Achates Power 新款發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) CAE技術(shù)功不可沒(méi)

阿凱提斯動(dòng)力的工程師構(gòu)建了一個(gè)由三部分構(gòu)成、三重迭代的計(jì)算模型，可謂前所未有。該模型采用優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法來(lái)測(cè)算氣缸渦流，是ConVERGE CFD和GT-Power的改良版模型。（圖表來(lái)源：阿凱提斯動(dòng)力）

美國(guó)阿凱提斯動(dòng)力公司（Achates Power）打造的2沖程對(duì)置活塞壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)已正式計(jì)劃投入市場(chǎng)。據(jù)阿凱提斯稱，同標(biāo)準(zhǔn)的4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)相比，該款發(fā)動(dòng)機(jī)能夠大大提升燃油能效。而就像2017年2月號(hào)的《汽車(chē)工程》（Automotive Engineering）有關(guān)這款發(fā)動(dòng)機(jī)的封面報(bào)道中曾提到的，要讓這個(gè)有100多年歷史的動(dòng)力技術(shù)概念在本世紀(jì)付諸實(shí)踐，還有很多實(shí)際問(wèn)題有待解決。

毫無(wú)疑問(wèn)，技術(shù)細(xì)節(jié)需要更詳盡完備。為此，阿凱提斯研發(fā)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用先進(jìn)的CAE模擬仿真技術(shù)（CAE simulations），在造價(jià)更低、運(yùn)算更快的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)上模擬仿真運(yùn)行，以使細(xì)節(jié)方面更趨精準(zhǔn)。

阿凱提斯的首席執(zhí)行官David Johnson說(shuō)，“1990年我剛加入福特時(shí)，公司有一臺(tái)克雷超級(jí)計(jì)算機(jī)（Cray Supercomputer）。這在當(dāng)時(shí)絕對(duì)是個(gè)寶貝，只有很少的工程師能用到它。而如今，阿凱提斯給每名工程師都配備了與之性能相當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)設(shè)備，公司有1/3的工程師每天都會(huì)用到。”

對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域的工程師而言，阿凱提斯的這一大膽構(gòu)思絕對(duì)讓人激動(dòng)無(wú)比，尤其是那些在較小公司工作的同行。而要弄清楚這一設(shè)計(jì)為何如此令人興奮，我們還得先簡(jiǎn)單了解一下相關(guān)背景。


模擬仿真阿凱提斯燃燒系統(tǒng)從邊側(cè)噴油器產(chǎn)生的噴射氣流。（圖片來(lái)源：阿凱提斯動(dòng)力）

模擬仿真軟件和基本原理

燃燒模型建模的復(fù)雜和困難程度遠(yuǎn)超想象，工程師需要十分精確地了解燃燒在哪個(gè)部位，什么時(shí)間發(fā)生，如何膨脹，以及熱量如何釋放，其精確程度需要達(dá)到毫米級(jí)別，且以微秒為時(shí)間單位。

所有現(xiàn)代CAE模擬仿真采用的都是離散技術(shù)。一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型（CAD model）被分成若干個(gè)計(jì)算元細(xì)胞，再使用有限元（finite-element）或有限體積（finite-volume）法模擬出液體流動(dòng)、熱量釋放、自動(dòng)點(diǎn)火（爆震）、氮氧化物、煙炱以及未燃燒的碳?xì)浠衔锏葼顟B(tài)，然后在元細(xì)胞中或元細(xì)胞之間解出“簡(jiǎn)化后”的方程。而對(duì)于阿凱提斯這樣的對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)而言，要了解技術(shù)細(xì)節(jié)，將元細(xì)胞準(zhǔn)確定義到亞毫米級(jí)至關(guān)重要。而最終得到的則是數(shù)百萬(wàn)的元細(xì)胞和方程，這些數(shù)據(jù)必須在逾千步的分析中實(shí)現(xiàn)同步處理。

而在每個(gè)亞毫米級(jí)的元細(xì)胞內(nèi)，要做出燃燒模型則需要模擬出一套復(fù)雜的化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。由于其太過(guò)復(fù)雜，大多數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)廠商都會(huì)采用相對(duì)簡(jiǎn)單的燃料模擬物來(lái)代替真的燃料。畢竟，真的燃料中所包含的化學(xué)復(fù)合物多達(dá)數(shù)百種，而燃料模擬物中的化合物則只有幾十種。

