基于CAE仿真的DOC转化效率研究

王先瑞，雷蕾，周波

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

近年来，汽车发动机的节能减排的重要性已经被提到前所未有的高度，这不仅要求限制有害污染物的排放，而且要求限制CO2排放和降低油耗，提高发动机的热效率。如何合理选择后处理路线及后处理系统集成，让发动机排放水平满足法规要求，既保持较高的热效率，又保护环境，成为汽车工程师们越来越关心的问题。传统的后处理系统开发重心在于试验开发，主要在试验阶段通过不同的后处理系统选择和标定手段来满足法规要求。但随着市场竞争的加剧，工程师必须在开发时采用更有针对性的措施来缩短开发周期；另外由于排放法规的日趋严苛，后处理系统的开发难度大幅度上升。

CAE分析是现代发动机开发的重要手段之一，它使得发动机的设计者能更早的了解产品的性能表现，针对可能出现的问题采取针对性措施，从而有效提高产品质量并缩短开发周期。鉴于后处理系统开发的重要性和难度，相关的 CAE分析已经成为发动机设计中CAE分析一项重要内容，且随着时间推移，相关CAE分析的比例呈上升趋势[1-4]。

依据试验采集数据，建立仿真模型、调试参数并标定模型；发动机标定参数用于排放循环中的 DOC的计算中，对DOC进行标定，以保证后期项目仿真分析工作预测精准度,并降低后期试验开发周期和工作量。

1 仿真模型标定

在进行CAE仿真的优化设计之前，须确保仿真模型本身的准确性，保证该模型能够满足工程应用要求。对于热力学仿真分析而言，柴油机分析模型的计算结果与试验结果差值在4%、关键工况点（额定转速、最大扭矩转速、最小转速）在2%以内是合格的。

图1 发动机仿真模型标定结果

表1 仿真值与试验值对比结果

综上所述，修正后BOOST模型计算结果与试验结果在数值上与曲线形状上吻合性均较好，主要性能指标包括扭矩、功率及比油耗误差最大均低于限值4%，关键点低于2%；进气量数值与试验趋势接近，最大误差为 6%，认为该模型建模成功，能满足工程应用要求。

2 DOC转化效率标定

DOC又称氧化型催化转化器，安装在发动机排气管路中，通过氧化反应，讲发动机排气中一氧化碳CO和碳氢化合物转化成无害的水喝二氧化碳的装置。它是发动机排放后处理系统中重要的组成部件之一，因此如果想要准确预测排放循环工况下的排气水平，需要对DOC进行精准标定。

标定过程运用 AVL软件公司 Boost软件中的优化工具Design Explorer。这一工具提供了不同的优化算法，由于BOOST的计算速度很快且对计算资源要求不高，推荐使用遗传算法（Genetic Algorithm）。将所有反应的重要动力学参数均定义为变量，在Design Explorer中将其定义为自动参数优化的设计变量，并给出上下限值进行寻最优解计算。

标定结果见图2，结果显示CO、HC、NO试验测试值与仿真值在数值与曲线形状上吻合度均较好，仿真标定结果是准确可靠的。

图2 CO、HC、NO试验与仿真对比值

3 结论

本文运用CAE仿真分析方法对发动机性能进行标定、排气系统中的DOC性能进行标定，分析结论如下：

（1）对发动机性能标定结果在数值和曲线形状上均满足误差要求，仿真模型与发动机真实状态相符，为后续 DOC标定工作奠定了基础。

（2）对 DOC性能标定结果显示，CO、HC、NO转化率试验测量值与仿真值在数值与曲线形状上均接近，说明DOC仿真标定是成功的，仿真状态与实物真实状态是一致的。

（3）通过以上标定工作，为后期DOC选型及设计优化工作奠定了基础，并对减少试验开发周期和工作量具有一定的指导作用。与此同时，仿真结果与试验相互验证，做到了理论与实际紧密结合。

参考文献

[1] 刘惟信.机械最优化设计(第 2版)(M).北京：清华大学出版社,1994.39—226,280—287.

[2] 肖合林,李小毅.气油机凸轮型线的计算机优化设计[J].内燃机.2004,20(3)：5-6,20.

[3] 张桂昌.柴油机配气机构动力学分析及凸轮型线优化设计[D].天津大学.2009.

[4] 赵琦等.低温对发动机启动的影响[J].柴油机. 2003.34(2).