（动力机械及工程专业论文）发动机设计参数正向开发平台建设及应用.pdf

发动机设计参数正向开发平台建设及应用 摘要 计算机软件仿真是现代汽车相关技术研究和汽车开发设计的重要方法和工 具，广泛应用在汽车开发设计的各个方面。本文以国家科技支撑计划 2 0 0 9 b a g l 3 8 0 4 为依托，针对我国发动机设计与整车开发脱节的现状以及发动机 逆向开发所面临的无法掌握核心技术的窘境，提出了基于整车性能需求的发动机 设计与运行参数的正向开发思路；通过对发动机性能参数与设计、运行参数之间 内在联系的破解与数学表达式的推导，完成了正向开发流程的开发与设计参数的 定义；利用高级编程语言e x c e l v b a 完成过程的实施，结合先进可靠的g t - p o w e r 数值模拟技术以及d o e 优化理论，搭建了实现该思路的一个经过验证的发动机主 要设计与运行参数的正向开发软件平台。 本文首先根据车辆动力学与运动学原理，将整车性能的需求逐步分解到对发 动机的性能需求，建立了发动机设计参数正向开发的理论基础。其次，基于对发 动机性能参数与设计、运行参数之间内在联系的深层次的理解，将发动机的性能 目标参数转化成对发动机设计与运行参数的选择，然后基于发动机气体动力学相 似性准则建立基础数模并在g t - p o w e r 软件平台上进行参数与过程的详细描述及 d o e 择优。 本文对软件编写语言、软件功能模块的组成及其之间的内在联系进行了简要 介绍，然后详细介绍了本软件平台的功能、理论依据及使用方法。在确定了发动 机初始设计参数之后，利用d o e 优化功能以及该软件与g t - p o w e r 的无缝耦合计算 功能，将发动机设计参数与过程进一步优化。 最终通过选定两款典型轿车进行模拟试验，以g t - d r i v e 模拟计算结果及整车 实测结果为基准，通过对比整车全负荷0 1 0 0 k m h j j i 速时间以及国家道路循环工况 下实测油耗等汽车动力性、经济性数据，验证了本平台软件的完整性、实用性及 计算精度。 结论表明，该软件平台的完整性及计算精度完全符合工程应用要求，可为发 动机的前期概念设计提供指导，同时能提高研发效率、缩短研发周期和节约研发 成本，可为发动机的正向开发提供参考。 关键词：汽车；整车性能；数值模拟；发动机设计参数；正向开发；e x c e l v b a n a b s t r a c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa ni m p o r t a n tt o o lf o rm o d e m a u t o m o t i v er e l a t e dr e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n t i th a sb e e nw i d e l yu s e di na l la s p e c t so ft h ev e h i c l ea n d i t s s u b s y s t e m s d e v e l o p m e n ta n dd e s i g n a s t h eb a s i so ft h en a t i o n a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g ys u p p o r tp r o g r a m2 0 0 9 b a g 13 8 0 4 ，i nv i e wo fc h i n e s ec u r r e n ts t a t u si nt h e e n g i n er & d a c t i v i t i e sw h i c ha r eo f t e ns e p a r a t e df r o mt h ev e h i c l ed e v e l o p m e n ta n dt h e d i l e m m at h a tt h ek e yt e c h n o l o g i e sc a n n o tb em a s t e r e dt h r o u g h “r e v e r s e ”e n g i n e e r i n g ，a n e wa p p r o a c h ，d e r i v e df r o mt h ev e h i c l ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，i sp r o p o s e di nt h i s p a p e rf o r “f o r w a r d e n g i n e e r i n go fe n g i n ed e s i g na n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s s e l e c t i o n a n do p t i m i z a t i o nt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n as o f t w a r ep l a t f o r mi sd e v e l o p e d ， u t