汽油機排放仿真技術預研

結題報告

項目名稱:________汽油機排放仿真技術預研___________

依托單位:_______________同濟大學-----------------

承接單位:___________同濟大學汽車學院______________

課題負責人:_________________________

起止時間:____________________

目錄

一、項目研究目標及主要內(nèi)容...................................................-1-

1.課題背景及意義..........................................................-1-

2.研究目標及內(nèi)容..........................................................-2-

3.研究技術路線............................................................-3-

二、汽油機排放仿真現(xiàn)狀研究...................................................-1-

1.發(fā)動機排放仿真技術......................................................-1-

1.1仿真技術的特點........................................................-1-

1.2排放仿真技術分類.....................................................-1-

1.2.1發(fā)動機燃燒模型仿真...............................................-2-

1.2.2離線駕駛循環(huán)仿真.................................................-3-

1.2.3發(fā)動機工況-循環(huán)聯(lián)合仿真..........................................-6-

1.3發(fā)動機模擬仿真軟件...................................................-7-

1.3.1發(fā)動機工況模型仿真軟件...........................................-7-

1.3.2離線駕駛循環(huán)的仿真軟件...........................................-8-

2燃燒模型排放仿真研究現(xiàn)狀.................................................-10-

2.1燃燒模型仿真的實現(xiàn)..................................................-10-

2.2燃燒、噴霧及污染模型的研究現(xiàn)狀......................................-11-

2.3燃燒模型的應用研究..................................................-13-

2.3.1噴油控制策略的研究..............................................-13-

2.3.2燃料、參數(shù)對油耗及排放的影響研究................................-15-

2.3.3排放控制技術對排放的影響研究....................................-16-

2.4燃燒模型應用的實現(xiàn)形式..............................................-18-

2.3燃燒模型仿真的發(fā)展趨勢..............................................-18-

3.離線駕駛循環(huán)排放仿真研究現(xiàn)狀.............................................-19-

3.1離線駕駛循環(huán)仿真的實現(xiàn)..............................................-19-

3.2離線駕駛循環(huán)的仿真研究現(xiàn)狀...........................................-21-

3.2.1測試循環(huán)對排放的影響研究........................................-21-

3.2.2測試循環(huán)的影響因素及排放預測研究................................-22-

4.小結....................................................................-24-

三、汽油機節(jié)能減排技術應用調(diào)研...............................................-25-

1.二次空氣技術............................................................-25-

1.1二次空氣技術意義....................................................-25-

1.2二次空氣技術的研究與應用.............................................-25-

2.GPF技術的研究與應用....................................................-27-

2.1不同工況下GPF對顆粒物捕集效率的影響................................-27-

2.2GPF布局、結構、材料對顆粒物排放的影響..............................-28-

3.EGR技術的研究與應用...................................................-29-

3.1通用汽車EGR應用...................................................-30-

3.2日產(chǎn)汽車EGR應用....................................................-31-

3.3長城汽車EGR應用...................................................-32-

3.4法國石油研究院EGR應用.............................................-33-

3.5日立公司EGR應用....................................................-34-

3.6AVL公司EGR應用...................................................-34-

3.7EGR應用小結........................................................-35-

4.VVT技術的研究與應用...................................................-36-

4.1寶馬公司VVT技術應用...............................................-36-

4.2日產(chǎn)公司VVT技術應用...............................................-37-

4.3豐田公司VVT技術應用...............................................-38-

4.4德爾福公司VVT技術應用.............................................-39-

4.5本田公司VVT技術應用...............................................-40-

4.6福特公司VVT技術應用...............................................-41-

4.7菲亞特公司VVT技術應用.............................................-42-

4.8西門子/現(xiàn)代公司VVT技術應用.........................................-43-

4.9FEV公司VVT技術應用...............................................-43-

4.10VVT技術應用小結...................................................-44-

5.汽油機增壓技術的應用....................................................-44-

5.1大眾汽車公司的發(fā)動機增壓技術應用.....................................-45-

5.2奧迪汽車公司的發(fā)動機增壓技術應用.....................................-50-

5.3奔馳汽車公司的發(fā)動機增壓技術應用.....................................-51-

5.4福特汽車公司的發(fā)動機增壓技術應用.....................................-53-

6.其他技術的研究與應用..................................................-55-

6.1馬自達創(chuàng)馳藍天.......................................................-55-

6.2德爾福燃油噴射技術..................................................-55-

7.國內(nèi)外企業(yè)減排技術應用現(xiàn)狀及趨勢評價總結..............................-56-

8.排放控制技術對工況影響的研究..........................................-57-

9.小結..................................................................-59-

四、汽油機駕駛循環(huán)排放仿真模型建立...........................................-61-

1.模型目的................................................................-61-

2.模型方案總體設計........................................................-61-

2.1技術路線.............................................................-61-

2.2需求解讀............................................................-62-

2.3設備和應用軟件.......................................................-63-

3.基于萬有特性數(shù)據(jù)的排放預測..............................................-63-

3.1車輛信息、循環(huán)以及萬有特性數(shù)據(jù)的輸入.................................-63-

3.2測試循環(huán)到發(fā)動機工況的轉(zhuǎn)化..........................................-64-

3.2.1單點法..........................................................-65-

3.2.2滑行曲線法.......................................................-65-

3.3Simulink計算模塊....................................................-65-

3.4數(shù)據(jù)庫..............................................................-65-

