设计仿真 | 应用CFD提高增程式电动车的涡轮增压器的效率

项目背景

ACR在汽车尾气催化转化器方面具有熟练的技术能力，他们目前正在开发用于EREV(增程式电动车) 的微型柴油发动机。海克斯康工业软件旗下的Cradle CFD软件在微型柴油发动机的开发过程中发挥了重要作用。

ACR在开发卡车和其他柴油动力车辆的排放控制装置方面具有很高的技术能力。用于柴油机的PM(颗粒物) 排放控制装置可以分为两种方式，其中DPF(柴油机颗粒物过滤器) 方式实际上是收集燃烧的PM。另一种方式是使用氧化催化剂，如将铂金利用氧化反应来去除PM。ACR PMR是一种用于车辆的PM控制装置，它符合日本八个地区的法规标准。ACR还生产ACR-EXCAT，一种催化式 的PM控制装置，用于排放PM水平较低的车辆(图1) 。ACR NXPR是一种控制氮氧化物和PM装置，是一款非常受欢迎的产品。

ACR不仅生产了各种催化设备、蜂窝煤和过滤器，他们也生产ACR-NHBL52，这是一种便携式家用电源，旨在降低峰值电力使用，并在紧急情况下提供备用电源。ACR配备了广泛的技能和工具，凭借这些不仅可以为他们自己的产品进行评估，同时也可以为其他公司提供评估服务。

ACR最近致力于开发小型发动机，以延长EV(电动汽车)的行驶里程。ACR的执行工程师Keiji Kishishita先生，负责管理开发辅助发动机和涡轮增压器系统的整个EREV项目。

更好的软件和技术支持：

ACR重新审视CFD

尽管需求不断上升，但与传统的内燃机(IC) 驱动的车辆相比，环保型电动车还是不能进行长距离行驶，但通过使用辅助发动机发电，可以使EREVs行驶得更远。使用辅助发动机为发电机供电，即为电动车电池充电，可以通过在充电站停车加油来延长行驶距离。在EREV系统中，驱动轮的动力始终由电动马达提供，这就是EREV与PHEVs(插电式混合动力汽车) 的根本区别。在PHEVs中，IC发动机和电动马达都可以用来为车辆提供动力，这使得PHEVs更加复杂，成本更高，所以其并不是严格意义上的纯电动车。

ACR将单缸设计用于ERAV柴油发动机，不仅重量轻而且成本低。对于送货公司来说，对EREV的需求尤其高，由于货物繁重和车辆经常走走停停，燃料消耗很高。此外，送货车辆的行驶距离很长，送货车辆必须尽可能多地投入使用，以便司机可以有效地利用他们的时间。基于上述情况，现实中送货公司无法转换为全电动汽车车队，因为在电动汽车电池充电时，车辆将基本上无法使用。因此EREV辅助动力发动机将电动车应用在送货车辆中能够发挥很大作用，但这也只是目前的理想状态。

ACR的EREV开发项目由日本的NEDO(新能源和工业技术开发组织) 赞助。这个为期三年的测试项目成功证明了辅助发动机电动车技术在促进电动车使用量的增加方面具有巨大的潜力，而ACR希望在三年内将该发动机应用于EREV(图2) 。

开发EREVs小型辅助发动机面临有许多设计挑战。这些挑战包括大负荷引起的脉动。另外，使用低排量发动机造成的功率限制也促使ACR研究涡轮增压以增加发动机的功率。在此期间，ACR引入了热流体分析工具来帮助他们开发新的涡轮增压器。ACR首席执行官兼总裁Hiroshi Matsuoka先生建议使用计算仿真作为设计工具，近年来人们对技术水平大幅提升的仿真工具越来越有信心。

Kishishita先生和他的团队最初使用了一家外国公司开发的CFD工具，但没有将该工具应用到他们的设计过程中，因为操作起来太困难。松冈先生建议使用具有 强大本地支持的软件，这将使他们能够快速解决问题，最后他们选择了Cradle CFD。

设计高效的涡轮增压器

图3: EREV涡轮增压器

Kishishita先生的团队正在开发一种涡轮增压器，它将比日本Kei微型车中的世界上最小的涡轮增压器更有效率。ACR涡轮增压器将只使用典型的Kei微型汽车涡轮增压器的三分之一的流量。(图3和图4) 。

ACR的工程师使用Cradle CFD来确定涡轮增压器转子叶片的最佳几何形状，最佳设计产生了一个理想的出口角，以获得高效率。计算机模型中使用了大约600万个网格元素(图5) 。分析结果显示，涡轮增压器的效率随着出口角的减小而增加。通过使出口角达到最小值，使流出损失最小化，这最大限度地减少了摩擦损失和能量转化为热量，从而提高了效率(图6 ) 。