i l i z i n gt h eh i g h l e v e lp r o g r a m m i n gl a n g u a g ee x c e l - v b a ，a n dc o m b i n e dw i t ht h e a d v a n c e da n dw e l lp r o v e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o o lg t - p o w e ra n dd o eo p t i m i z a t i o n s c h e m e ，f o rv e h i c l ea n de n g i n ep e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n ，a sw e l la se n g i n ed e s i g na n d o p e r a t i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n f i r s t l y b a s e d o nt h ev e h i c l ed y n a m i c sa n dk i n e m a t i c st h e o r y , av e h i c l e s p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa r ed e c o u p l e d ，s t e pb ys t e p ，i n t ot h ep o w e r t r a i n ，a n dt h e nt o t h ee n g i n e sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s s e c o n d l y ，b a s e do nt h ed e t e r m i n e de n g i n e p e r f o r m a n c e t a r g e t sf r o mt h ef i r s ts t e p ，a ni n d e p t hs t u d yi sp e r f o r m e db a s e do nt h e u n d e r s t a n d i n gt ot h ei n n e rr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ee n g i n e s p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s w i t ht h ed e s i g na n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s t h ee n g i n e sm a j o rd e s i g np a r a m e t e r sa r e c h o s e ni nt h i sw a yf o rd e t a i l e dg a sd y n a m i c sa n dt h e r m o d y n a m i c ss i m u l a t i o n b a s e d o nt h eg a sd y n a m i c ss i m i l a r i t yc r i t e r i aa c r o s sd i f f e r e n te n g i n e s ，ab a s e l i n ee n g i n e p e r f o r m a n c es i m u l a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e da n dad o eo p t i m i z a t i o ns c h e m ei s d e t e r m i n e d t h em o d e la n dt h ed o es c h e m ea r et h e nf e di n t og t - p o w e rs o f t w a r ef o r a u t o m a t i co p t i m i z a t i o n ab r i e fi n t r o d u c t i o ni sg i v e nf o rt h ec o n c e p to ft h ep l a t f o r m ，f o l l o w e db ya d e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ef u n c t i o n a l i t ya n di t ss u b m o d e l s ，f u n d a m e n t a lr e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h ep e r f o r m a n c e ，d e s i g na n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s t