沃尔沃实现55%热效率优化措施

        沃尔沃55%热效率发动机项目为美国能源部超级卡车项目之一，本次推送将介绍沃尔沃55%热效率发动机技术路径。

图1 55%热效率发动机开发的主要步骤

       依托基础的喷雾、燃烧分析、发动机台架测试数据结合新的硬件平台以及燃烧分析工具来实现55%热效率发动机开发。燃料喷雾的特征是通过喷雾机理优化、三维仿真以及沃尔沃内部的喷雾模型而获得，而沃尔沃内部的喷雾模型是经过流体力学实验详细验证。燃烧过程分析包括气体流动过程分析以及燃烧过程分析。燃烧过程分析包括对标标准的mRIF（多个代表性交互式小火焰）CFD技术，该技术与传输概率密度函数（PDF）方法保持一致。然后将最终获取的高精度结果输入到GT-POWER模型中，然后获取BTE值。

       该研究工作是由沃尔沃联合宾夕法尼亚大学、密西根大学完成的。为了保证模拟结果的准确性，该研究工作先后进行了高低保真模拟验证，实验室验证以及发动机台架测试验证。模拟工作能够帮助企业深入理解先进的燃烧策略。详细过程包括设计分析过程、验证过程，最后文中讨论了上述过程对下一代发动机开发的影响。

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设计过程概述

图2 设计过程概述图

       在设计过程以及工具验证中包括仿真结果与实验结果之间的相互反馈。在分步过程中，沃尔沃团队应用一维以及三维仿真工具，并结合DOE方法来优化计算过程以及实验过程。DOE选择关键的发动机参数，这些参数能够被用于发动机测试验证，然后将这些参数输入到模拟边界条件中。在对DOE结果进行处理时，55%热效率的目标贯穿始终，选择了大量的参数用于开发未来的工具、实验平台以及软件平台。

  

图3 沃尔沃55％BTE发动机概念评估和优化方法

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发动机性能初步筛选

        在进行一维计算时，对空燃比、EGR率、喷油压力、喷油时刻等参数进行了正交测试，发动机转速从900r/min到1800r/min，结果如图4所示。从图中可以看出发动机能够在低速区间内取得较高的热效率（900-1200r/min）。随后选择发动机转速为1200r/min开展扭矩特性模拟，扭矩从740到1550N.m，对EGR率、喷油压力、喷油时刻等参数进行了正交测试具体结果见图5。

图4 55%热效率发动机不同当量比下热效率和NOx此消彼长的关系

       从图5中可以看出，当NOx原始排放控制在8 g/kW.h以上时，峰值缸压限制为30Mpa时，发动机的最高热效率可超过54.5%，接近目标热效率55%。

图5 55%热效率发动机不同扭矩下热效率和NOx此消彼长的关系

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深度优化过程

       在深度优化过程中，参数选择的范围进一步缩减，并使用沃尔沃内部多维的CFD模型实现计算，包括喷雾模型以及燃烧模型，其中喷雾模型是使用拉格朗日VSB2模型。该模型的核心思想为将燃油的喷雾和破碎过程视为一个整体，而不是单个的过程，该模型经过沃尔沃内部的验证，非常适用于发动机工况变化很大的发动机仿真。热力学以及燃烧模型是采用mRIF燃烧模型。该模型是由亚琛工业大学提出，假设扩散燃烧是由大量的非常小的层流火焰组成，这些层流火焰被湍流以标量耗散率拉伸开来。但是标量耗散率会随着油束以几个数量级的大小变化。解决的方法是求解多个小火焰，并将每个小火焰与它自己的燃料示踪剂耦合，然后仅在示踪剂当前占据的区域平均标量耗散率。因此该模型在喷雾的不同部分使用不用的小火焰，如果出现小火焰重叠的情况，则采用示踪剂加权的解决方案。

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燃烧室结构优化

       图6为燃烧室结构优化的对比分析图，从图中可以看出优化后的燃烧室能够使热效率提升0.3%，燃烧初期放热率明显增加，这是因为优化后的燃烧室油气混合过程得到了提升，同时凹入的形状可以形成更强的火焰再循环，使燃烧速率提升，增大燃烧室直径，以便于实现最佳的喷雾撞壁时间。

图6 燃烧室优化结果对比图

       换气过程优化主要是针对进排气阀以及进排气口的布局优化，从而减少热量以及流量的损失，从而提高容积效率。如图7所示，利用三维CFD converge软件进行了详细的数值分析，一维模拟结果提供三维仿真边界条件，用于气体交换以及传热模拟。气体交换的优化包括发动机再压缩以及发动机性能筛选。发动机再压缩过程是指调整气门时刻从而在气体交换过程获得最佳压力相位。图8为气体交换优化结果，从图中可以看出，基于重新设计的排气管再压缩过程可以提升0.35%热效率，性能筛选可以提升0.25%热效率。

图7 换气过程三维仿真

图8 换气过程优化对热效率的影响

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燃油喷射策略

       为了实现最优的BTE以及排放，进行了多次喷射对比的研究，包括5%总油量预喷策略结合95%总油量主喷、10%总油量预喷策略结合90%总油量主喷。主预喷间隔角从0度到50度。模拟结果显示最高热效率可达54.2%，Nox排放为8g/kW.h，发动机的转速为900r/min，扭矩为1550N.m。

图9 不同喷油策略下放热率对比

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总结

       上述模拟结果还需要台架试验进行验证，沃尔沃开发的上述CFD工具能够有效指导下一代发动机设计，但是这些工具还有待进一步完善与验证。

参考文献：O'Connor J, Borz M, Ruth D, et al. Optimization of an Advanced Combustion Strategy Towards 55% BTE for the Volvo SuperTruck Program[J]. SAE International Journal of Engines, 2017, 10(3): 1217-1227.

内燃机学报

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