03_潍柴_运用仿真技术提升燃烧开发能力_王志坚
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应用仿真计算能够对发动机进行预测的特点； 分析引导设计：在设计之初从性能的角度对各零部件提出要求， 从而达到较好的匹配效果
14
R&D CENTER, WEICHAI
二、 燃烧开发定义及体系构建
2.1 潍柴对燃烧开发的理解
发动机构造 各机构各系统均有与之对应的零部件
机构 发动机 进排气系统 系统 后处理系统 冷却系统 润滑系统 启动系统 …… 曲柄连杆机构 配气机构 燃油供给系统
BOOST 增压器 配气机构 管路形式
脉 冲 式 排 气 结 构
60
65
70
75
80
85
D2(mm)
BSFC Engine 1(g/(kW.h))
BSFC(g/(kW.h))
202.95 202.9 202.85 202.8 202.75 202.7 202.65 202.6 55 60 65 70 75 80 85
发动机 + 变速器 +
车桥/ 螺旋桨
重型汽车 + 客车 +
轻型汽车 + 叉车
豪华游艇
关键零部件
法拉帝游艇
液压件
+ 火花塞
+ 齿轮 + 活塞销
9
R&D CENTER, WEICHAI
“五国十地”全球研发中心
潍坊，高速发动机及整车匹配研发 上海，整机匹配技术研发 重庆，中高速机、MPV研发
扬州，客车及小功率动 力研发
中国制造业500强（2013）
第65位
中国机械工业百强企业（2014）
第2位
6
R&D CENTER, WEICHAI
发展历程
2012 战略重组法拉帝、凯傲、林德液压 2013 2007 吸收合并湘火炬回归A股 2009 2004 潍柴动力在香港上市 2005 收购法国博杜安；山东重工成立 凯傲集团在法兰克福上市
220 215 210 205 200 195
优化方案 原机方案
215 210 205 200
195 100 150 200 250 300 350 400 450 500 功率 /kW
管路尺寸
……
190 100 150 200 250 300 350 400 450 500 功率 /kW
Boost在配气相位优化计算方面，计算与试验吻合度很高，指导了多 款柴油机配气机构的优化。目前在潍柴内部已经全面应用。
三、AVL 软件在潍柴的应用
3.1 零件选型
FIRE 燃烧室 喷油器 管路形式
油气分离器
……
22
R&D CENTER, WEICHAI
三、AVL 软件在潍柴的应用
3.1 零件选型
FIRE 燃烧室 喷油器 管路形式
油气分离器
……
分析流场、液滴捕集位置、分离效率、流动损失等等，进而比较油气分离 器好坏。
16
R&D CENTER, WEICHAI
二、 燃烧开发定义及体系构建
2.3 硬件
气道吹风试验台 EFS试验台 机械泵流量试验台 内窥镜试验系统（建设中）
定容弹试验系统（建设中）
单缸试验台（规划中）
17
R&D CENTER, WEICHAI
三、AVL 软件在潍柴的应用
3.1 零件选型
BOOST 增压器
比 油 耗 /g/kW.h
仿真
230 215 honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
比 油 耗 /g/kW.h
试验
240 honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
仿真
230
比 油 耗 /g/kW.h
试验
19
R&D CENTER, WEICHAI
三、AVL 软件在潍柴的应用
3.1 零件选型
Volumetric Efficiency Int(-)
0.945 0.9449 0.9448 0.9447 0.9446 0.9445 0.9444 0.9443 0.9442 55
203.05 203
Volumetric Efficiency Int Engine 1(-)
工作经历
2004-2005 工程机械分部部长 2005-2010 应用工程部部长 2010-2012 质量总监、质量部部长 2012-2014 发动机技术研究院院长
4
R&D CENTER, WEICHAI
2
公司概况
5
R&D CENTER, WEICHAI
企业简介
企业排名情况 创建时间：1946年 全球员工：50000余人 资产总额：947亿元（2013年底） 销售收入：1004亿元（2013年） 行业地位：目前中国综合实力最强的汽车及装备 制造集团之一 中国企业500强（2013） 第147位
23
R&D CENTER, WEICHAI
三、AVL 软件在潍柴的应用
增压器转速 /r/min x 10000
3.2 极限环境替代
BOOST 高原性能预测；
13.0
1,100 1,000 仿真 试验
11.0
涡前温度 /K
900 800
700 600 仿真 试验