h es e a m l e s sc o u p l i n go f t h i sp l a t f o r mw i t hg t - p o w e r , a sw e l la st h ed o es c h e m ei sa l s od e s c r i b e d f i n a l l y ，t h ef u n c t i o n a l i t ya n dt h ea c c u m u l a t e df u e le c o n o m ym o d e l i n ga c c u r a c yo f t h ed e v e l o p e dp l a t f o r ma r ev e r i f i e da n dc o m p a r e dt ot h em e a s u r e m e n td a t ao ft w o t y p i c a lp a s s e n g e rc a r s t h ev e h i c l ed y n a m i cs i m u l a t i o nr e s u l t s s u c ha s0 10 0 k m hf u l l i i i 发动机设计参数正向开发平台建设及应用 l o a da c c e l e r a t i o np r o c e s s ，a sw e l la st h ei n s t a n tf u e lc o n s u m p t i o nr a t ew h e nd r i v i n g a l o n gt h en a t i o n a lf u e le c o n o m yd r i v i n gc y c l e ，a r eb e n c h m a r k e dt ot h ew i d e l yu s e d g t - d r i v es i m u l a t i o nt o o l ，v e r yg o o da g r e e m e n ti ss h o w n i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ei n t e g r i t ya n ds i m u l a t i o na c c u r a c yo ft h es o f t w a r e p l a t f o r mi si nf u l lc o m p l i a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，i tc a n p r o v i d eg u i d a n c ef o rt h ep r e l i m i n a r yc o n c e p t u a ld e s i g n ，t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h ev e h i c l ea n de n g i n er & da c t i v i t i e s ，t os h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e sa n ds a v er & dc o s t sf o rt h ef o r w a r de n g i n e e r i n go fa ne n g i n e k e y w o r d s ：v e h i c l e ；v e h i c l ep e r f o r m a n c e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e n g i n ed e s i g n p a r a m e t e r s ；f o r w a r de n g i n e e r i n g ；e x c e l v b a i v 硕，卜学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 进入新世纪以来，我国以内燃机为主要动力的汽车工业发展迅猛，根据国家 工业和信息化部于2 0 1 2 年0 1 月2 0 日发布的2 0 1 1 年汽车工业经济运行情况显示， 我国2 0 1 1 年累计生产汽车1 8 4 1 8 9 万辆，销售汽车1 8 5 0 5 1 万辆，乘用车产销分 别完成1 4 4 8 5 3 万辆和1 4 4 7 2 4 万辆，已连续三年成为全球最大的汽车消费市场。 另外，根据2 0 1 2 年0 2 月1 4 日中国经济网报道，国际市场调查机构j d p o w e r 在曰前发布的全球汽车市场展望报告中认为，全球汽车产业重心正在向东方转移， 新兴市场成为引领全球汽车市场需求增长的主导力量。据该报告数据显示，在全 球轻型乘用车销售市场上，新兴市场所占份额已从2 0 0 5 年以前的不足2 0 ，提升 至2 0 1 0 年的5 1 ，并有望在2 0 1 5 年突破5 5 。中国、印度分列新兴市场乘用车 需求的前两位。其中，中国市场在2 0 1 2 年的销售增长将占整个亚洲增量的7 0 、 全球增量的4 0 t 引。 在能源危机和环境污染的巨大压力下，作为燃油消耗重要组成部分的汽车工 业的节能减排业已成为全球性的重要课题。