3.4.1發(fā)動機、車輛數(shù)據(jù)庫..............................................-65-

3.4.2催化器數(shù)據(jù)庫....................................................-65-

3.5發(fā)動機工況到排放數(shù)據(jù)的映射..........................................-65-

3.6發(fā)動機工況的修正....................................................-66-

3.7排放數(shù)據(jù)的修正......................................................-66-

3.8結果的輸出..........................................................-66-

3.8.1發(fā)動機工況輸出..................................................-66-

3.8.2循環(huán)污染物瞬態(tài)排放輸出..........................................-66-

4.無萬有特性數(shù)據(jù)的排放預測...............................................-66-

4.1車輛參數(shù)、數(shù)據(jù)的輸入.................................................-66-

4.2數(shù)據(jù)庫篩選..........................................................-67-

4.3循環(huán)污染物瞬態(tài)排放的輸出............................................-67-

5模型的其他輔助功能.......................................................-67-

6.小結....................................................................."67-

五、離線駕駛循環(huán)仿真模型的驗證...............................................-68-

1.模型驗證方案............................................................-68-

1.1模型驗證定義........................................................-68-

1.2模型驗證目的........................................................-68-

1.3模型驗證標準........................................................-68-

1.3.1建模者以外的人運行模型..........................................-68-

1.3.2輸入不同參數(shù)類型車輛，輸出結果..................................-68-

1.3.3性能指示........................................................-68-

2.模型具體驗證過程.......................................................-69-

2.1模型GUI界面........................................................-69-

2.2模型計算流程........................................................-70-

2.3整車信息數(shù)據(jù)庫.......................................................-71-

2.4仿真結果的驗證......................................................-72-

2.4.1NEDC循環(huán)仿真結果與試驗結果的對比................................-72-

2.4.2不同數(shù)據(jù)映射方法仿真的對比........................................-82-

2.4.3不同測試循環(huán)結果的對比...........................................-84-

2.4.4不同技術減排效果的方向性研究......................................-87-

3.小結...................................................................-89-

六、總結與建議..............................................................-90-

6.1工作總結............................................................-90-

6.2可行的解決方案......................................................-92-

參考文獻.....................................................................-93-

附錄1Simulink計算模塊......................................................-99-

附錄2數(shù)據(jù)庫................................................................-111-

附錄3-模型建立指導書.......................................................-116-

附錄4-模型應用指導書.......................................................-217-

一、項目研究目標及主要內(nèi)容

1.課題背景及意義

汽車保有量的高速增長帶來能源需求與環(huán)境保護的雙重巨大壓力，汽車顆粒物排放逐漸成

為大城市的總懸浮顆粒物的主要來源之一。有研究表明，汽油車的顆粒物大多集中在粒徑較小

的核模態(tài)顆粒范圍，雖然其顆粒物質(zhì)量排放比柴油車要少一個數(shù)量級，但其總顆粒數(shù)量排放并

不能忽視。上海、北京等一些大城市出現(xiàn)長時間持續(xù)灰霾現(xiàn)象，引起國內(nèi)外廣泛關注，實現(xiàn)汽

車交通行業(yè)的減排是當前社會各界高度關注和亟待解決的重大環(huán)境問題。

20世紀60年代起，世界各國相繼制定和頒布了各自的排放法規(guī)來限制汽車的有害污染物

排放，并不斷加嚴。以歐盟為例，從歐洲I號到歐洲III號標準，污染物排放水平降低了90%,

2008年10月起，歐洲執(zhí)行歐V排放標準，2014年9月全面實施歐VI排放標準。與歐V排放

標準相比，歐VI標準的推行使車輛NOx排放減少80%,PM排放減少60%,達到近乎“零排放”。

歐VI輕型車污染物排放標準限值如表1所示。

表1-1歐VI』邑型車排放標準

電值mg/km

分類等級參考質(zhì)量RM/kg

COTHCNOxPMPN

M-全部1000100604.56*10"

IRM<13051000100604.56*10"

N1II1305<RM<17601810130754.56*10"

III1760<RM2270160824.56*10"

N2-2270160824.56*10"

注：(1)PN單位#/kg,其他mg/kg.

(2)5.0mg/km限值應用于使用2011年9月1日之前PM測試協(xié)定批準的車型

(3)強制點火發(fā)動機PM/PN限值僅限于直噴發(fā)動機

與國外相比，我國的排放法規(guī)起步較晚，2000年開始實施相當于歐I的汽車污染物排放限

值標準，2007年在全國范圍內(nèi)開始實施相當于歐III的國III標準，2010年7月1日開始實施國

IV標準，到2018年在全國范圍內(nèi)實施國V排放標準。在環(huán)境污染的壓力下，國內(nèi)部分城市和

地區(qū)提前實施了國V排放標準。例如，北京在2012年年底實施了京V標準，上海于2013年9

月施行了滬V標準，南京、廣州等長三角、珠三角重點城市也開始提前實施五階段標準。目前

北京正在進行京VI標準的相關研究，我國在排放法規(guī)實行的進度及現(xiàn)狀如圖1-1所示。

輕型車排放研究方法主要為試驗法和模擬法兩種。試驗法是了解發(fā)動機動態(tài)排放性能的一

種較直接和準確的方法，但試驗法需配備試驗轉(zhuǎn)鼓、排放分析儀等大型設備，需花費大量的人

力、物力，且試驗周期較長。模擬法可以彌補試驗法的不足，能夠快速、便捷的獲得分析結果,

在產(chǎn)品研發(fā)過程中節(jié)省成本，縮短周期，得到越來越廣泛的應用。

發(fā)動機仿真主要有基于臺架試驗數(shù)據(jù)的循環(huán)標定仿真和基于物理理論的現(xiàn)象學工況模型

仿真兩類?；谂_架試驗數(shù)據(jù)的循環(huán)標定仿真可利用發(fā)動機臺架獲取的穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)，建立某