9.0
7.0
5.0
1500
230
1700
2300
honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
比 油 耗 /g/kW.h
240
配气机构 管路形式
225
220
210
205
230
220
honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
215
210
220
1700rpm
210
200
1700rpm
原机 活塞 1 活塞 2
油气分离器
……
活塞 原机 活塞1 活塞2
21
NOx g/(kW· h) 9.39 8.895 8.923
PM g/(kW· h) 0.023 0.011 0.0165
综合比油耗 g/(kW· h) 203.4 203.3 203.8
R&D CENTER, WEICHAI
运用仿真技术提升潍柴燃烧 开发能力
单位名称 潍柴动力技术研究院 汇报人 王志坚
1
目 录概况 燃烧仿真技术介绍
2
R&D CENTER, WEICHAI
1
个人简介
3
R&D CENTER, WEICHAI
个人简介
教育经历
1986-1989 吉林工业大学内燃机 2012-2013 美国密苏里大学MBA
500
260 250 240 230 220 210 200 190 20%
800
1100 1400 转速 /r/min
1700
2000
260
230
honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
比 油 耗 /g/kW.h
230 honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
与燃烧系统对应的是什么？
燃烧系统指：油、气、室各系统或机构中与性能
密切相关的关键性参数的集合 燃烧系统的开发即这些关键性参数的匹配的开发
15
R&D CENTER, WEICHAI
二、 燃烧开发定义及体系构建
2.2 软件
一维热力学（整机性能分析、各缸不均匀性分析等）：BOOST 三维CFD（流动损失分析、均匀性分析、缸内过程分析等）：FIRE
1900 2100 转速 /r/min
2300
2500
1500
1700
1900 2100 转速 /r/min
2300
2500
功率 /kW
增压器保护； 低速烟度；
3400m
210
190 170 150 130
1500 1700 1900 2100 转速 /r/min
仿真 试验
转速 2300 2200 2100 1900 1700
弊端1：开发数据流入供应商、咨询机构，不利于企业数据安全 弊端2：试验方案数量多，造成大量试验浪费 弊端3：试验部门人员数量庞大，人工成本很高 弊端4：方案数量组合总数限制，不容易找到最优方案
……
13
R&D CENTER, WEICHAI
一、传统的燃烧开发模式
1.3 燃烧开发模式的改进方向
“蓝擎”发动机研制成功
1984 引进重型汽车用斯太尔发动机 2000 实行“三三制”改革 1953 更名为潍坊柴油机厂 1955 自行研制了6160型中速柴油机
1946 威海建厂
7
R&D CENTER, WEICHAI
集团产权结构
山东重工集团有限公司
山推股份等
潍柴控股集团有限公司
山东汽车工业集团
潍柴道依茨 公司
潍柴西港 新能源公司
潍柴进出口 有限公司
潍柴动力 股份有限公司
潍柴重机 股份有限公司
扬州亚星客车 股份有限公司
意大利 法拉帝公司
株洲齿轮
株洲 火花塞
陕西 法士特
陕西重汽
潍柴 动力扬柴
重庆潍柴 高速机
法国 博杜安
德国凯傲 林德液压
8
R&D CENTER, WEICHAI
四大业务板块
动力总成 整车整机
西安，重卡研发和重型变速 器研发
杭州，运算中心
德国威斯巴登，叉车、液压 研发
意大利弗利，豪华游艇研发 美国芝加哥，前沿技术研发 法国马赛，整机研发
10
R&D CENTER, WEICHAI
3
燃烧仿真技术介绍
1.潍柴传统燃烧开发模式 2.燃烧开发定义及体系构建 3.AVL 软件在潍柴的应用
11
R&D CENTER, WEICHAI
比 油 耗 /g/kW.h
honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
比 油 耗 /g/kW.h
250 240 230
220 210 200
220
220
honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
1900rpm
1900rpm
210
1600rpm
功率 1.80% -0.15% 0.18% 0.23% 2.43%
涡轮前排温 增压器转速 2.24% 1.10% 2.62% -0.30% 1.81% -0.30% -0.69% -2.67% -1.09% -0.81%
