一种发动机水套放热量仿真预测方法、系统与流程

1.本技术涉及发动机技术领域，尤其涉及一种发动机水套放热量仿真预测方法、系统。


背景技术：

2.发动机水套放热量仿真预测方法主要适用于在发动机开发过程中，尚未试制完成实体样机，需要评估预测发动机在特性工况下的放热量数据，以供整车搭载开发相应的冷却热平衡系统，目前并没有预测发动机水套放热量数据的相关技术。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本技术实施例提供了一种发动机水套放热量仿真预测方法、系统。
4.本技术实施例的技术方案是这样实现的：
5.第一方面，本技术实施例提供了一种发动机水套放热量仿真预测方法,所述方法包括：
6.基于发动机水温、进气歧管温度以及预设的燃烧参数，获取排气流量边界、缸内温度分布边界和气体与缸体缸盖的对流换热系数；
7.获取水套各进出口冷却液流量；
8.基于所述排气流量边界、缸内温度分布边界、气体与缸体缸盖的对流换热系数以及水套各进出口冷却液流量，预测发动机水套放热量。
9.第二方面，本技术实施例提供了一种发动机水套放热量仿真预测系统，所述系统包括：
10.仿真模块：用于基于发动机水温、进气歧管温度以及预设的燃烧参数，获取排气流量边界、缸内温度分布边界和气体与缸体缸盖的对流换热系数；获取水套各进出口冷却液流量；基于所述排气流量边界、缸内温度分布边界、气体与缸体缸盖的对流换热系数以及水套各进出口冷却液流量，预测发动机水套放热量。
11.本技术实施例所提供的技术方案，能够在开发初期预测发动机放热量信息，使整车热平衡开发工作尽早开展，一次性达成热平衡考核试验，避免早期粗糙预估放热量与发动机样机测试结果偏差较大，造成的整车反复设计变更。
附图说明
12.图1是本技术实施例所提供的发动机水套放热量仿真预测方法的流程示意图一；
13.图2是本技术实施例所提供的发动机水套放热量仿真预测方法的流程示意图二；
14.图3是本技术实施例所提供的发动机水套放热量仿真预测系统的示意图。
具体实施方式
15.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
16.需要说明的是，本技术实施例中，术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本技术实施例中，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
17.在本技术实施例的描述中，术语“对应”可表示两者之间具有直接对应或间接对应的关系，也可以表示两者之间具有关联关系，也可以是指示与被指示、配置与被配置等关系。
18.为便于理解本技术实施例的技术方案，以下对本技术实施例的相关技术进行说明：
19.平均有效压力(international materiel evaluation program，imep)：单位气缸工作容积发出的指示功称为平均指示压力
20.指示燃料消耗(indicated specific fuel consumption，isfc)：比油耗即燃油消耗率，是指发动机每发出1kw指示功率，在1h内所消耗的燃油质量(以g为单位)，用ge表示，单位为g/(kw.h)。
21.为了能够更加详尽地了解本技术的特点与技术内容，下面结合附图对本技术的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本技术。
22.图1为本技术实施例提供的一种发动机水套放热量仿真预测方法的实现流程示意图一，如图1所示，本技术实施例提供一种发动机水套放热量仿真预测方法，所述方法包括：
23.步骤101:基于发动机水温、进气歧管温度以及预设的燃烧参数，获取排气流量边界、缸内温度分布边界和气体与缸体缸盖的对流换热系数。