些參數(shù)與排放的二維插值表，利用整車仿真軟件或者自定義算法過程實現(xiàn)對整個循環(huán)的油耗、

污染物排放預測。

測試循環(huán)不同，發(fā)動機工況差異較大,導致排放不同。在汽油機研發(fā)前期預測該機在NEDC

循環(huán)等污染物排放特性，分析不同測試循環(huán)對汽油機污染物排放的影響，有利于在汽油機開發(fā)

初期即選取合理的排放控制措施。

采取WT、高標準、詳細標定、提高油軌壓力、增壓等改善油氣混合質(zhì)量的機內(nèi)措施，采

用GPF、POC、EGR等機外尾氣處理技術是降低汽油機污染物排放的有效措施，如何在汽油

機研發(fā)前期預測VVT、EGR、GPF、增壓等污染物排放控制技術對該機排放的影響，進而預測

采用不同技術平臺汽油機NEDC循環(huán)、RTC循環(huán)污染物排放特性，有利于在汽油機開發(fā)初期

即選取合理的排放控制技術，提高研發(fā)效率，同時降低研發(fā)成本。

2.研究目標及內(nèi)容

⑴建立汽油機離線仿真模型，實現(xiàn)同一配置平臺下汽油機在不同測試循環(huán)的排放仿真,

分析測試循環(huán)對汽油機排放的影響。

(2)研究VVT、EGR、GPF、增壓等減排措施對汽油機污染物排放影響，實現(xiàn)不同配置平臺

下汽油機氣態(tài)及顆粒物減排效果方向性仿真。

3.研究技術路線

(1)進行汽油機排放仿真現(xiàn)狀研究，整理實現(xiàn)汽油機NEDC等測試循環(huán)排放離線仿真的方

法；

(2)利用MATLAB建立汽油機污染物排放離線模型，通過檔位、車輪半徑、主減速比等參

數(shù)，將NEDC循環(huán)車速轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷；基于發(fā)動機萬有特性數(shù)據(jù)，通過

插值等方法實現(xiàn)發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況排放到瞬態(tài)工況排放的轉(zhuǎn)化；

(3)建立冷起動和催化器模塊，實現(xiàn)冷起動及催化器起燃階段的污染物排放修正；

(4)基于試驗數(shù)據(jù)對建立的汽油機排放模型進行標定，實現(xiàn)NEDC、RTC、WLTC等不同測

試循環(huán)的排放仿真；

(5)氣態(tài)及顆粒物排放降低措施研究，通過調(diào)研研究VVT、EGR、GPF、增壓等減排技術

的減排放機理、分析VVT、EGR、GPF、增壓等減排技術的主要作用工況、氣態(tài)及顆

粒物減排放效果，實現(xiàn)減排措施對NEDC等循環(huán)排放改善潛力的方向性仿真。

具體技術路線如圖1-2所示。

VVTEGR增壓GPF

發(fā)

整環(huán)

動汽油機減排措施研究

機

車境排放離線仿真現(xiàn)狀

排放控制技術

作用工況點

循環(huán)一發(fā)動機

工況關聯(lián)

發(fā)動機穩(wěn)態(tài)一瞬

態(tài)工況關聯(lián)

聚

直

發(fā)動

催

冷

類輸出循環(huán)循環(huán)減排潛力

排

接

機

化

起

分預測

數(shù)排放結果

插

放

器

動

析

值

據(jù)

