一( k p + 【e ，o 】 a h = p 爿( | 只d + 【c ，o 】 a = d 彳q 异d + 【c l ，o 】 b = s y + d o p 妒o p a p = a e + n + n n + n s + n h + dl + 砖一s e v 郎o = v a t 系数表达式中， ( 2 一1 9 ) 钟为前一时间步流体密度，y 为网格体积，上标“0 ”表示p 点前一时间步 参数值，c 和d 分别为对流强度和扩散强度，p 为两者之比，它们的定义分别为： c s = ( 肛4 ) ，、 d j5r q7 4 ( 2 2 0 ) 只= c f d ,j 其中，f = e , w , y l ，j ，h ，表示两节点问的网格界面，4 为i 界面的面积，一为 垂直f 界面上两节点问的距离。算符f 【】表示取括号中最大者。函数彳d p i ) 对于不 第二章基于虚拟技术的内燃机工作过程研究方法 同的差分格式形式也不同，例如对于乘方定律格式，4 q p d - 【 o ，( 1 - 0 1 l e b 5 】。 2 2 2 2 多变量耦合方程组的求解算法 前文已经指出，描述内燃机流动及燃烧过程的基本方程组是一个多变量相互 耦合的非线性方程组，其耦合性首先体现在流场与其它标量场的耦合，亦即速度 与压力、密度和温度等变量的耦合。特别是速度和压力的耦合，是求解流动及燃 烧问题的最大障碍。这是因为压力对于流场4 触具有关键性的影响，但压力本身 并非一个可输运的物理量，不像其它变量那样有一个独立的输运方程。压力以源 项的形式出现在动量方程里，通过连续方程与动量方程的耦合间接的确定。这意 味着当正确的压力场代入动量方程并解出速度场后，该速度场应满足连续性方 程。为满足上述条件，一种方法是采用“流函数一涡量法”从方程中消去压力， 但对于内燃机工作过程模拟这一问题而言，压力是非常重要的参数之一，因此这 种方法并不适用，只能设法解除速度与压力之间的耦合。 解除速度与压力耦合的方法中最著名的是s i m p l e 算法i 4 0 l ，s i m p l e 是 s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e 1 i n k e de q u a t i o n 的简称，即解压力耦合方程的半 隐式法。s i m p l e 算法的基本思想是用迭代的方法求解速度场，即先设定一压力 场，代入动量方程