24.这里，可以通过热力学性能仿真的迭代过程和燃烧系统仿真的迭代过程获取排气流量边界、缸内温度分布边界和气体与缸体缸盖的对流换热系数，当热力学性能仿真与燃烧系统仿真均迭代稳定后，热力学性能仿真输出排气流量边界，燃烧系统输出气体与缸体缸盖的对流换热系数。可以通过热力学性能仿真与燃烧系统仿真的imep和isfc来判断热力学性能仿真的迭代过程和燃烧系统仿真的迭代过程是否收敛，当imep与isfc均收敛，则热力学性能仿真的迭代过程和燃烧系统仿真的迭代过程均收敛。
25.具体的，热力学性能仿真的每次迭代过程包括：基于发动机水温、进气歧管温度以及燃烧参数进行热力学性能仿真，输出瞬态进气流量和压力边界。在首次迭代过程中，可以基于发动机水温、进气歧管温度以及预设的燃烧参数进行热力学性能仿真，输出瞬态进气流量和压力边界，在非首次迭代过程中，基于发动机水温、进气歧管温度以及燃烧系统仿真输出的燃烧参数，输出瞬态进气流量和压力边界；燃烧系统仿真的每次迭代过程包括，基于热力学性能仿真输出的瞬态进气流量和压力边界进行燃烧系统仿真，输出燃烧参数。燃烧参数包括：缸压曲线、ca10、ca50、ca90，其中ca10、ca50、ca90分别表示在燃烧过程中燃料燃烧10％、50％、90％时对应的曲轴转角。
26.基于此，本技术另一实施例所提供的发动机水套放热量仿真预测方法，所述基于发动机水温、进气歧管温度以及预设的燃烧参数，获取排气流量、温度边界、缸内温度分布边界和气体与缸体缸盖的对流换热系数，包括：
27.进行热力学性能仿真的迭代过程和燃烧系统仿真的迭代过程，直到热力学性能仿真与燃烧系统仿真的imep和isfc均收敛；基于收敛后的热力学性能仿真的输出以及燃烧系统仿真的输出，获取排气流量边界、缸内温度分布边界和气体与缸体缸盖的对流换热系数；
28.其中，所述热力学性能仿真的每次迭代过程包括：基于发动机水温、进气歧管温度以及燃烧参数进行热力学性能仿真，输出瞬态进气流量和压力边界；在首次迭代过程中，所述燃烧参数为预设的燃烧参数；在非首次迭代过程中，所述燃烧参数为燃烧系统仿真输出的燃烧参数；
29.所述燃烧系统仿真的每次迭代过程包括：基于所述热力学性能仿真输出的瞬态进气流量和压力边界进行燃烧系统仿真，输出燃烧参数。
30.进一步的，对于热力学性能仿真，可以基于特定的仿真软件完成，如gt-power、avl-boost，用于分析发动机的工作状态，根据发动机的几何参数和增压器等零部件的性能数据，构建发动机热力学模型，设定燃烧参数，进行发动机热力学仿真，工况迭代稳定后(扭矩、进气压力、排气温度循环波动小于0.1％)，取最后一个循环的瞬态压力、流量、温度数据。瞬态进气流量和压力边界是指在特性的发动机工况(转速、扭矩)下，进入气缸的新鲜气体质量流量随曲轴角度变动的数据(一个循环的曲轴转角为720
°
)。对于发动机热力学性能仿真，需要具备爆震预测功能，因此，在进行仿真分析时需要考虑到进气歧管温度和发动机水温对发动机爆震的影响。这里，几何参数是缸径、冲程、连杆长度、活塞偏置、进排气歧管的形状等
31.对于燃烧系统仿真，可以基于特定的仿真软件完成，如avl-fire、converge。根据发动机缸盖、缸体、活塞、气门数模，构建燃烧系统仿真模型，输入瞬态进气流量、进气压力边界数据，设定点火提前角，进行燃烧过程数值模拟仿真预测，根据分析结果，导出缸压曲线、ca10、ca50、ca90等燃烧过程数据。同时导出缸体、缸盖与燃烧气体接触面的气体温度和对流换热系数结果。
32.可通过如下方式判断上述热力学性能仿真与燃烧系统仿真的imep和isfc是否收敛，将当前迭代过程中燃烧系统仿真的imep数值相比于热力学性能仿真的imep数值的增长率或下降率与预设的第二阈值进行比较，将当前迭代过程中燃烧系统仿真的isfc数值相比于热力学性能仿真的isfc数值的增长率或下降率与预设的第二阈值进行比较，若都小于或等于预设的第二阈值，所述热力学性能仿真与燃烧系统仿真的imep和isfc均收敛。
33.基于此，本技术一实施例所提供的发动机水套放热量仿真预测方法，所述热力学性能仿真与燃烧系统仿真的imep和isfc均收敛，包括：
