CAE-发动机解决方案
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发动机解决方案
1 发动机概述
1.1 综合性能进展
（一）用于机车船舶及固定式装置的中低速柴油机
在中、低速大型动力装置中几乎毫无例外的采用柴油机。
（二）高速车用发动机
由于能源和环境形势的严峻，车用发动机的生产和使用都受到排气净化法规和燃油耗法规的严格限制，这种限制促进了内燃机技术水平的提高和各种新技术的开发研究与应用，使车用发动机达到一个新的水平。
1、车用汽油机
汽油机仍是汽车发动机的传统机型，升功率高，工作柔和平稳，噪声低，比容积小，比质量轻，在轿车和轻型车上仍占有优势。
为满足排放法规并达到良好的燃油经济性，汽油机采用了高空燃比、稀混合气燃烧系统、多气门技术、燃油喷射系统等技术，得到了长足发展。
2、车用柴油机
通常柴油机车的运行油耗比汽油机要低30~40%，所以近年来国际上明显的发展趋势是大量发展柴油机车，即使在轿车领域，柴油机的渗透量也在逐年增加。
（三）小型通用柴油机
为耕耘机、拖拉机等农业机械配套二发展起来的，大致分为卧式和立式两大类。立式柴油机由于作业机械向大型发展，以及考虑到改善操作条件，并满足小型、高速、大功率以及低振动、低噪声等方面的要求，正向多缸机发展，可用于农业以外的一般工业用途，也是车用柴油机激烈竞争的对象。
1.2 基本构造及工作原理
1.2.1 构造
骨架：机体、气缸套、曲轴箱、气缸盖、油底壳
两大机构：曲柄连杆机构、配气机构
五大系统：进排气系统、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、起动系统
1.2.2 工作原理
1.3 市场及发展
柴油发动机是目前产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最
好、最节能的机型，它已经成为汽车、农业机械、工程机械、船舶、内燃机车、地质和石油钻机、军用、通用设备、移动和备用电站等装备的主要配套动力。由于其行业覆盖面较广，因此，柴油机行业和国家整体经济走势密切相关。
2011年2011年我国柴油机十强企业分别为玉柴集团、一汽集团、淮柴、全柴、东风汽车、东风朝柴、云内动力、重汽集团、江西江玲、山东莱动，其产、销量分别占柴油机总产、销量的85.39%和85.92%，行业集中度高，柴油机十强企业基本代表柴油机市场的整体状况。
（一）影响行业发展的主要因素：
1）宏观调控
2010年以来，我国经济继续朝着宏观调控的预期方向发展，更趋于均衡增长，正逐步从政策拉动型向内生增长型转变，因此目前我国宏观调控的主要任务是“转变经济发展方式、调整优化经济结构”，国家将加大“加快淘汰落后产能，促进全国节能减排”的调控力度，促进经济的健康发展。
在汽车市场中，宏观调控对商用车市场的影响最大，这种影响历史上已经有过先例。随着国家“加快淘汰落后产能，促进全国节能减排”的落实，柴油机行业面临一定压力，其中资金链较紧、产能规模较小、技术相对落后、产品比较单一的柴油机生产企业将受到较大冲击，将进一步提升柴油机行业的市场集中度。
2）优惠政策
国家出台汽车产业调整和振兴规划，主要内容包括：全国范围推进汽车产业重组；推出新能源汽车补贴、自主品牌发展、汽车下乡补贴、农机补贴、加快老车报废财政补贴等政策；加快汽车金融建设、培育汽车消费市场和规范汽车信贷；出台了《取消限购汽车不合理规定》、规范二手车发展、汽车购置税减免等措施；重新修订了《汽车产业发展政策》，实行新燃油税政策和逐步取消二级公路收费；在资金上加快城市交通体系建设的投入，支持企业研发、促进汽车自主创新。