圖1-2技術路線

二、汽油機排放仿真現(xiàn)狀研究

1.發(fā)動機排放仿真技術

發(fā)動機的工作過程涉及到氣體流動、噴油、燃燒、傳熱與傳質(zhì)以及化學反應動力學等多種

物理、化學過程，發(fā)動機工作過程模擬仿真能通過計算機預測發(fā)動機的燃燒、排放等及各因素

的影響。傳統(tǒng)的排放性能預測是在燃燒模型和排放物形成機理模型上開展的，仿真過程一般可

分解為三個步驟：第一步，將具體的物理系統(tǒng)根據(jù)其內(nèi)部物理變化規(guī)律及外部影響因素加以簡

化或抽象，將物理學系統(tǒng)的運動形態(tài)表達為數(shù)學方程的形式，建立相應的數(shù)學模型，簡稱為從

物理到數(shù)學的步驟；第二步，運用數(shù)學的方法求解所建立的微分方程組，計算出表征系統(tǒng)過程

變化的諸參數(shù)，簡稱為從數(shù)學到數(shù)學的步驟；第三步，將求得的計算結果賦予物理意義，從機

理上加以討論和解釋，并判斷它是否符合物理系統(tǒng)的實際情況，簡稱從數(shù)學到物理的步驟。

1.1仿真技術的特點

傳統(tǒng)的“經(jīng)驗+臺架試驗”設計方法具有設計周期長、開發(fā)成本高，難以適應市場對產(chǎn)品

多樣化和小批量生產(chǎn)要求的特點。與傳統(tǒng)方法比較，計算機仿真技術有以下優(yōu)點：

1.可代替許多難以或無法實施的試驗。在工程實際中，針對無法通過實際運行來加以研

究的問題，采用計算機模擬，在抽象的模型上反復進行“數(shù)值試驗”，從而解決這種實際運行

或真實試驗難以解決的問題。

2.可解決一般方法難以求解的大型系統(tǒng)問題。針對一些大而復雜的系統(tǒng)，如采用理論分

析或從數(shù)學上求解的方法來進行分析研究十分困難，可以通過計算機模擬，用“數(shù)值試驗”方

法來加以研究。

3.可降低投資風險，節(jié)省研究開發(fā)費用。越是大型復雜系統(tǒng)和高新技術項目，其不可預

見性越大，相應的投資風險和人力、物力花費也越大。如果預先通過計算機模擬對系統(tǒng)或項目

的設計、規(guī)劃加以研究，并對系統(tǒng)建成后的運行效果進行模擬，就可以預先獲得許多寶貴的認

知，增加決策的科學性，減少失誤，降低投資風險，節(jié)省人力和物力。

4.可避免實際試驗對人身、財產(chǎn)的危害。通過計算機模擬達到預期目的，避免對人員、

財產(chǎn)的危害。

5.可縮短試驗時間，不受時空限制。

1.2排放仿真技術分類

發(fā)動機模型有基于臺架試驗數(shù)據(jù)的循環(huán)標定仿真和基于物理理論的現(xiàn)象學工況模型仿真。

現(xiàn)象學工況模型基于缸內(nèi)燃燒的化學反應動力方程，以缸內(nèi)壓力、溫度、燃油噴射率等信息作

為條件求解化學反應微分方程。該模型通過進氣量、噴油、點火角等參數(shù)的控制，模擬發(fā)動機

缸內(nèi)燃燒的各類反應以及排放產(chǎn)物的數(shù)量和質(zhì)量，從而得出某一工況下發(fā)動機燃油消耗、污染

物排放量等參數(shù)。同時，通過優(yōu)化相關的發(fā)動機參數(shù)，可以達到在該工況下降低污染物排放的

目的?；谂_架試驗數(shù)據(jù)的循環(huán)標定仿真不考慮發(fā)動機內(nèi)部的工作過程，僅利用發(fā)動機臺架獲

取的穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)，建立某些參數(shù)與排放的二維插值表，利用整車仿真軟件或者自定義算法過

程實現(xiàn)對整個駕駛循環(huán)的油耗、污染物排放預測。

1.2.1發(fā)動機燃燒模型仿真

發(fā)動機工況模型仿真根據(jù)發(fā)動機缸內(nèi)空間分布又可以將發(fā)動機模型劃分為：參數(shù)在整個氣

缸內(nèi)均勻而不隨空間變化的的零維模型、一定程度上反映空間不均勻性的準維模型和能夠準確

反應缸內(nèi)參數(shù)隨時間和空間分布和變化的多維模型。

1.2.1.1零維模型

零維模型又稱單區(qū)模型，基本思路是：從內(nèi)燃機工作循環(huán)各系統(tǒng)內(nèi)所發(fā)生的物理過程出發(fā),

用微分方程對各系統(tǒng)的實際工作過程進行數(shù)學描述，通過編制計算機程序，得到氣缸內(nèi)各參數(shù)

隨時間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的變化規(guī)律；再通過相應的計算公式，計算出發(fā)動機宏觀性能參數(shù)。也就