针对整车性能需求，对动力总成系统 进行快捷优化匹配开发己成为汽车整车开发企业提升市场竞争力、节约开发成本 的主要途径。随着企业工程开发经验的积累以及工程师们对发动机设计与运行参 数之间内在联系的深入理解，数值式优化模拟计算已逐渐成为发动机开发的重要 手段，许多整车与发动机性能模拟计算软件，例如g t i s e 、b o o s t 、w a v e 以及c r u i s e 等的问世并及广泛应用，为整车与发动机的开发与匹配提供了可靠的模拟平台【3j 。 目前我国部分整车制造企业存在整车性能需求与动力总成性能开发脱节的现 象，尤其是一些仅从事整车集成开发的企业，对整车与发动机的开发仅仅是在选 型、匹配的层面。整车匹配工程师通常只能对所开发的整车性能提出需求，而对 如何从动力总成开发的角度来满足整车动力性和经济性要求，并使之达到最佳匹 配效果缺乏全面了解，在与动力总成系统匹配之前亦无法对整车动力性和经济性 等指标进行预测。对于发动机开发工程师而言，同样受到目前整车与发动机开发 脱节的影响，其对整车的动力性、经济性要求亦缺乏全面了解，从而导致发动机 性能与汽车整车性能的供需关系定义不明确，也只能对整车与发动机进行后期匹 配，而不能对此进行前期的主动性开发。此外，许多从事性能模拟计算的发动机 工程师由于缺乏实际经验的指导与实测数据的支撑，在建模边界条件的选取、参 数优化计算时的条件设定、优化计算结果的可靠性与可实现性评估方面都需要指 发动机设计参数正向开发甲台建设及应用 导1 3 1 。 成为全球第一大汽车市场之后，中国汽车产业步入产业升级的节点。如何抓 住市场规模日益壮大的契机实现产业升级，研发出自己的核心技术，成为急需解 决的产业发展问题1 4 1 。曾经一度被国内自主品牌汽车企业普遍应用的“逆向开发” 己被市场证明了并不是通往自主创新的捷径。原上海大众开发部总经理、现任上 海汽车乘用车公司总工程师、上海汽车技术中心副主任张觉慧称：“拿别人的产品 来做逆向开发不可能掌握真正的关键技术，只能依葫芦画瓢，小修小改；而且做 逆向开发，很有可能不知就里地把不好的设计也带过来【5 】。逆向开发从一定程度 上可以说是“山寨 ，虽然可以做出外表上看上去一摸一样的东西，可实际性能上 可能相差甚远，虽然也许在从前期原始积累上来说是一个捷径，而如何真正掌握 核心科技，实现弯道超车，越来越多的自主品牌汽车企业认识到，正向研发是企 业做大做强过程中一道绕不过去的坎。 因此，本文以国家科技支撑计划 2 0 0 9 b a g l 3 8 0 4 】为依托，对基于整车性能需 求的发动机设计参数正向开发的研究具有重要意义，利用发动机数值式开发技术 里的高级编程语言e x c e l v b a 结合先进可靠的g t - p o w e r 数值模拟技术以及 d o e 优化理论，将在这一基础上建立一个可信的发动机正向开发的软件平台，指 导发动机的前期概念设计，以期同时能提高研发效率、缩短研发周期、节约研发 成本，并为企业正向开发提供参考。 1 2 发动机性能正向开发及其国内外研究与应用情况 1 2 1 发动机性能正向开发 所谓正向开发，是相对于目前国内流行的“逆向开发 而言的。现代发动机 性能的正向开发分数值式模拟计算与试验开发两部分。数值式模拟计算重点在于 对发动机的进排气系统设计参数进行优化，而试验开发重点在于燃烧与排放性能 开发。发动机进排气系统模拟计算流程视吸气方式的不同而略有差别。自然吸气 式发动机性能开发的重点是换气过程；而在增压发动机中，一方面压力波的峰一谷 幅值与进排气压力值的比值较小，另一方面为了保证增压器的动态响应，增压器 ( 尤其是涡轮机) 往往靠近发动机的进排气口安装而使得进排气系统中的压力 波动得到非常大的削弱，因此增压发动机性能开发的重点是增压与中冷系统，本 文将对自然吸气式与涡轮增压发动机的正向开发流程分别进行叙述。而对燃烧系 统与排放性能的开发流程，由于没什么差别，因此放在一起进行讨论。 典型发动机的正向开发流程如图1 1 所示。其基本设计思路是：以参考机型 设计参数及性能实测结果为初始值，以数据库为依托、以工程经验为边界条件、 采取迭代寻优的方式、通过人机对话形式引导使用者逐步完成计算过程。主要步 硕l 学位论文 骤为： 整车设计参数：车型、迎风面积、风阻系数、传动系参数、 变速器形式、变速比、传动效率、轮胎半径、附件功率消耗 l 整车性能目标参数：o - z o o k m h 加速时间、最高车速、最大 l爬坡度 根据汽车整车动力性能来定义发动机性能参数：发动机排 量、外特性上扭矩与平均有效压力、吸气方式( 自然吸气或 增压) 发动机主要设计参数定义：缸径行程比、压缩比、气阀直 径、气阀升程曲线气阀定时、气道流量系数；发动机详细 设计参数及计算数模的定义：进用 气道直径、进排气歧管 直径与长度的确定、进排气总管直径、长度及联接形式( 如 采用町变进气系统) 、增压器初选结果( 增压发动机) 、进 排气系统上下游压力损失 性能模拟计算数模的建立：进用 气系统的结构参数数模( 有 流程上一步确定) 、缸内燃烧放热规律数据、缸内传热模型、 摩擦功损失( f m e p ) 数模、缸内燃烧效率模犁 i 产生g t - p 。