长期以来，能源与环境问题日益严峻，国家出台了许多节能减排的政策，这直接加速了SUV、轿车等乘用车的柴油化趋势，并推动了相关柴油机企业的销量增长。因此，国内柴油机行业的稳定增长势头还将延续一段时间。
3）汽车行业运行情况
4）原材料价格
5）排放标准
为了减少污染，尽快提高我国发动机的产品标准，促进技术进步，我国已颁布实施《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》（GB18352.3-2005）和《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、V阶段）》（GB17691-2005）涵盖了各种燃料的轻型汽车和柴油、NG/LPG燃气发动机的重型汽车污染物排放标准。2011年12月29日国家环境保护部公告，我国将从2013年7月1日统一实施柴油车领域国Ⅳ标准的型式，国Ⅳ标准柴油车将在2013年释放需求。随着排放法规的贯彻和实施，企业会产生分化，技术落后、竞争力差的企业将会被淘汰，而资金实力雄厚、技术水平领先的企业将会迎来一个巨大的市场。
（二）行业发展趋势、前景
我国柴油发动机行业的未来发展主要反映在以下几个方面：
1）随着我国加强基础工程建设，重型载重车及工程机械的需求旺盛，对大马力柴油机的需求量增大，高功率柴油机的生产将成为今后的一个发展方向；
2）随着生产材料和工艺的发展，相关零部件制造水平的提高，车用柴油机强化程度将不断提高，这是整个柴油机技术的发展趋势；
3）国家对于排放标准的要求越来越严格，提高排放控制技术水平是生产企业求发展的必要手段；
4）我国柴油机行业发展除了面临环保法规的巨大压力的同时，还面临着石油资源日趋枯竭的现实，因此对于能耗经济性要求越来越高，进一步降低燃油消耗及寻找代用燃料是对今后行业发展的要求。
综合来看，我国柴油发动机行业经过各方的共同努力，无论在产品性能还是产品质量上，都有了较大幅度的提高。尽管目前在许多方面与国际先进水平还存在着一定差距，并且整个行业依然面临着各种问题和挑战，但行业总体发展前景看好。
十二五确定的内燃机行业重点发展的产品领域是：
1）发展低耗能、低排放的乘用车和商用车用发动机以及各种代用燃料发动机。
2）发展大功率、大扭矩、高可靠性，排放达到国家标准要求的大中型工程
机械用柴油机。
3）发展经济性好、可靠性高、适应性强，为各种农业机械配套的环保和节能型柴油机及汽油机。
4）发展低排放、低能耗的通用小型汽油机和高端大排量摩托车用汽油机。
5）发展为大型船舶配套的低油耗低排放大功率中低速柴油机。
6）发展为地质和石油钻机配套用新型高可靠性柴油机。
7）发展为国防工业配套用高功率密度的柴油机。
8）发展为旅游休闲、娱乐运动产业和低空飞行器配套用汽油机和柴油机。
9）发展混合动力乘用车和增程式电动车用内燃机。
10）发展为先进内燃机配套的零部件。
11）发展用于内燃机设计开发、生产制造和检验测试用的各类先进测试设备和仪器。
12）发展内燃机开发、实验验证、标定匹配和应用管理体系的信息化技术平台。
2 发动机设计一般步骤
发动机的设计一般分为以下几个阶段：概念研究、概念设计、详细设计、样品试制、试验开发、标准化。CAE/CFD计算分析已经渗透到各个阶段和不同的技术领域，大大加快了产品的开发进程，对设计方案的改善、对策探讨、确认和新现象的解析发挥了很好的效果。
发动机主机厂研发的重点主要是系统集成方面的创新。为了实现发动机各系统的良好的集成，主机厂需要进行发动机概念设计、系统参数优化，如选择合理的供油系统、增压器系统等，然后在概念设计的基础上进行详细的零部件设计。
2.1 1、概念设计阶段
主要目的是整体方案的确定，该阶段主要的分析项目主要有