34.将当前迭代过程中燃烧系统仿真的imep相比于热力学性能仿真的imep和当前迭代过程中燃烧系统仿真的isfc相比于热力学性能仿真的isfc的增长率或下降率分别与预设的第二阈值比较，若都小于或等于预设的第二阈值，所述热力学性能仿真与燃烧系统仿真的imep和isfc均收敛。
35.在本技术一实施例中，所述预设的第二阈值为3％。
36.步骤102:获取水套各进出口冷却液流量。
37.这里，可以通过冷却系统仿真来获取水套各进出口冷却液流量。
38.基于此，本技术一实施例所提供的发动机水套放热量仿真预测方法，所述获取水套各进出口冷却液流量，包括：
39.进行冷却系统仿真，获取水套各进出口冷却液流量。
40.具体的，冷却系统仿真是发动机开发中的一项仿真工作，可以基于特定的仿真软件，如gt-power、flowmaster，也可以通过excel等工具配平计算。冷却系统管路根据实体数模构建冷却系统仿真模型，零部件流阻和水泵性能采用试验实测的流量～压降曲线数据，通过仿真分析得出不同发动机转速下，流经各零部件的冷却流量。
41.步骤103:基于所述排气流量边界、缸内温度分布边界、气体与缸体缸盖的对流换热系数以及水套各进出口冷却液流量，预测发动机水套放热量。
42.这里，可以通过水套cfd仿真的迭代过程和缸体缸盖温度场仿真的迭代过程获取发动机水套放热量，具体的，当输入水套cfd仿真的缸体缸盖温度分布边界收敛时，基于收敛后的水套cfd仿真的输出，获取水套cfd仿真的固体表面换热功率统计结果，即发动机水套放热量结果。
43.进一步的，水套cfd仿真的每次迭代过程包括：基于步骤102获取的水套各进出口冷却液流量以及缸体缸盖温度分布边界进行水套cfd仿真，输出冷却液温度分布及冷却液与缸体缸盖的对流换热系数；在首次迭代过程中，所述缸体缸盖温度分布边界为预设的缸体缸盖温度分布边界；在非首次迭代过程中，所述缸体缸盖温度分布边界为缸体缸盖温度场仿真输出的缸体缸盖温度分布边界；缸体缸盖温度场仿真的每次迭代过程包括：基于所述排气流量边界、缸内温度分布边界、气体与缸体缸盖的对流换热系数、冷却液温度分布以及冷却液与缸体缸盖的对流换热系数进行缸体缸盖温度场仿真，输出缸体缸盖温度分布边界。
44.基于此，本技术另一实施例所提供的发动机水套放热量仿真预测方法，所述基于所述排气流量边界、缸内温度分布边界、气体与缸体缸盖的对流换热系数以及水套各进出口冷却液流量，预测发动机水套放热量，包括：
45.进行水套cfd仿真的迭代过程和缸体缸盖温度场仿真的迭代过程，直到输入水套cfd仿真的缸体缸盖温度分布边界收敛；基于收敛后的水套cfd仿真的输出，获取水套cfd仿真的固体表面换热功率统计结果，即发动机水套放热量结果。
46.其中，所述水套cfd仿真的每次迭代过程包括：基于所述水套各进出口冷却液流量以及缸体缸盖温度分布边界进行水套cfd仿真，输出冷却液温度分布及冷却液与缸体缸盖的对流换热系数；在首次迭代过程中，所述缸体缸盖温度分布边界为预设的缸体缸盖温度分布边界；在非首次迭代过程中，所述缸体缸盖温度分布边界为缸体缸盖温度场仿真输出的缸体缸盖温度分布边界；
47.所述缸体缸盖温度场仿真的每次迭代过程包括：基于所述排气流量边界、缸内温度分布边界、气体与缸体缸盖的对流换热系数、冷却液温度分布以及冷却液与缸体缸盖的对流换热系数进行缸体缸盖温度场仿真，输出缸体缸盖温度分布边界。
48.对于水套cfd仿真，可以基于特定的仿真软件完成，如star-ccm ，根据发动机缸体、缸盖数模，构建冷水套模型，根据冷却系统仿真的流量结果设定水套各进出口的流量边界，参考冷却系统分析结果设定水套出口冷却液压力、温度边界，仿真得到水套内冷却液的
流场分布以及和缸体缸盖接触面的对流换热系数和冷却液温度分布。
49.对于温度场仿真，可以基于特定的仿真软件完成，如abaqus。根据发动机缸体、缸盖数模构建温度场仿真模型，划分网格，依据燃烧系统仿真结果，输入缸体、缸盖与气侧接触面的温度、压力和对流换热系数，同时根据冷却水套cfd仿真结果，输入缸体、缸盖与冷却液接触面的温度、压力和对流换热系数，计算缸体、缸盖固体部分的换热过程，得出缸体缸盖的壁面温度和温度分布结果。