w e r 计算模拟所需参数列表 g t - p o w e r 性能计算 结果输入 k b d 软件 计算结果 符合要求 是上 一、 完成 否 图1 1基于整车动力性需求的发动机设计与运行参数开发流程 ( 1 ) 由使用者定义整车设计参数，如车重、路阻系数、迎风面积、风阻系数 发动机设计参数正向开发平台建设及应用 以及整车动力性目标参数。如果部分整车设计参数暂不明确，例如变速器速比参 数，则从参考车型数据库中调取该部分参数作为初始值。 ( 2 ) 选取类似车型搭载的发动机( 或其它参考发动机) 的外特性上的扭矩曲 线作为初始值，启动整车动力性模拟计算模块求解对应于该发动机外特性参数的 整车性能，例如o l o o k m h 加速时间、最高车速、最大爬坡度等。该软件将自动 计算整车动力性能并与设计目标进行对比，以此为依据自动成比例增大( 如果模 拟计算得到的整车动力性结果低于设计目标) ，或者成比例减小( 如果模拟计算得 到的整车动力性结果高于设计目标) 发动机扭矩，然后将更新后的发动机扭矩曲 线输入整车动力性模拟计算模块，重复上述过程直到各项整车动力性参数均满足 设计目标为止。以这种方式得到的发动机扭矩曲线是待设计发动机的目标扭矩曲 线。 ( 3 ) 根据整车运动学方程将满足整车动力性需求的发动机的目标扭矩曲线向 发动机排量以及平均有效压力b m e p 进行分解。针对拟选定的发动机排量，由目标 扭矩曲线计算得出目标b m e p 曲线，然后将目标b m e p 曲线与发动机的数据库中的 b m e p 散带图进行对比，根据在数据库b m e p 散带图上的位置决定实现该目标b m e p 曲线的可能性以及该发动机的相对水平。例如，如果该发动机的目标b m e p 处于同 类发动机数据库b m e p 散带图的上方，那么表明该发动机必须采用相应的先进技术 才有可能实现其设计目标；如果超过发动机数据库b m e p 散带图的上限，就表明该 b m e p 目标在当前状态下很难或者不可能实现。这种情况下设计开发人员必须对发 动机采用增压措施( 如果是非增压发动机) 、或者提高增压度( 如果参考机已经是 增压发动机) 、或者提高发动机排量以降低对发动机的b m e p 的需求。若需要开发 自然吸气式发动机则需要增大排量，再返回进行迭代计算，直至发动机的目标b m e p 落在数据库散带图以内。反之，如果根据拟定的发动机排量计算得出的发动机的 b m e p 曲线落在数据库散带图的下方或者下限以外，表明该发动机的设计目标太低， 开发出来的产品将缺乏竞争力。此时该软件将提示使用者选择较小的发动机排量， 在不降低发动机扭矩目标的条件下，提高发动机的b m e p 目标值，或者提高整车的 动力性指标。然后根据使用者的选择再回到本模块的始点进行迭代计算，直至发 动机的目标b m e p 落在数据库散带图以内。 ( 4 ) 由上述步骤完成发动机的排量、吸气方式( 增压压力) 以及b m e p 目标 定义后，本步将围绕实现发动机b m e p 目标进行发动机设计参数的详细定义。将发 动机的排量分解成缸径与行程，并需逐一确定气阀直径、气阀定时、进排气道、 进排气歧管、总管长度与直径等各项参数。这一阶段需确定的中间变量非常多， 且不同变量之间的组合方式可以成千上万，如果采取传统的方式对诸变量逐一进 行选择，其工作量将非常大，且容易迷失优化方向。为了解决这一问题，可以利 用发动机气体动力学性能的相似性理论，首先对参考机( 原型机) 的各项设计参 硕i j 学位论文 数按相似性准则针对拟设计发动机的排量逐一进行转换移植，得出各设计参数的 原始值，然后在此基础上运用对发动机中设计参数与运行参数之间内在联系的认 识开展设计参数的有针对性的微调、优化。 ( 5 ) 发动机中的气体动力学过程不仅十分复杂，而且对发动机的充气效率、 泵气损失、b m e p 性能都有至关重要的影响。要得到采用不同设计参数时发动机性 能的准确预测结果，必须借助于带详细一维气体动力学仿真功能的发动机性能模 拟计算软件。本项目研究选用运用最广的g t - p o w e r 。为实现与g t p o w e r 软件的无 缝连接，开发了g t p o w e r 输入数据的前处理、d o e 计算流程的控制、计算结果读 取与结果改进分析等后处理模块。本项目首先将几种典型发动机的g t p o w e r 数模 ( 校准过的) 转化成标准模板，然后将按上述步骤确定的、需要进行更新、优化 的各设计与运行参数代入标准模板中，形成新的g t - p o w e r 数模，然后启动 g t p o w e r 进行详细计算。计算结果再读入本流程软件进行分析、判断，将发动机 性能的预测结果与目标参数进行对比，在此基础上完成设计参数的修改、设计、 优化，再返回g t p o w e r 进行详细仿真计算。此过程通常需循环几次，直到发动机 性能预测结果达到设计目标为止。然后输出设计参数列表，结果导入数据库，整 个过程完成。 自然吸气式发动机性能开发的重点在于外特性( 汽油机节气门或柴油机油门 全开时) 的换气过程开发。鉴于目前我国乘用车发动机主要以汽油机为主，这里 讨论的自然吸气式发动机一般指自然吸气式汽油机。 自然吸气式汽油机外特性上的换气过程通过影响发动机的充气效率与泵气损 失而对发动机的性能施以决定性的影响。另一方面自然吸气式发动机的性能开发， 实质上就是如何在发动机的外特性上获得最高扭矩并使泵气损失最低。