①热力学仿真。根据设定的设计指标，如最大扭矩、额定功率、最低油耗、部分负荷油耗等确定设计方案和重要参数。需要确定的发动机参数主要有气门正时，气道特性，进、排气歧管，进气稳压腔，进气系统压损、排气系统背压等。分析时进行参数调整，使性能计算达到设计目标，还可以进行性能优化分析。
②一维润滑系统仿真。主要预测润滑系统的主回路压力，流量，油膜厚度等来支持润滑系统的布局设计。
③一维冷却系统仿真。预测不同发动机转速下的冷却液质量流量，压力损失，确定冷却系统方案，水泵流量等。
④配气机构分析。主要是凸轮型线设计及运动学校核，包括升程、包角、丰满度、阀系静态特性等。机构动力学分析，主要是飞脱、阀面落座冲击及反跳、弹簧动力特性、凸轮与从动件的接触应力等。
⑤轴承摩擦预测。为轴承和其他传动副布局的确定提供参数和依据。
⑥轴承载荷分析。预测各转速下轴承载荷和轨道曲线，为润滑系统分析提供输入。
⑦曲轴强度分析。预测应力和安全系数，支持曲轴结构布局和材料的确定。
2.2 2、详细设计阶段
该阶段主要是关注具体结构的细化，主要分析项目有：
①气道分析。对气道特性进行评价，提供改进方向，优化气道流量系数和涡流/滚流比。
②进排气歧管、催化器等流动特性分析。
③排气系统温度计算，耦合得到温度场、热应力等，评价其热负荷特性。
④进排气系统噪声分析
⑤催化器CFD仿真
⑥水套流动仿真。包括稳态流动性能分析，主要评价其基本流动特性；稳态冷却性能分析，计算换热系数评价其冷却特性，耦合计算得到缸体、缸盖的热应力、温度场等。
⑦缸内瞬态流动分析。评价燃烧室形状的合理性
⑦喷雾瞬态仿真，喷雾+缸内流动。喷雾及流动相互作用的效果，缸内空燃比分布，对进气道与喷油器的匹配进行相应的评估。
⑨燃烧计算。燃烧系统开发，预测燃烧性能和排放性能。
⑩缸盖缸体整体温度场分析、整体结构分析。
3 各系统及主要性能关键设计点和解决方案
3.1 进、排气系统
3.1.1 关键问题
进、排气系统是柴油机第一重要的系统，因为充足、清洁的空气对柴油机的性能影响很大。
1）进气系统设计的第一个问题是系统的噪声。进气噪声与消声容积有关，消声容积一般是指空滤器和谐振腔的容积之和。一般来说，消声容积越大越好。对 空滤器壳体来说，其容积越大，消声量就越大，可以调节的频带也就越宽。对赫 姆霍兹谐振器，容积越大，可以用于消声的频率越低，消声频带也越宽。在一定 消声容积的情况下，合理匹配不同消声单元是设计的关键。
2）进气系统设计的第二个问题是系统的压降。在消声容积一定的情况下，如果要降低进气系统噪声，则需要缩小进气管的截面积（截面积越小，扩张消声器的扩张比就越大，消声效果就越好）。但管道的截面积如果太小，在额定空气体积流量的情况下，气流流速就会提
高，摩擦阻力、能量损失也就相应增大，最终导致压降升高，空滤器充气效率降低。所以减小进气系统的阻力与降低进气口噪声对进气管道截面积的要求是相互矛盾的。在设计过程中，必须保证空气滤清器在声学性能较好的情况下，同时满足压降的要求。
3）进气系统设计的第三个问题是进气口位置的选择。从防水、雪、灰尘的角度考虑，进气口应尽量放置在较高的位置，或尽量离车轮较远的位置；从噪声角度考虑，进气口相当于进气系统的主要噪声源，因此从降低车内噪声的角度出发， 进气口应远离车厢，使得噪声源与驾驶员和车内乘客之间的距离越远越好；从降 低通过噪声的角度出发，进气口应尽量避免直接朝向车辆的左右两侧，如可将进
气口放置在侧板里面，将进气口与外界隔开。除此之外，进气口应尽量放置在机 舱内温度较低的部位，这样可以保证有充足的冷空气进入到气缸内，提高发动机 燃烧效率。以上对进气口位置的要求很难全部满足，应合理取舍，以发动机可靠性为主，NVH 性能为次，例如必须先要满足防水、雪、灰尘的要求之后，再考虑对噪声的要求
进气歧管CFD分析关注问题：
降低压力损失
每缸充气均匀
