模拟技术进步推动发动机技术发展

汽车发动机开发商一直朝着更清洁、更省油、更耐用及噪音更低的方向努力。如果这还不够的话，激烈的市场竞争还迫使他们考虑生产的时间和成本因素。如果不能更多地使用CAE模拟的话，发动机开发商恐怕很难在降低成本和风险上有所作为。

“时间压力是大量使用模拟的推动力之一，”德国FEV公司轻型发动机事业部副总裁Dean Tomazic曾经在接受《国际汽车工程》杂志采访时如是说。与十年前相比，产品开发周期缩短了一半。测试硬件的价格还是一如既往地高昂。今天，使用高级发动机CAE意味着可以在将资金投入到制造为数不多的几个样机上之前迅速、低成本地考量多种可能性。Tomazic表示，如果你信任这个过程的话，“模拟有利于工程师更快地达到目标”。

关联性至关重要

FEV公司的咨询业务打消了业界对于CAE的疑虑。该公司不仅提供发动机开发所需的软件，还拥有数十年的动力传动系统数据资料。公司将实际数据跟CAE 的结果关联起来，验证了模拟数据的准确程度和局限性。事实胜于雄辩。

FEV公司轻型发动机部门经理Stephen Bowyer告诉《国际汽车工程》杂志说，发动机的开发要用到几种不同的软件，既有像Gamma Technologies公司的GT-POWER这样的一维软件，也有三维有限元结构分析软件。一维软件可以让开发周期迅速完成多种可选方案的筛选，然后作出较大的决定。随着设计工作的推进，就需要转到高精度三维模型来作具体的决策。

三维软件：该出手时再出手

具体决策时，才能体现出FEV公司Charge Motion Design（CMD）软件的价值。“该软件利用CFD分析来开发燃烧系统方案，”Bowyer说道，“软件可以将燃烧系统设计的所有关键因素综合起来考虑，包括气流、喷射、蒸发、油气混合、自动点火、燃烧、热释放、热量到室壁的传导以及废气的生成等。”该软件的开发利用了过去二十年里三十多台发动机的开发项目数据。“除了商用工具，还有一些专用工具可以预测燃烧性能，比如燃烧开始的时间和耐久时间，”Bowyer解释说。

FEV公司的另一个软件是Virtual Engine。这是一款传动动力学模拟软件，开发基础是MSC公司的ADAMS?软件。有了Virtual Engine软件，发动机开发人员可以进行整体设计，通过减少重量和磨擦来降低涡流冲力对燃油效率的负面影响。“你可以把安全因子从2.0降到1.3，进而提高效率，”FEV公司CAE总监Jeorg Ruwe介绍说。这对开发工程师减小发动机尺寸、提高效率，以及在较轻、不甚稳固的结构中提高缸内压力尤为重要。

逐步进步——紊流模型的意义

CDadapco公司发动机主管Richard?Johns在其37年从业经历中，见证了发动机CAE从简单的二维模拟发展成可以准确预测排放和燃烧、细节全面的三维CFD模型的过程。“今天我们在讨论怎样才能准确预测60%?废气再循环（EGR）水平。这就是其中的进步，”Johns说道。

Johns认为未来不会有单项技术的突破。“我们会逐步提高模拟能力，”Johns表示。他还向《国际汽车工程》杂志透露了公司准备进一步开发的一个方向：燃油模拟。Diganars公司凭借其反应系统数字分析（DARS）软件而成为CDadapco公司在化学动力建模方面的战略合作伙伴。原因何在？替代燃料和各种燃料配方在替代石油和减排方面均颇有价值。目前考虑中的燃料包括汽油掺混乙醇、管道天然气、液化天然气（LNG）及各种形式的生物燃料，甚至于二甲醚。随着发动机模型日趋精确，对燃料化学模型精度的要求也越来越高。

Johns表示，市场竞争所带来的挑战还包括更多的直喷式汽油发动机。这就要求对空气运动、喷雾特性、点火以及空气/燃料混合进行准确的模拟。“燃料与空气的混合比例和位置恰当，才能有最好的点火效果，”他说道。与此相关的是紊流模型的准确性。“你必须要超脱RANS模型来查看每个循环的情况，”他表示。他说的RANS指的是雷诺平均纳维-斯托克斯（Reynolds Averaged Navier-Stokes）法，用于模拟在一个平均时间周期内的燃烧紊流。“RANS模型看起来很完美，但是如果你要将点火失败以及其他不想要的情况放到模型里面，就要考虑到单个循环的情况，”他说。一个较为准确的方法是大涡轮模拟（LES），可以计算各个循环之间的差异。随着汽车制造商对小型发动机的不断重视，对爆震的限制也很重要。

更好的控制+更高的复杂性

现代发动机结构复杂，配有高端计算机控制系统，这就为模拟工作带来了挑战，Ricardo?软件公司全球产品经理Patrick Niven如此说道。同样构成挑战的是混合动力和车辆电动化。从加速、直喷到多种阀门的时间节点控制，发动机设计人员有多种选择方案。“有太多把手要转，这就意味着有较多的试验要做，而可用的时间却越来越少。简单管理所有需要输入的数据和模拟产生的结果正在变成一大挑战。“我们客户需要的是系统集成程度高、易于使用的软件。”