至于部分 负荷的性能开发，重点在于点火提前角与过量空气系数的调节与优化，由于发动 机负荷控制方式与排放控制的限制，发动机部分负荷的性能是一个标定问题而不 是开发或优化问题。 对于增压发动机( 由于国内以废气涡轮增压汽油机为主，以下如不特殊说明， 讨论的均为废气涡轮增压汽油机) ，不光是增加了一个增压器的问题，在这过程中 衍生了很多新的问题，比如增压后的发动机进排气系统对增压汽油机燃烧规律的 影响、点火提前角如何对发动机性能的影响、压缩比如何选择、爆震倾向的抑制 以及气道结构和燃烧室的设计等问题，这些问题作为增压发动机性能正向开发的 核心问题将在第三章里研究。 1 2 2 国内外研究与应用情况 在汽车的发展历程中，逆向开发其实不仅仅是在中国，日本、韩国在汽车工 业发展的初期，经过了相同的阶段，也是在模仿与借鉴欧美汽车的基础上发展起 发动机设计参数正向开发平台建设及应用 来的。不同的是，他们在模仿的基础上更加重视吸收和创新，并成功打造了自己 的正向开发平台，塑造出了丰田、本田、现代、起亚这样一些国际著名品牌【4 j 。国 外的经验证明，“山寨”并不可怕，可怕的是不想去超越。在这样汽车大发展的时 代，欧美日韩都早已掌握了汽车发动机研发的核心技术，并且国内的合资品牌正 是凭借着发动机这一核心竞争力，在中国大行其道。汽车毕竟在西方兴起，其拥 有强大的研发基础，积累了大量的研发经验及核心资料，而国外汽车寡头显然对 我国的市场换技术路线早有防备，牢牢把持着汽车的核心技术，而引入我国的汽 车关键零部件如发动机往往都是落后国外一代甚至好几代的老型号的发动机。 随着中国经济的高速发展和加入w t o ，中国的自主品牌汽车企业有了与国外 品牌同场竞技的舞台，但汽车市场“井喷式”增长与自主开发的进展缓慢极不相称。 我国汽车行业的正向开发显然落后了很多，只有尽快掌握正向开发能力，才能拥 有核心技术，进一步改变汽车发展浪潮中被动落后的局面。目前，我国很多自主 汽车企业在正向开发上已经迈出了第一步，像吉利、奇瑞、长安、上汽等一些国 内企业已经纷纷在正向开发方面加大投入力度，但是，在做正向开发研究过程中， 必须具有丰富的经验、大量的实验和设计数据作支撑( 也就是在正向开发中所必 须的数据库) 。最终研发出的发动机性能如何，在很大程度上影响产品价值的研发 周期的长短等，这些都受到发动机正向研发的核心因素数据库的左右。因此， 目前很多国内汽车企业花费昂贵的代价从国外购买了汽车研发的数据库，或者在 加快建立自己数据库。我国在正向开发上还处于起步阶段，这些积累是需要一个 过程的。另外值得注意的是，我国大大小小的汽车及发动机企业有几十家，这些 独立经营的汽车企业在很大程度上都是各自为战，在技术积累的交流上并不太畅 通，从而只形成了适应自身的独立研发体系。而在主要面向理论研究的高校里， 也鲜有针对发动机正向开发领域的工程应用研究。 另外，随着计算机仿真技术在汽车整车及零部件研发过程中的广泛应用。计 算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的 思维过程和行为进行动态性的比较接近真实的模仿。它是一种定量分析方法，是 一种描述性技术。通过建立某一过程或某一系统的模型，来描述该过程或该系统， 然后用计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供有 关这一过程或系统的定量分析结果，作为决策的理论依据。相比传统的实体实验 分析，计算机模拟仿真技术具有诸多优点：1 ) 可以代替许多难以或无法实施的实 验。2 ) 可以解决一般方法难以求解的大型系统问题。3 ) 可以避免实验时可能的 人身及财产损害。4 ) 可以节约研发成本，降低投资风险。5 ) 可以大大缩短实验 耗时。先进可靠的计算机模拟分析在现代汽车研发设计过程中起着举足轻重的作 用，2 0 世纪7 0 年代以来，国外许多汽车企业和研发机构都相继推出了优秀的模拟 仿真软件。美国通用汽车公司于1 9 7 2 年首先推出了其开发的汽车性能模拟程序 硕十学位论文 g p s i m ( g e n e r a lp u r p o s ea u t o m a t i cv e h i c l ep e r f o r m a n c ea n de c o n o m ys i m u l a t o r ) ， g p s i m 可以给对给定道路循环工况下的发动机、变速器的运行工况和性能以及汽 车的燃油经济性进行模拟计算。用户以g p s i m 为平台，结合整车参数和稳态试验 数据，建立各种车辆的数值模型，对车辆的动力性、经济性进行模拟计算分析， 并可以得出道路循环下的发动机实际运行工况。此外福特、奔驰、日产、康明斯 等汽车企业等都相继推出了自己的模拟计算分析软件。目前应用较广泛的汽车性 能模拟软件有a v l 公司的c r u i s e ，美国g a m m a 技术公司( g a m m at e c h n o l o g i e s ，i n e ) 开发的g t - i s e 软件包下的子模块g t - d r i v e 等。这些软件都可以对汽车动力性和 经济性进行模拟，并且可以计算得出道路行驶工况对应发动机工况。两款软件都 是基于汽车运动学、动力学原理所开发，原理基本相同【6 j 。 