50.可以通过如下方式判断输入水套cfd仿真的缸体缸盖温度分布边界是否收敛，将当前迭代过程中输入水套cfd的仿真缸体缸盖温度分布边界相比于上次输入水套cfd的仿真缸体缸盖温度分布边界的增长率或下降率与预设的第一阈值比较，若小于或等于预设的第一阈值，则所述缸体缸盖温度分布边界收敛。
51.基于此，本技术一实施例所提供的发动机水套放热量仿真预测方法，所述输入水套cfd仿真的缸体缸盖温度分布边界收敛，包括：
52.将当前迭代过程中输入水套cfd的仿真缸体缸盖温度分布边界相比于上次输入水套cfd的仿真缸体缸盖温度分布边界的增长率或下降率与预设的第一阈值比较，若小于或等于预设的第一阈值，则所述缸体缸盖温度分布边界收敛。
53.需要说明的是，缸内温度分布边界指的是缸内气体在缸体缸盖的温度分布边界，缸体缸盖温度分布边界指的是冷却液在缸体缸盖的温度分布边界
54.本技术上述实施例所提供的的发动机水套放热量仿真预测方法，通过完整边界映射以及多轮迭代分析，提升了分析精度，确保水套放热量预测的准确性。并且本方案引入了进气歧管温度和发动机水温边界，充分考虑了环境因素对发动机放热量的影响，适用于较为广泛环境条件下的放热量预测，实现了发动机水套放热量的预测分析功能。
55.在本技术另一实施例中，所述预设的第一阈值为3％。
56.图2是本技术另一实施例所提供的发动机水套放热量仿真预测方法的实现流程示意图二，如图2所示，该实施例所提供的发动机水套放热量仿真预测方法包括以下步骤：
57.步骤201：根据发动机的几何结构及性能目标，进行热力学性能仿真，该仿真任务需具备爆震预测功能，分析时考虑进气歧管温度和发动机水温对发动机爆震的影响；热力学性能仿真输出每个发动机循环周期内所有进排气道的瞬态流量、压力边界。
58.步骤202：燃烧系统仿真将瞬态进气流量和压力边界作为输入进行仿真，输出燃烧参数。
59.步骤203：热力学性能仿真根据燃烧仿真结果更新燃烧参数进行仿真，再次更新进排气道的瞬态流量、压力边界。
60.步骤204：燃烧系统仿真更新瞬态进气流量和压力边界，再次进行仿真。
61.步骤205：对比热力学性能仿真与燃烧系统仿真的imep和isfc，偏差＞3％视为迭代未收敛，返回步骤203；偏差≤3％视为迭代收敛，燃烧系统仿真输出缸内温度分布边界和气体与缸体缸盖的对流换热系数，热力学仿真输出排气流量边界。
62.步骤206：进行发动机冷却系统仿真，分析得出水套各进出口冷却液流量。
63.步骤207：进行水套cfd仿真，输入冷却系统流量边界，预估输入缸体缸盖温度边界，分析得出冷却液温度分布及冷却液与缸体缸盖的对流换热系数。
64.步骤208：根据燃烧系统仿真输出的缸内温度分布边界和气体与缸体缸盖的对流
换热系数，热力学仿真输出的排气流量边界，以及水套cfd分析输出的冷却液温度分布及冷却液与缸体缸盖的对流换热系数，进行缸体缸盖温度场仿真，得出缸体缸盖温度分布边界。
65.步骤209：水套cfd将温度场分析的缸体缸盖温度分布边界映射作为输入，再次进行仿真。
66.步骤210：对比两次水套cfd输入采用的缸体缸盖温度分布，偏差＞3％，认为未收敛，返回步骤208；偏差≤3％，认为迭代收敛，输出水套cfd的固体表面换热功率统计结果，即为发动机水套放热量结果。
67.为了实现本技术应用实施例所述的广告节目实时替换方法，本技术实施例还提供了一种发动机水套放热量方针预测系统300；图3为本技术实施例提供的发动机水套放热量方针预测系统300的结构示意图，如图3所示，本技术应用实施例提供的发动机水套放热量方针预测系统300，包括：
68.仿真模块301：用于基于发动机水温、进气歧管温度以及预设的燃烧参数，获取排气流量边界、缸内温度分布边界和气体与缸体缸盖的对流换热系数；获取水套各进出口冷却液流量；基于所述排气流量边界、缸内温度分布边界、气体与缸体缸盖的对流换热系数以及水套各进出口冷却液流量，预测发动机水套放热量。
