用虚拟测试改善对内燃机排热的预测

    发动机设计师正面临设计出更高效的发动机来降低排放和油耗的压力。为了实现这些设计目标，当前趋势是发动机小型化和提高压缩比以提高功率输出。提高功率输出会对热管理提出更高要求。较高的热负荷会产生热应力，可能会导致发动机使用寿命缩短或发生故障。除了要满足政府新出台的具有挑战性的规定外，工程师们还要缩短开发周期以更快地将出色的产品推向市场。

    内燃机通过燃料燃烧和发动机运动件在相对运动中的摩擦产生热量。发动机和车辆开发的一个关键阶段就是设计出各种技术以管理和发散这种热量，统称排热。良好的排热工程对高温条件下发动机保持最佳性能，以及暖机期间发动机的性能优化具有关键作用。与稳定工作温度条件相比，冷启动下内燃机的效率明显低得多，因此发动机开发的一个重要目标就是通过确保系统和组件尽快达到预期的工作温度范围来减少能源损失。

    对于排热的预测，常规的作法是通过发动机实物样机和专用排热试验台完成。问题是一旦建造了实物样机，修改和优化发动机设计即会产生昂贵的花费。理想情况下，排热的相关问题应在设计周期的最初阶段就得到确定，然后才开始着手制造第一个硬件。

    InDesA GmbH（集成设计分析）开发了一种新的预测排热的方法，该方法通过基于软件的虚拟测试完成，并以实物测试数据作为支持。InDesA是一家位于德国慕尼黑以北的咨询和工程服务公司，专门从事复杂流体流动和传热系统的模拟与分析。InDesA的方法围绕一个嵌入虚拟机舱环境中的详尽的STAR-CCM+®发动机模型而构建。使用Gamma Technologies的GT-SUITE软件通过1D发动机流程模拟来获得燃烧和排气温度，而摩擦热则通过实物测试得出。

图1 早期开发阶段的实物发动机样机

通过实物样机进行排热测试的缺点

    测量排热的传统方法是使用如图1所示的早期开发阶段的发动机实物样机。首先，发动机的气缸盖中将安装压力指示器。这将测量出所谓的指示平均有效压力（IMEP），以及制动平均有效压力（BMEP），代表飞轮的扭矩。使用这两个测量出的数据得出整个发动机的摩擦，即平均摩擦有效压力（FMEP）。特别铸造和装配的汽缸盖必须安装在发动机上才能获得这些测量值，这增加了复杂性和成本。

    发动机样机还装配了温度传感器（热电偶）以监控发动机温度。这对于测试工作台上进行操作时确保发动机不会受损十分重要。另一个复杂情况是需要特殊的测试工作台：排热测试要求工作台装有发动机油和冷却液的调节装置，而普通的发动机测试工作台没有这种装置。