是說，零維模型假設缸內(nèi)各物理量在空間上的分布是均勻的，工質(zhì)在各個瞬時都達到熱力學平

衡狀態(tài)，符合理想氣體狀態(tài)方程。

零維模型定量地給出了燃料的燃燒放熱率，表征了進氣參數(shù)、轉(zhuǎn)速和負荷等與示功圖和放

熱率之間的關系，適于在整機工作過程的模擬、優(yōu)化和最優(yōu)控制中使用，為診斷和評價燃燒過

程提供了一種直觀的手段。但是，NOx、CO、HC、和微粒等燃燒污染物的形成與缸內(nèi)局部溫

度和各成分濃度密切相關，采用零維模型有其局限性。

1.2.1.2準維模型

準維模型又稱現(xiàn)象學模型。這類模型是在熱力學模型的基礎上考慮噴霧及火焰?zhèn)鞑サ任锢?/p>

過程的長度尺寸，把燃燒室按火焰位置或噴射區(qū)域分布形態(tài)分成兩個以上的區(qū)域，分別考慮噴

霧分散、油滴蒸發(fā)、混合與卷吸、燃燒與火焰?zhèn)鞑ゼ耙讶紖^(qū)燃燒產(chǎn)物變化等子過程，組成燃燒

模型預測缸內(nèi)不同區(qū)域的燃燒溫度，并針對不同機型側重不同的子過程，使放熱率更接近實際,

并且能預測有害排放物濃度。美國康明斯公司林慰梓等人提出的以氣相噴注為基礎的“氣相噴

注燃燒模型”和日本廣安博之等人提出的以油滴蒸發(fā)為基礎的“油滴蒸發(fā)燃燒模型”比較有代

表性，應用較為普遍，也比較成熟。但由于準維模型對若干子過程的描述是建立在經(jīng)驗的、表

象的基礎上，其通用性亦受到限制。

多維模型

多維模型主要是基于刻畫氣體流動引起傳熱、傳質(zhì)及燃燒現(xiàn)象，從最基本的質(zhì)量、動量和

能量守恒關系著手，建立控制缸內(nèi)過程的偏微分方程組，并通過一定的離散化方法，把偏微分

方程組離散化為線性代數(shù)方程組進行求解。多維模型從最初二維層流的數(shù)值模擬，逐漸發(fā)展到

了三維湍流流動的模擬。由于內(nèi)燃機的燃燒模型包括氣體運動、燃油噴霧、燃燒、傳熱等一系

列子模型，因此在多維模型發(fā)展期間逐步地增加了燃油噴霧過程、燃燒過程等模擬，使多維模

型的發(fā)展逐步完善，并且形成了模擬完整缸內(nèi)過程的三維通用模擬程序。圖1-2為各模型在模

擬時間和仿真內(nèi)容細節(jié)的差異和比較。

圖1-2仿真模型進程

1.2.2離線駕駛循環(huán)仿真

排放測試循環(huán)

目前世界上輕型汽車的排放測試標準有美國聯(lián)邦測試規(guī)范（FTP-75）、歐洲經(jīng)濟委員會測

試規(guī)范（NEDC）和日本的測試規(guī)范（JC08）三大體系，其他國家和地區(qū)大多參照執(zhí)行這些測

試循環(huán)和排放限值。歐洲經(jīng)濟委員會（ECE）1970年開始以ECER15法規(guī)的形式規(guī)范輕型汽

油機污染物和曲軸箱污染物的排放。隨著歐洲一體化進程的加深，自1993年開始執(zhí)行的歐洲

I號排放法規(guī)以來，接連不斷的加強排放限值標準，又逐步出臺了歐洲H號、HI號、IV號、V

號排放標準。在2006年12月歐盟正式批準通過了即將在2014年9月實施的歐VI排放標準。

圖1-3為1992年7月開始執(zhí)行的歐洲排放測試循環(huán)（NEDC）。它包括兩部分：第一部分ECE-15

段4循環(huán)（城市道路），第二部分為ECDU工況（郊區(qū)道路）。其中第一部分為核心部分，即通常

人們所說的十五工況法。

由于汽車發(fā)動機經(jīng)常處于變工況下運轉(zhuǎn)，在瞬態(tài)工況下如突加速、突加載清況下，有害排

放物的成分將會明顯增加，導致這部分排放量對總循環(huán)排放量的比重加大。排放標準己從穩(wěn)定

工況下的限值發(fā)展到根據(jù)工況試驗循環(huán)來限定排放值。在瞬態(tài)工況循環(huán)下測得的發(fā)動機排放值

更能反應發(fā)動機的實際運行情況。近幾年的調(diào)查研究表明當前普遍的測試循環(huán)不能夠很好的表

征實際道路的使用，因而車輛的污染物排放和油耗都被低估了。歐洲經(jīng)濟委員會框架下正在制

定一個新的更為動態(tài)化世界范圍適用的輕型車測試循環(huán)（世界統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)，WLTC）,

該循環(huán)能夠包含盡可能多的實際道路的速度和加速度的工況組合，同時也囊括了污染物排放比

較多的冷啟動以保證催化器的快速起作用。當前第五版的WLTC循環(huán)主要分為四個部分（低

速、中速、高速以及超高速，具體如圖1-4所示，測試總時間為1800s）,并且最高速度和最大

22

加速度也分別達到130km/h（NEDC：120km/h）、1.77km/s（NEDC：1.04km/s）o

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1,0201.0801.1401,2001260L3201.38013401,500

timeIns

圖1-4WLTCClass2Vehicles

同時，實際駕駛排放測試（RDE）也即將列入歐洲排放標準體系，實際駕駛排放測試包含

更多的發(fā)動機轉(zhuǎn)速區(qū)域、更高的負載以及更高的排氣溫度，整個歐洲測試循環(huán)法規(guī)制定進程如

圖1-5所示，在最近的世界統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)（WLTC）制定會議上希望在2018年初實行新

的排放測試循環(huán)。

Year20122013201420152016201720182019202020212022

Criteria

Euro5Euro5—

Emission

CO2fleet130g/km95g/km

OBDEuro5bEuro6-1Euro6-2

CriteriaemissionCriteriaemissionNoNEDC

NEDC

&CO2onlytesting

CO2(fleet&label)

WLTCWLTCdefinitionWLTCbasedtesting

Emissionopt

DocumetationLimited<criteria

RDE

COCpaperemissionlimit

RDEtestPEMS:PortableEmissiMeassurementSystem(onroad)

PEMS/RTSRTS:RandomTestCycle(onchasssis)

圖1-5歐洲排放法規(guī)進程

由于歐洲的地貌特征與我國接近，且歐洲標準的排放限值寬嚴適中，我國等效采用歐洲同

類標準，但根據(jù)我國國情，規(guī)定了自己的實施日程。按實施日期先后，我國頒布了兩份有關輕

型汽車排放標準，即GB1832.5-2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（第三、四階段）》

規(guī)定了國三、國四標準，國三標準主要適用于3.5噸的輕型汽油車和柴油車，相當于歐III標準,

全國的開始實施日期是2007日7月1日。國HI標準里強制要求安裝OBD（車載診斷系統(tǒng)）用

于檢測車輛行駛過程的排放，在排放出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)會發(fā)出警報。國四標準的排放在國三的