69.在本技术其他实施例中，所述仿真模块301，具体用于进行热力学性能仿真的迭代过程和燃烧系统仿真的迭代过程，直到热力学性能仿真与燃烧系统仿真的imep和isfc均收敛；基于收敛后的热力学性能仿真的输出以及燃烧系统仿真的输出，获取排气流量边界、缸内温度分布边界和气体与缸体缸盖的对流换热系数；其中，所述热力学性能仿真的每次迭代过程包括：基于发动机水温、进气歧管温度以及燃烧参数进行热力学性能仿真，输出瞬态进气流量和压力边界；在首次迭代过程中，所述燃烧参数为预设的燃烧参数；在非首次迭代过程中，所述燃烧参数为燃烧系统仿真输出的燃烧参数；所述燃烧系统仿真的每次迭代过程包括：基于所述热力学性能仿真输出的瞬态进气流量和压力边界进行燃烧系统仿真，输出燃烧参数。
70.在本技术其他实施例中，所述仿真模块301，具体还用于进行冷却系统仿真，获取水套各进出口冷却液流量。
71.在本技术其他实施例中，所述仿真模块301，具体还用于进行水套cfd仿真的迭代过程和缸体缸盖温度场仿真的迭代过程，直到输入水套cfd仿真的缸体缸盖温度分布边界收敛；基于收敛后的水套cfd仿真的输出，获取水套cfd仿真的固体表面换热功率统计结果，即为发动机水套放热量结果；其中，所述水套cfd仿真的每次迭代过程包括：基于所述水套各进出口冷却液流量以及缸体缸盖温度分布边界进行水套cfd仿真，输出冷却液温度分布及冷却液与缸体缸盖的对流换热系数；在首次迭代过程中，所述缸体缸盖温度分布边界为预设的缸体缸盖温度分布边界；在非首次迭代过程中，所述缸体缸盖温度分布边界为缸体缸盖温度场仿真输出的缸体缸盖温度分布边界；所述缸体缸盖温度场仿真的每次迭代过程包括：基于所述排气流量边界、缸内温度分布边界、气体与缸体缸盖的对流换热系数、冷却液温度分布以及冷却液与缸体缸盖的对流换热系数进行缸体缸盖温度场仿真，输出缸体缸盖温度分布边界。
72.在本技术其他实施例中，所述输入水套cfd仿真的缸体缸盖温度分布边界收敛，包括：将当前迭代过程中输入水套cfd的仿真缸体缸盖温度分布相比于上次输入水套cfd的仿
真缸体缸盖温度分布的增长率或下降率与预设的第一阈值比较，若小于或等于预设的第一阈值，则所述缸体缸盖温度分布边界收敛。
73.在本技术其他实施例中，所述热力学性能仿真与燃烧系统仿真的imep和isfc均收敛，包括：将当前迭代过程中燃烧系统仿真的imep相比于热力学性能仿真的imep和当前迭代过程中燃烧系统仿真的isfc相比于热力学性能仿真的isfc的增长率或下降率分别与预设的第二阈值比较，若都小于或等于预设的第二阈值，所述热力学性能仿真与燃烧系统仿真的imep和isfc均收敛。
74.本领域技术人员应当理解，图3所示的发动机水套放热量仿真预测系统中中的各单元的实现功能可参照前述方法的相关描述而理解。图3所示的发动机水套放热量仿真预测系统中的各单元的功能可通过运行于处理器上的程序而实现，也可通过具体的逻辑电路而实现。
75.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
76.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
77.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
78.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
79.另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
80.所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，)rom、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
81.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵
盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。