1 3 研究目的和内容 1 3 1 研究目的 鉴于正向开发在我国汽车企业掌握发动机核心研发能力过程中的重要地位， 本文旨在研究基于整车性能需求的发动机设计参数正向开发，并在这基础上建立 一个可信的发动机正向开发的软件平台，指导发动机的前期概念设计，以期同时 能提高研发效率、缩短研发周期、节约研发成本，并为企业正向开发提供参考。 1 3 2 研究内容 基于以上目的，本文旨在研究一套发动机性能数值式正向开发平台，主要研 究内容涉及以下方面： ( 1 ) 始于汽车整车动力学需求、止于动力总成主要设计与运行参数的选取以 及优化的自动化流程，参数以列表推荐的方式实现； ( 2 ) 以人机对话形式指导发动机概念设计阶段的性能开发流程； ( 3 ) 实现与g t p o w e r 软件的无缝连接； ( 4 ) d o e 寻优在发动机设计参数敏感性的应用； ( 5 ) 影响增压汽油机性能的关键参数研究； ( 6 ) 验证数字式开发软件平台的完整性与实用性。 1 4 本章小结 本章简要介绍了我国汽车工业的发展现状，分析了我国汽车发动机行业发展 现状以及当前面临的机遇与挑战，提出了本文研究的背景及意义；简单介绍了发 动机性能正向开发流程以及国内外在发动机正向开发领域的研究与应用情况；通 发动机设计参数正向开发平台建设及应用 过分析目前我国发动机的研究现状以及其发展趋势，提出了本文的研究目的和主 要内容。 硕卜学位论文 第2 章基于整车性能需求的发动机设计参数正向开发 本章基于整车动力学和运动学原理，将对整车性能的需求的各项指标逐步转化 为对发动机性能及其设计参数的需求上。同时考虑到整车对小排量发动机增压的 需要，本章对增压发动机的发动机与增压器匹配关键问题进行了研究。对于涉及 到的增压发动机的设计、运行参数及关键性能参数的影响及内在联系将在下章进 行详细研究。本章最后基于发动机进气波动效应及发动机充气效率转速曲线的相 似性准则，将本平台软件所具有的普遍适用性进行了研究。 2 1 基于牛顿第二定律的汽车整车运动学方程的求解 整车的动力性是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定 的、所能达到的平均行驶速度。汽车运输效率的高低很大程度上取决于汽车的动 力性。动力性也是汽车各种性能中最重要、最基本的性能。从获得尽可能高的平 均行驶速度的观点出发，汽车的动力性主要包括三方面的评定指标：1 ) 汽车的最 高车速u a 一；2 ) 汽车的加速时间f ；3 ) 汽车能爬上的最大坡度f 懈【8 1 。本节基于整 车动力学原理，将汽车动力性分解到发动机的性能上。 2 1 1 汽车全负荷加速性计算原理 整车从驻车状态加速到一定车速所需的时间是评价整车动力性的一项重要指 标。通常以0 k m h 到10 0 k m h 车速的加速时间为评价参数( 越短表明加速性越好) 。 评价汽车整车动力性的指标还有最高车速与最大爬坡度。本节重点讨论基于整车 受力分析的上述三项指标的求解机理与过程【8 】。 汽车在平直道路上的受力分析如图2 1 所示，建立整车运动方程如公式( 2 1 ) 。 ( 1 ) 行驶阻力 图2 1水平路上汽车沿行驶方向受力简图 互= = = 哆+ 乞+ ( 2 1 ) 发动机设计参数正向开发平台建设及麻用 e = 弓+ e + c ( 2 2 ) 式中，坷为发动机传至驱动轮的力( n ) ；f 豫为地面沿汽车运动方向作用于轮胎的 力( n ) ；e 为滚动阻力( n ) ，其值为m g 厂，m 表整车质量( k g ) ，f 表滚动阻力 系数；e 为空气阻力( n ) ； 为加速阻力( n ) ，其值为( 聊+ i 4 i 八i d ) ，整车加 速度口：_ - d u ( m s 2 ) ；为车轮滚动半径( m ) ；l 为发动机以及传动系的转动惯量 a t ( k g m 2 ) ；为发动机曲轴输出扭矩f n m ) 。 其中， f ：! 塑：垒：鱼：堡：塑 ( 2 3 ) ，w e ：c 。么等p ( 2 4 ) 式中，c d 为空气阻力系数( ) ；a 为迎风面积( m 2 ) ；u 为瞬时车速( m s ) ，p 为空 气密度( k g m 3 ) 。 当汽车在平直路上匀速行驶时，加速阻力为零，则其驱动力等于滚动阻力与 空气阻力之和，且总阻力与驱动力相等，如式( 2 5 ) 所示。 z = 瑶= e + e ( 2 5 ) ( 2 ) 轮胎的线加速度 口( f ) = 万脚 堡：垒：查：竺：堡一生生( 2 6 ) 6 m 0 万m 式( 2 6 ) 中万的定义如式( 2 7 ) ， 糊+ 一1 娶+ 一1 避 ( 2 7 ) m，m， 式中，为车轮转动惯量( k g m 2 ) ；1 ，为飞轮转动惯量( k g m 2 ) ；乇为主减速比( - ) ； i 。为变速器变速比( ) 。 ( 3 ) 加速过程中的整车速度 对轮胎的线加速度积分可得到整车的速度曲线，如式( 2 8 ) f p y ( f ) = i a ( t ) a t ( 2 8 ) - o ( 4 ) 加速过程中的整车位移 进而对轮胎的线速度曲线积分可得到整车的位移s ( f ) 曲线，如式( 2 9 ) 所示， 跚) = 少( f ) = ，p ( r ) 击 ( 2 9 ) 000 2 1 2 汽车最高车速 汽车的最高车速是指汽车在水平良好的路面( 混凝土或沥青) 上所能达到的 硕 ：学位论文 最高行驶车速。