舉例而言，我們從阿凱提斯技術(shù)開(kāi)發(fā)副總裁Fabien Redon處獲悉，在設(shè)計(jì)9.8升柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的模型時(shí)，阿凱提斯使用的燃料模擬物由35種物質(zhì)混合而成，需要77個(gè)反應(yīng)步驟。阿凱提斯的軟件供應(yīng)商ANSYS和Convergent Science都會(huì)為其提供燃料模擬物的數(shù)據(jù)庫(kù)和詳盡的化學(xué)動(dòng)力反應(yīng)模型。比如，ANSYS會(huì)提供汽油、柴油、航空煤油及其他燃料、天然氣或合成燃?xì)?、生物燃料以及燃油添加劑等模擬物的相關(guān)數(shù)據(jù)，客戶根據(jù)其具體需求合理選用。而隨著時(shí)間的推移，這些數(shù)據(jù)庫(kù)也將不斷擴(kuò)充。

但這些還不是CAE模擬的全部。由于燃料在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的燃燒情況不盡相同，燃燒時(shí)，燃料和空氣的混合物會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)位移和膨脹。這就需要將三維的流體力學(xué)計(jì)算代碼（即CFD）和化學(xué)動(dòng)力編碼配對(duì)后，進(jìn)行三維的燃燒分析。拿上例來(lái)說(shuō)，每個(gè)元細(xì)胞需要在渦輪模型下計(jì)算77道反應(yīng)步驟和配對(duì)后獨(dú)立的納維—斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）。這也就難怪克雷超級(jí)計(jì)算機(jī)一度如此搶手了。


要減輕大計(jì)算量模擬仿真工具的工作負(fù)荷，涉及不少技術(shù)，其中就包括自適應(yīng)網(wǎng)格系統(tǒng)，可以進(jìn)一步提高模擬仿真工具的效用。（圖片來(lái)源：Convergent Science）

適應(yīng)性強(qiáng)的智能軟件

盡管如今計(jì)算機(jī)的能力已經(jīng)能夠逐漸滿足CAE日益增長(zhǎng)的需求，軟件開(kāi)發(fā)者仍需設(shè)法降低其復(fù)雜度。不過(guò)，建立能夠一直運(yùn)行的固定模型已經(jīng)是相對(duì)容易的部分了。如今CAE軟件公司已開(kāi)發(fā)出了自動(dòng)網(wǎng)格生成、多部件燃料蒸發(fā)模型、元細(xì)胞分組（用以化學(xué)動(dòng)力計(jì)算）以及網(wǎng)格自適應(yīng)改良（adaptive mesh refinement）等技術(shù)。

網(wǎng)格自適應(yīng)改良技術(shù)可將體積小的元細(xì)胞置于溫度或燃燒等變量對(duì)結(jié)果影響明顯的區(qū)域，而將體積大的元細(xì)胞置于影響不明顯的區(qū)域，以便進(jìn)一步減輕計(jì)算的負(fù)荷。

Redon指出，網(wǎng)格自適應(yīng)改良技術(shù)在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)都會(huì)進(jìn)行運(yùn)算，這一點(diǎn)對(duì)阿凱提斯研發(fā)團(tuán)隊(duì)而言尤其有幫助，因?yàn)槿紵齾^(qū)域處在對(duì)置的活塞之間?；谟脩糇远x的網(wǎng)絡(luò)控制參數(shù)，Converge Science公司的代碼會(huì)在運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)行自適應(yīng)改良，減少了對(duì)腳本或模板的依賴。其他代碼也會(huì)進(jìn)行類似操作。

盡管優(yōu)質(zhì)詳盡的模型對(duì)于理解氣缸內(nèi)的燃燒動(dòng)態(tài)十分重要，然而研發(fā)者最終想看到的還是發(fā)動(dòng)機(jī)在各種負(fù)荷和速度狀況下的表現(xiàn)。據(jù)Redon稱，由于對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)使用氣缸掃氣技術(shù)替代提升閥，測(cè)試的預(yù)估是否足夠精確，完全取決于對(duì)空氣、燃料以及氣門(mén)關(guān)閉時(shí)未排出氣體的建模。