基礎上再進一步降低30%~50%的污染物才能達標。目前國家制定的GB18352.3-2013《輕型汽

車污染物排放限值及測量方法（第五階段）》也正式出臺，將于2018年左右實施。我國目前對

燃用優(yōu)質(zhì)無鉛汽油和柴油的輕型車執(zhí)行ECE15+EUDC循環(huán)（NEDC）,尚未實施瞬態(tài)循環(huán)測試

法規(guī)，但在歐洲、美國都已制定并實施了瞬態(tài)循環(huán)排放法規(guī)。作為技術儲備先行一步，各科研

機構、高校己積極開展了瞬態(tài)工況下發(fā)動機排放性能的研究，為應對新的排放法規(guī)對現(xiàn)生產(chǎn)或

正處于設計中的發(fā)動機提供改進方案、設計指導。

1.2.2.2基于臺架數(shù)據(jù)的循環(huán)性能仿真

基于臺架試驗數(shù)據(jù)的循環(huán)標定仿真利用發(fā)動機臺架獲取的穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)不同節(jié)氣門

開度下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率和排放之間的關系數(shù)據(jù)建立多維插值表，發(fā)動機的比油耗和

比排放是其轉(zhuǎn)速和扭矩（或功率）的二維函數(shù)，可用空間曲面的等值線（即萬有特性曲線）來表示。

利用發(fā)動機的這些特性曲線（如萬有特性曲線）和汽車的技術參數(shù)（如減速比、輪胎半徑等）

對汽車在各種典型行駛過程（如加減速、換擋、起步過程等）進行數(shù)值模擬，進而計算在不同

試驗循環(huán)下的燃油消耗和排放。

該方法簡單有效，試驗數(shù)據(jù)容易通過發(fā)動機性能試驗得到，但在實際汽車行駛過程中，發(fā)

動機通常處于非穩(wěn)定狀態(tài)，難以反映發(fā)動機的瞬態(tài)工作特性。為了使數(shù)據(jù)盡可能逼近發(fā)動機的

實際工況，應測量發(fā)動機非穩(wěn)定工況下的性能，但是測量工作難度較大。因此，一般使用穩(wěn)定

工況下的發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)來表示發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)工況性能。從穩(wěn)態(tài)到瞬態(tài)的轉(zhuǎn)化主要是

將獲取的試驗數(shù)據(jù)進行處理、擬合從而得到發(fā)動機的非穩(wěn)態(tài)工作特性，對若干工況點的比油耗

和比排放進行數(shù)學方法分析和延伸，再通過曲面擬合而得到。這樣，當發(fā)動機的工況一定時，

就可以由此得到該工況的比油耗或比排放值，對其修正即可得到發(fā)動機的瞬態(tài)特性。

同時亦可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡、非線性自回歸等數(shù)學辨識方法，從大量試驗數(shù)據(jù)中歸納出模型

輸入輸出之間的函數(shù)關系，也稱為灰箱模型。這類方法相對而言更容易反映發(fā)動機的瞬態(tài)過程,

但是需要大量試驗數(shù)據(jù)進行辨識。

1.2.3發(fā)動機工況-循環(huán)聯(lián)合仿真

工況-循環(huán)聯(lián)合仿真是結合不同的軟件平臺，利用發(fā)動機性能軟件可宏觀地描述發(fā)動機的

熱力學過程且優(yōu)化發(fā)動機的性能，整車仿真軟件可調(diào)用已建立的發(fā)動機模型。在進行道路循環(huán)

工況的仿真時，須對發(fā)動機全部工況點進行準確的標定。例如通過調(diào)整節(jié)氣門開度和燃燒模型

參數(shù)，標定發(fā)動機在多個轉(zhuǎn)速和負荷點的轉(zhuǎn)矩、功率和油耗，較好地模擬發(fā)動機的動力性和經(jīng)