汽车的最高车速取决于整车及动力总成系统参数，包括汽车整车 质量、迎风面积、风阻系数、发动机最大功率及最高转速、主减速器速比及机械 效率、变速器速比及机械效率、轮胎半径及滚阻系数等。根据汽车行驶方程( 式 ( 2 1 ) 式( 2 5 ) 联立) 可以计算出各档位下随车速变化的汽车驱动力和行驶阻 力，汽车行驶驱动力一行驶阻力平衡图如图2 2 所示。 4 5 0 0 4 0 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 z 2 5 0 0 - r2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 o 05 0l o o1 5 02 0 0 车速k m h 。1 图2 2汽车驱动力一行驶阻力平衡图 图2 2 为一款搭载五档变速器的汽车的行驶驱动力一行驶阻力平衡图，当汽车 在某一档位下驱动力与行驶阻力平衡时，汽车加速度变为零，此时，汽车达到该 档位的最高车速。图2 2 所示，汽车最高车速在最高档行驶驱动力曲线与行驶阻力 的交点处达到。也有一些汽车的最高车速不是在最高档位时达到，不过为数甚少。 当发动机的输出功率扣除传动系损失后与汽车的行驶阻力消耗的功率达到平 衡时汽车达到最高车速，因此，汽车最高车速可由式( 2 1 0 ) 求解得出， e ：生望监卫：c 。么车p + m g - 厂 ( 2 1 0 ) 厂w 么 将发动机全负荷( 外特性) 扭矩曲线，即式( 2 10 ) 的左项，分别代入不同档 位时的减速比与传动系的效率，转化成轮胎的驱动力与整车的行驶阻力，即式 ( 2 1 0 ) 等号右端。 2 1 3 汽车最大爬坡度 当确定汽车最大爬坡度时通常假定加速度为零，其受力分析参见图2 3 ，发动 机提供的驱动力与行驶阻力的平衡关系【8 - 9 l 如式( 2 1 1 ) 所示， 堡卫世：愕( 厂c o s + s i n ) ( 2 1 1 ) 发动机设计参数正向开发甲台建设及应用 图2 3汽车在坡路上匀速行驶受力分析 从图2 4 中可以看出第一档在车速为4 8 k m h 时的爬坡能力最强，该转速对应 的是发动机的最高扭矩转速。 3 n 0 2 & 0 2 n0 - 、 乙1 5 0 8 l q0 丘0 qo 5 01 0 01 , 5 02 0 02 5 0 【k m o h 一1 ) 图2 4汽车各档爬坡能力随车速的变化 通过以上分析可知，发动机的最大扭矩与最大功率分别对应于整车的最大爬 坡与最高车速，也就是说通过求解( 2 1 0 ) 以及( 2 1 1 ) 两式可得到所需发动机的 最大扭矩与最大功率以及分别所对应的发动机转速。 将上述描述汽车整车动力学性能与发动机扭矩以及变速箱速比的诸关系式编 成差分方程，并进行数值式求解，即可得到对应于某一发动机扭矩曲线的整车 0 1 0 0 k m h 的加速时间，最高车速与最大爬坡度。通过对于预设目标进行对比并相 应地调整发动机的扭矩曲线，即可求得正好满足整车动力性目标的发动机( 最低) 扭矩曲线。 硕士学位论文 2 2 整车道路循环工况向发动机工况的转化 2 2 1 整车车速向发动机转速的转化 汽车行驶动力由发动机产生，经变速器、主减速器输送至车轮，汽车车速u 与发动 机转速n 的关系【8 1 如公式( 2 1 2 ) 所示， 以：竺：生：鱼( 2 1 2 ) 以= 二一 l z 1 z ， 2 。万r w 式中，刀为发动机转速m ) ；甜为车速( n 以) ；i 。为主减速比( - ) ；i 。为变速器变速比( ) ； ，。为车轮运动半径( m ) 。这样可由车速计算出发动机转速。 2 2 2 整车行驶阻力向发动机的平均有效压力的转化 满足整车加速性能目标发动机扭矩曲线的定义，如图2 5 所示， 1 4 0 1 2 0 1 0 0 至 8 0 蠹 6 0 4 0 2 0 0 满足整牟加速性能要求的发动机封l 矩曲线 熏离露雕黼熏熏 黧黛鬻鬻藏蒸蠢 鬻纛簇鬻麓瓣蠢 黛麟麟瓣黼瓣糕 鬻藤黧纛瓣豢攀 蘩豢鬻鬻鬻蠢瓣慧 黼纛满黼黼蠢黼 01 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 06 0 0 07 0 0 0 转速( r p m ) 图2 5满足整车加速性能要求的发动机扭矩曲线 根据道路循环对应每一时刻的车速可离散求解得出加速度；通过式( 2 7 ) 、 ( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 计算出滚动摩擦消耗功率b 、空气阻力消耗功率己、加 速阻力消耗功率只，再根据系统能量平衡方程式( 2 1 6 ) 可计算出每一时刻发动机 的有效功率；最后由发动机有效功率与平均有效压力之间的关系式( 2 1 7 ) 计算 出发动机平均有效压力0 1 。 滚动摩擦阻力消耗功率计算公式如式( 2 1 3 ) ， 弓= 形f 甜 ( 2 1 3 ) 式中，只为滚动摩擦阻力消耗功率( w ) ：w 为垂直载荷( n ) ；厂为滚动阻力系 数( ) 。 空气阻力消耗功率计算公式如式( 2 1 4 ) ， 发动机设计参数正向开发平台建设及应用 只= 寺巳a p + 甜，) 3 ( 2 1 4 ) 二 式中，只为空气阻力消耗功率( w ) 。 加速阻力消耗功率计算公式如式( 2 1 5