此外，有些進(jìn)出氣缸的氣流和燃燒無(wú)關(guān)。若要將這一因素考慮在內(nèi)，就要涉及到Redon所說(shuō)的三維開(kāi)放式循環(huán)分析（3D Open Cycle Analysis）。這一情況下，開(kāi)發(fā)人員就需要對(duì)已提交的代碼做重大調(diào)整，而這通常是需要CAE公司提供支持的部分。

阿凱提斯還建了一個(gè)摩擦模型，來(lái)預(yù)估動(dòng)力氣缸、變速箱、曲軸軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)附件以及密封件等所帶來(lái)的主要摩擦損失。Redon解釋道，“用來(lái)計(jì)算動(dòng)力氣缸和曲軸軸承摩損的是曲軸角解算模型。這一模型的特點(diǎn)是在計(jì)算這些部件的摩擦?xí)r，囊括了氣缸壓力長(zhǎng)期變化的影響。”


掌握了CAE工具以及相關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)后，阿凱提斯的工程師就能克服多項(xiàng)對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)所固有的技術(shù)難題。（圖片來(lái)源：阿凱提斯動(dòng)力）

系統(tǒng)模型和最優(yōu)化技術(shù)

要建立一個(gè)完全可行的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，阿凱提斯就要將其變成一維或系統(tǒng)模型。阿凱提斯的做法是把Gamma Technologies公司的GT Power技術(shù)運(yùn)用到發(fā)動(dòng)機(jī)上。這類一維代碼并非是要從空間上模擬仿真氣缸內(nèi)的情況，而是對(duì)理解其熱力學(xué)方面的狀況大有幫助，并能提供指示扭矩和熱效率數(shù)據(jù)。再將其和三維的流體力學(xué)計(jì)算代碼，以及經(jīng)Converge Science公司改進(jìn)過(guò)的三維開(kāi)放式循環(huán)分析相結(jié)合，就能生成一個(gè)三部分構(gòu)成的三階段迭代循環(huán)（參見(jiàn)圖表）模型，來(lái)預(yù)估發(fā)動(dòng)機(jī)的表現(xiàn)。

這一模型的另一特點(diǎn)是迭代循環(huán)內(nèi)還嵌入了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）。這種統(tǒng)計(jì)工具可用來(lái)進(jìn)行氣門(mén)傾角的幾何計(jì)算，從而估計(jì)氣門(mén)的方位和渦流。Redon稱，從已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的長(zhǎng)期相關(guān)性表現(xiàn)中可以看出，模型有足夠的精確度。


除了精確計(jì)算燃燒和液體流動(dòng)的各項(xiàng)數(shù)值，如今的軟件還能優(yōu)化氣缸的幾何形態(tài)和各部件的組合，以使整個(gè)系統(tǒng)更趨完美。設(shè)計(jì)優(yōu)化的發(fā)展非常激動(dòng)人心，越來(lái)越多的多領(lǐng)域優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)已得到運(yùn)用，這些都有助于工程師拿出更好的設(shè)計(jì)。

“我們正在將優(yōu)化技術(shù)運(yùn)用到我們的燃燒CFD上，以找到活塞碗形狀、燃燒時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)和噴油器噴霧模式之間的最佳組合。”Redon指出，“根據(jù)具體的應(yīng)用和參數(shù)設(shè)計(jì)空間等不同情況，我們可以采用相應(yīng)的遺傳算法和實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行最優(yōu)化處理。”

展望CAE軟件的未來(lái)，值得關(guān)注的一點(diǎn)是，其中大多數(shù)工具都能通過(guò)平行計(jì)算輕而易舉地提高運(yùn)算速度，像CFD或化學(xué)動(dòng)力學(xué)編碼皆是如此。如今，很多臺(tái)式計(jì)算機(jī)都是四核或八核處理器，以后甚至?xí)唷Ｒ虼耸褂肅AE會(huì)變得越來(lái)越容易，從而對(duì)既有的理念和技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)，而這正是阿凱提斯動(dòng)力如今正在進(jìn)行的變革。

作者：Bruce Morey
來(lái)源：SAE《國(guó)際汽車(chē)工程（AEI）》雜志