Cradle CFD的分析结果还表明，通过使用一个非常小的出口角，效率可以比市场上的其他产品高出10%，比市场上的其他产品更好。"在过去，制造商无法实现诸如非常小的出口角几何形状的设计特征，因为制造完成这种设计是非常耗费劳动力的。制造商无法证明与性能改进相比，制造效率的降低和成本的增加是合理的。"Kishishita先生说。ACR通过引入金属3D打印技术来解决这个问题，以准确地表现复杂的涡轮增压器的几何形状。与为传统铸造工艺创建复杂的模具形状相比，3D打印的效率要高得多。ACR相信他们可以通过使用更多的打印机来提高生产率，这将使他们能够为改进的涡轮增压器实现具有成本效益的大规模生产。

验证测试表明，分析和测试结果是一致的。虽然 ACR的工程师们计划进一步提高分析结果的准确性，但Kishishita先生对目前的趋势感到满意。他相信模拟可以取代物理原型和测试，这将大大减少开发时间和成本。

提高模拟的准确性需要一定的时间，并可能导致更大、更复杂的模型，这也将需要更多的时间来运行，可能会妨碍ACR的工程师同时评估几个不同的几何形状。为了解决这个问题，Kishishita先生创建了一个内部工具，根据旋转速度和压力，对气体流速和效率进行一维计算。这些一维计算有助于确定进口/出口面积、进口/出口叶片角度和流道外壁锥度的影响。Kishishita先生在这些一维计算结果的基础上，进行了详细的CFD分析。

Kishishita先生的其他设计目标之一是使涡轮增压器蜗壳更薄。当气体进入和离开蜗壳时，热量通过热传导流失到外部环境。热损失的数量取决于蜗壳的位置 。ACR通过使蜗壳变薄和用隔热材料包裹它以减少热传导来最大限度地减少热损失。人们认为这样做的作用类似于提高涡轮机的效率，ACR的工程师们将使用CFD模拟来进一步评估这一点。

ACR还利用热流体模拟来设计和开发催化装置。他们利用模拟来评估新催化剂和材料的混合器设计。ACR的工程师还在内部设计、开发和生产了许多小型发动机测试设备。这些设备包括燃料喷射系统的测试仪器，评估气缸内产生的涡流的测量工具，以及涡轮增压器的特殊测试设备。除此之外，ACR甚至还开发了生产喷嘴的制造工艺和机器。他们开发了自己的加工技术，并能够在更短的时间内以更低的成本生产新的燃油喷射系统，因而无需使用专门的制造供应商。

虽然涡轮增压器的开发对ACR来说是新的领域，但Kishishita先生在以前的工作中拥有丰富的经验。他声称，曾几何时，人们认为在柴油机上添加涡轮增压器会降低可靠性，然而由于公司面临着提高燃油效率的需要，他们不得不开发涡轮增压器，岸下先生被分配到这个项目上，他说他以前的经验对他现在的工作有帮助。

尽管岸下先生有丰富的经验，但ACR作为一家公司， 在发动机开发方面是完全陌生的。Kishishita先生以前的发动机经验是铸铁缸体的柴油机，而目前项目的缸体是由铝制成的。但铝制缸体的刚性并不像Kishishita先生最初希望的那样好。此外 ，开发燃料喷射设备和其他发动机部件和系统也使该项目具有挑战性。

使用CFD模拟也在帮助ACR降低成本。尽管一个涡轮增压器测试的实验数据点可以在大约5分钟内获得，但测试的原型大约需要2万美元(250万日元) 。用于制造原型模具的失蜡铸造也很昂贵和费时。即使使用数控机床制作原型，成本也将达到1000美元或更多(10万至20万日元) ，并需要两周时间来生成模型数据。ACR的工程师们发现，他们可以通过安装金属3D打印机来更准确地表示几何形状。增加更多的机器将使他们能够大量生产。尽管他们需要进行喷丸处理以使粗糙的表面变得光滑，但他们还是设法为现在的情况制定了计划。

符合预期的高可操作性

在Kishishita先生和他的团队开始使用Cradle CFD之前，他们使用的是另一个工具，"需要处理过多的参数"，Kishishita先生回忆说，他们在使用该工具时遇到了困难，而且从未掌握过。他们试图用现有的测试数据对设备进行模拟，以便对模型进行验证，但模拟和测试结果并不一致。从这次经验中，Kishishita先生开始收集和汇编模拟以及分析数据，并意识到获得强大技术支持的重要性。当他第一次得知公司计划使用Cradle CFD时，Kishishita先生很不情愿。"但我们的执行总裁和社长向我保证，这个工具多年来一直在进步。他还说服我，我们可以联系海克斯康公司，请他们帮助我们解决任何可能出现的问题。最后我们决定使用Cradle CFD，事实证明，这个决定是正确的。我发现这个软件在很多情况下都能满足我们的目标。"Kishishita先生高兴地解释道。

把电动车作为一个整体进行分析

热管理对于电动汽车来说是至关重要的。普通的内燃动力汽车主要由两个热源组成：发动机和散热器 。电动汽车由电机、变频器、电池和许多其他需要冷却的部件组成。ACR的工程师将使用Cradle CFD来评估冷却系统组件。电机变频器可能很小，但释放的热量以千瓦计。ACR工程师将确定在各种驾驶条件下充分吸收热量的操作要求，如外部条件和发动机速度和负荷。ACR已经开始了开发电动车部件的挑战，预计Cradle CFD将发挥重要作用。