发动机设计和分析专用软件意味着更容易的流程集成。“我们有5个不同的机械模拟工具和2个CFD软件，”Niven说道。这些工具与通用工具之间的差异在于是否专注于发动机开发。

“我们有专门的工具用来加快数据分析，了解发动机工程师的想法，”Niven表示。他还表示，公司的软件中有多个针对发动机的工具，比如WAVE 和VECTIS。

他举的另一个例子是FEARCE软件，这是一款用于压力和张力分析的三维有限元工具。“这不仅是一款求解器，还为复杂分析提供了操作环境，”他表示，“这款工具可以整合第三方求解器，针对具体发动机提供后处理功能。”为了让未来的模拟更加容易，Ricardo正在投资将FEARCE与公司的三维CFD代码和VECTIS整合起来，便于做热模型。热模型是今天非常复杂且难处理的模型。

Ricardo的客户群中有不少经验丰富的发动机设计工程师，当然也有少数不是的。随着发动机开发业务的拓展，尤其是在“金砖四国”（BRIC，即巴西、俄罗斯、印度、中国），一些客户要求越来越多的培训。“我们很多的远东客户亟需高级培训，”Niven说道，“他们要求你过去培训软件整合的工艺流程。他们不单是要买我们的软件，还要软件背后的知识。”

将所有的因素融为一体——高级结构

新兴发动机公司Achates?Power的应用经历证实了今天的CAE工具以及配套高级测试设备的力量。Achates?Power公司致力开发的是二冲程对置活塞柴油发动机。“我们产品的性能和氮氧化物排放与福特?6.7-L V8 Powerstroke 柴油发动机相当，但是燃油效率提高了21%，”该公司首席执行官David Johnson说道。实验结果是基于美国环保署标准测试点的六点加权平均值。

“尽管我们的发动机设计非常简单，但是开发和优化过程是非常复杂的，”公司负责性能和排放的副总裁Fabien Redon说道。二冲程发动机的分析要复杂得多，因为进气和排气是同时进行的，在涡流条件下发生气体交换和混合。“二冲程发动机除了气体交换复杂以外，我们还有两个活塞可以用来打造燃烧室。这就打开了很大的空间，而不像四冲程一样有阀门和气缸盖限制了表面的几何造型。”这时候面临众多选择方案和难度，而且公司正处于起步阶段，Redon表示，要想制造多个样机并进行物理测试，从而打造一款高效的发动机是不可能的。“我们只能减少分析工具的数量，”Redon说道。

“如果没有20年前才问世的模拟工具和测试设施，Achates Power公司遇到的问题就没法解决了，” Johnson坦言。

这家只有40个左右员工的公司使用全套的软件工具和相应的物理测试系统。Redon还表示，单独的测试，即便是价格低廉而且速度快的，公司也不会做的。“我们需要理解这些复杂系统里面的工作原理，然后才能向有疑问的人作出解释，”Redon说道。一旦其他工程师明白过来，他们才能相信测试的结果。很多情况下，只有CAE模拟才能做到这一点。公司发现很多软件工具都要先进行修改，然后才能处理二冲程对置活塞模型。软件公司做了部分工作，剩下的就是Achates公司的开发工作了。

需要知道的是，这里不单单是软件的问题。试验和测试工具也有长足的进步。Achates公司的Johnson指出，有了DaVinci润滑油用量（DALOC）测试设备，公司可以在几个小时内测试每个速度/负载节点的耗油量。“这样我们可以迅速重复试验，改动活塞环、凸面、凹槽，以及活塞裙的设计，然后迅速拿到结果，”他表示。

“即便是在十年前，像我们这样的小公司也负担不起我们现有的计算能力，”Johnson说道。

1、除了几个软件以外，Achates公司还会进行燃料系统和燃料喷射测试，包括LaVision公司的?SprayMaster燃料激光测试系统和DANTEC公司的相位多普勒测量系统（PDA）。对于这家公司来说，将测试与模拟结合起来是至关重要的。

2、发动机模拟不仅比物理实验成本低，而且工程师可以在第一批样机组装起来之前更多地了解燃烧情况。本例中，FEV公司的CMD软件比较了两个滚流气道方案，在燃烧的一瞬间，滚流系数（用来衡量气流速度）高的话一般会好些。但是，试验性质的流量盒技术仅限于测试左边的数据，而模拟可以显示燃烧瞬间右边的滚流系数。本例中，两个滚流气道实际上相仿，便于工程师要么选择较好的注油口，要么继续开发一个能够在点火时取得较高滚流的系统。

3、缸内燃料喷射模型便于工程师评估油气混和情况以及撞击到燃烧室表面和缸套、阀门、活塞上燃料的数量。

4、图为Ricardo公司的VECTIS软件的一个四气门发动机缸内喷射和混和模型。

5、Ricardo软件公司提供了针对性的工具以加快数据分析。其中一些跟标准平面图、发动机循环、或者曲柄角一样简单，而其他工具较为复杂，比如“声学采集”（?acoustic acquisitions）是设计在试验中起设备作用的。

6、CAE方面新的技术进步可以让其应用较好的涡轮模型，比如图中这个能利用STARCCM和CD-adapco里面的流量和Large Eddy Simulation（LES）涡流模型预测汽油喷射的主要分散情况。