濟性。最后基于循環(huán)工況，將發(fā)動機模型與整車仿真軟件進行聯(lián)合仿真，分析發(fā)動機瞬態(tài)工況

的動力性、油耗和排放等參數(shù)，即能夠兼顧到某些工況的改善和研究，又能研究整個循環(huán)過程

下排放的影響。

當前主要的聯(lián)合仿真分為一維、三維的聯(lián)合，采用CFD軟件建立發(fā)動機的流體動力學3D

模型，而采用一維的軟件設定邊界條件和參數(shù)信息，從而簡化模擬的程序和時間，也能夠獲得

較好的排放仿真結果。一類是采用發(fā)動機性能軟件和整車仿真軟件(比如BOOST和CRUISE、

GT-Power和GT-suite)建立完整的整車-排放仿真預測，該類仿真需要設定較多的模塊參數(shù)，

實現(xiàn)整個發(fā)動機、底盤、路面的仿真，可以作為整車設計開發(fā)的手段，但影響參數(shù)很多，因而

排放的準確度有待提高；還有一類是在一維發(fā)動機性能仿真軟件的基礎上通過設計型軟件自主

添加模塊，對控制策略、性能參數(shù)進行優(yōu)化修正，有很好的技術研究價值，但需要設計者有很

強的程序設計和模塊調(diào)用能力，自主性比較強。

1.3發(fā)動機模擬仿真軟件

1.3.1發(fā)動機工況模型仿真軟件

計算機模擬仿真技術在汽車企業(yè)研發(fā)過程中應用十分廣泛。如計算流體力學軟件

(ComputationalFluidDynamics,簡稱CFD)KIVA、FIRE、FLUENT.WAVE、FLOWMASTER

等；發(fā)動機性能仿真軟件GT-POWER.BOOST等；發(fā)動機與整車匹配軟件CRUISE,GT-Drive

等。

KIVA系列程序由美國LosAlamos國家試驗室主持研究開發(fā)，包括KIVA,KIVA-IL

KIVA-3,KIVA-3V,KIVA-3V(第二版)及各種改進版本，代表了當今內(nèi)燃機燃燒模擬的最新成

就。由于其源程序是開放的，研究者們可在其原有模型的基礎上使其更完善或更適用于某一特

定的情況，因此許多國家的研究者們運用KIVA程序進行內(nèi)燃機工作過程的理論研究與探索。

FLUENT程序是一種有代表性的CFD軟件，它的前置處理器GAMBIT具有一定的幾何建

模能力和功能強大的網(wǎng)格生成能力。GAMBIT不僅提供了結構化網(wǎng)格和分區(qū)剖分網(wǎng)格能力，

而且能夠生成完全非結構化網(wǎng)格，其中包括4面體網(wǎng)格、6面體網(wǎng)格、三角柱網(wǎng)格和金字塔型

網(wǎng)格，并允許以上多種網(wǎng)格的混合。GAMBIT與大多數(shù)的CAD/CAE系統(tǒng)有豐富的接口，用戶

可以在ACIS,IGES,STL,STEP.Pro/E,I-DEAS和ANSYS等軟件中構造幾何模型和網(wǎng)格，

然后輸入FLUENTofLUENT軟件包括的物理模型有定常和非定常流動、層流、紊流、不可壓

縮和可壓縮流動、傳熱和傳質(zhì)、多孔介質(zhì)、化學反應、粒子運動軌跡和多相流、自由表面流、

相變流。

英國Adapco公司的Star-CD軟件由主程序、人性化的GUI(GraphicUserInterface)操作界

面和前后處理器PROSTAR組成，還有專門用于缸內(nèi)氣體流動模擬的前處理器ICE。因它的計

算和分析時間比較短，所需內(nèi)存容量不大，且也可以自動生成非結構化網(wǎng)格，因此廣泛應用于

發(fā)動機定常流、噴霧燃燒和冷卻水等領域的分析。Star-CD和FLUENT是使用較為廣泛的兩

種商用CFD軟件，F(xiàn)ord、通用和本田等許多汽車公司常常兩種軟件同時使用，計算結果互相

比較。

作為奧地利AVL公司的發(fā)動機專用三維模擬軟件FIRE依靠其強大的試驗能力的支持，最

近發(fā)展也相當快。FIRE是由一個新的前處理模塊FAME-Engine和CFD求解器相結合而形成

的軟件，主要針對缸內(nèi)流動計算、噴霧擴散和燃料與空氣的混合，它更重視用戶在幾何模型階

段的發(fā)動機參數(shù)。

GT-Power軟件是美國GammaTechnologies公司開發(fā)的計算一維氣體流動的商業(yè)軟件，它

屬于GT-SUIT系列主計算程序。GT-SUIT系列程序包含：GT-Power,GT-POST.MUFFLER.

VT-DESIGN四大部分。GT-Power為主計算程序，計算內(nèi)燃機（包括汽油機、柴油機）從進氣

到燃燒再到排氣整個過程，包括進氣過程中氣體參數(shù)，燃燒過程，內(nèi)燃機各性能參數(shù)，排氣情

況等；GT-POST為計算結果的后處理程序，它可以把計算結果以表格、圖等方式表達，對計

算結果進一步處理；MUFFLE為設計計算程序，用于設計內(nèi)燃機消音器；VT-DESIGN全稱為

VALVATRAIN-DESIGN,氣閥傳動機構設計，用于設計內(nèi)燃機氣閥傳動機構方面的計算。

AVL-BOOST軟件是奧地利AVL公司研制的功能強大、界面友好的發(fā)動機穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性

能分析軟件。它可以通過建立整臺發(fā)動機模型的模擬程序，仿真包括燃燒在內(nèi)的發(fā)動機整個循

環(huán)和進排氣系統(tǒng)的特性，研究壓縮比等參數(shù)對總體性能的影響。BOOST應用范圍廣，功能強

大，用戶界面友好。可應用于柴油機、汽油機、代用燃料發(fā)動機，二沖程、四沖程，摩托車發(fā)

動機、船機發(fā)動機等；同時可用于發(fā)動機工作模擬分析，聲學線性非線性分析，尾氣后處理分

析，特別適合燃燒模擬和配氣系統(tǒng)優(yōu)化設計；與三維仿真軟件Fire、控制策略開發(fā)軟件

MATLAB、整車性能分析軟件CRUISE等都有接口兼容，耦合使用能實現(xiàn)聯(lián)合開發(fā)。

1.3.2離線駕駛循環(huán)的仿真軟件

基于循環(huán)的仿真分析主要通過整車性能軟件來實現(xiàn)，比如CRUISE、GT-Drive等，CRUISE

軟件是AVL公司主要用于車輛的動力性，燃油經(jīng)濟性的仿真，其模塊化的建模理念使得用戶

可以便捷的搭建不同布置結構的車輛模型，復雜完整的求解器也可以確保計算的速度，廣泛應

用與車輛傳動系統(tǒng)和發(fā)動機的開發(fā)，可以計算優(yōu)化車輛的經(jīng)濟性和動力性能。沒有專門針對循

環(huán)排放的仿真軟件。

該類軟件能夠通過車輛動力學原理將發(fā)動機工況和運行工況結合起來，在測試循環(huán)下實現(xiàn)

排放的仿真，軟件中集成的模塊能夠快速實現(xiàn)仿真的功能，循環(huán)的設定既可以利用原有的

NEDC、FTP等測試循環(huán)，也可以自由設定測試的循環(huán)，因而具有很好的通用性；也能夠利用

MATLAB這類自主性更大的軟件，自己設計程序和模塊，完成對整車排放性能的仿真研究，

同時該軟件內(nèi)包含豐富的開發(fā)模塊和算法，對于其他一維、三維軟件有著很好的接口，能夠充

分利用進行聯(lián)合仿真，提高仿真的合理與準確性。

還有一類軟件如MATLAB自主設計性比較強，既能夠用工況模型的開發(fā)，也能夠建立完

整循環(huán)的排放仿真，且具有很好的通用性。

MATLAB是目前國際上最流行的科學與工程計算的軟件工具，是自動控制、航空航天、

汽車設計等諸多領域仿真的首選語言。MATLAB是由美國MathWorks公司推出的一個應用軟

件MATLAB是一種高性能的科學與工程計算軟件，它把科學計算、程序編寫以及結果的可視

化等都集中在一個環(huán)境中，MATLAB系統(tǒng)包括以下幾個主要部分：

編程語言：它是以矩陣和數(shù)組為基本單位的編程語言；

工作環(huán)境：包括了一系列的應用工具，提供編寫和調(diào)試程序的環(huán)境；

圖形處理：包含繪制二維、三維圖形和創(chuàng)建圖形用戶界面(GUI)等；

數(shù)學庫函數(shù)：包含了大量的數(shù)學函數(shù)，也包括復雜的功能；

應用程序接口(API)：提供接口程序，使MATLAB可以與用其他語言編寫的程序進行交互。

Simulink是MATLAB的一個附加組件，為用戶提供了一個建模與仿真的工作平臺"它是一

種用來實現(xiàn)計算機仿真的軟件工具，用于研究微分和差分方程描寫的非線性動態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)對

工程問題的模型化的動態(tài)仿真"在世界范圍內(nèi)，模型化浪潮背景下，Simulink恰恰體現(xiàn)了模塊

化設計和系統(tǒng)級仿真的具體思想，其采用模塊組合的方法來創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型，其優(yōu)

點是快速、準確。

總體而言，仿真軟件在現(xiàn)代車輛設計中有著不可代替的作用，不同的仿真軟件具有不同的

發(fā)動機性能設計?；诠r的仿真研究主要涉及某些特定典型的運行工況，因而能從微觀上觀

察和分析發(fā)動機的運行和排放的機理，一般建立基于物理化學理論基礎的燃燒發(fā)動機模型來表

征微觀現(xiàn)象，這類軟件有BOOST、GT-Power,主要是用于一維發(fā)動機模型的建立，應用比較

廣泛，能夠配合相應的整車仿真軟件進行聯(lián)合仿真，實現(xiàn)整車的性能模擬，但缸內(nèi)燃燒的模型

一般是理想狀態(tài)下均勻分布的多區(qū)域燃燒的模擬，沒有混合氣形成以及噴油影響的設定，因此

不能完全準確的表征缸內(nèi)燃燒的現(xiàn)象；同時CFD模型在發(fā)動機缸內(nèi)燃燒也越來越受到重視，

軟件主要有AVL-Fire、Star-CD以及KIVA系列，該類軟件能夠詳細描述缸內(nèi)燃燒的情況，體

現(xiàn)燃油噴霧和混合氣形成的影響，對于研究缸內(nèi)燃燒和污染物形成的機理有更清晰的理解，從

燃燒角度改善發(fā)動機的性能和降低污染物的排放。

2燃燒模型排放仿真研究現(xiàn)狀

2.1燃燒模型仿真的實現(xiàn)

某一工況下的燃燒仿真是基于物理、化學、熱力、流動等原理，運用數(shù)學理論進行分析計

算。建立合理精確的模型，利用到缸內(nèi)燃燒的基本理論，缸內(nèi)燃燒過程一般基于熱力學第一定

律，即內(nèi)能變化等于工質(zhì)推動活塞做的功加上燃氣燃燒產(chǎn)生的熱量減去傳熱損失和漏氣焰流。

首先，建立模型的初期，需要知道所建發(fā)動機的基本參數(shù)，如表2-1所示。其次要建立氣

體、噴油以及污染物排放的通道，一般采用一維非定常流動進行分析，流體流動的計算在發(fā)動

機模擬計算中占有重要的地位。由于進排氣管道的軸向尺寸相對其徑向尺寸大得多，管道內(nèi)軸

向流動效應大于徑向流動效應，因此在模擬計算中，可以認為進排氣管道中的氣體流動是一維

非定常流動，即認為氣體狀態(tài)在同一截面內(nèi)是相同的。

表2T模型汽油機參數(shù)

汽缸數(shù)4

氣門數(shù)16

缸徑x沖程(mm)78.5x77.5

壓縮比10

額定功率(KW)120(5500r/min)

最大扭矩(N.m)