高原性能优化；
……
2300
2500
13.0
1,100 1,000 仿真 试验
210
200
200
195 190
205
200 195
管路尺寸
……
比 油 耗 /g/kW.h
190 500 800 1100 1400 转速 /r/min 1700 2000 20% 40% 60% 80% 转速 /r/min 100% 120%
190
0% 20% 40% 60% 80% 转速 /r/min 100% 120%
增压器转速 /r/min x 10000
11.0
涡前温度 /K
900 800
700 600 仿真 试验
对于功率、 扭矩、排温、 转速、过量 空气系数等 有较高的预 测准确度
9.0
7.0
5.0
1500
230 210
1700
1900 2100 转速 /r/min
2300
2500
1500
1700
1900 2100 转速 /r/min
一、传统的燃烧开发模式
1.1 传统燃烧开发模式的理念
1）传统开发理念：设计决定性能 流程：设计→样件采购、加工→试验→…… 2）燃烧开发属于“被动式开发”
高风险！
1. 喷油器 2. 增压器 3. 标定
？
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12
一、传统的燃烧开发模式
1.2 传统燃烧开发模式的弊端
Boost在增压器选型方面精度很高，目前在潍柴内部已经全面应用。
18
R&D CENTER, WEICHAI
三、AVL 软件在潍柴的应用
3.1 零件选型
BOOST 增压器
油耗 /g/kW.h
试验
230 225
油耗 /g/kW.h
计算
230
配气机构 管路形式
225 优化方案 原机方案
220
管路尺寸
Volumetric Efficiency Int(-)
D2(mm)
0.935 0.93 0.925 0.92 0.915 0.91 0.905 55 60 65 70 75 80 85
……
稳 压 式 排 气 结 构
Volumetric Efficiency Int Engine 1(-)
D2(mm)
214
BSFC Engine 1(g/(kW.h))
213
BSFC(g/(kW.h))
212 211 210 209 208 207 55 60 65 70 75 80 85
D2(mm)
20
R&D CENTER, WEICHAI
三、AVL 软件在潍柴的应用
3.1 零件选型
FIRE 燃烧室 喷油器 管路形式
210
1600rpm
200
200
190
40% 60% 80% 转速 /r/min 100% 120%
190
20% 40% 60% 80% 转速 /r/min 100% 120%
190
20% 40% 60% 80% 转速 /r/min 100% 120% 20% 40% 60% 80% 转速 /r/min 100% 120%
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二、 燃烧开发定义及体系构建
2.1 潍柴对燃烧开发的理解
发动机构造 各机构各系统均有与之对应的零部件
机构 发动机 进排气系统 系统 后处理系统 冷却系统 润滑系统 启动系统 …… 曲柄连杆机构 配气机构 燃油供给系统
BOOST 增压器 配气机构 管路形式
脉 冲 式 排 气 结 构
60
65
70
75
80
85
D2(mm)
BSFC Engine 1(g/(kW.h))
BSFC(g/(kW.h))
202.95 202.9 202.85 202.8 202.75 202.7 202.65 202.6 55 60 65 70 75 80 85
发动机 + 变速器 +
车桥/ 螺旋桨
重型汽车 + 客车 +
轻型汽车 + 叉车
豪华游艇
关键零部件
法拉帝游艇
液压件
+ 火花塞
+ 齿轮 + 活塞销
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“五国十地”全球研发中心
潍坊，高速发动机及整车匹配研发 上海，整机匹配技术研发 重庆，中高速机、MPV研发
扬州，客车及小功率动 力研发
中国制造业500强（2013）
第65位
中国机械工业百强企业（2014）
第2位
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发展历程
2012 战略重组法拉帝、凯傲、林德液压 2013 2007 吸收合并湘火炬回归A股 2009 2004 潍柴动力在香港上市 2005 收购法国博杜安；山东重工成立 凯傲集团在法兰克福上市
220 215 210 205 200 195
优化方案 原机方案
215 210 205 200
195 100 150 200 250 300 350 400 450 500 功率 /kW
管路尺寸
……
190 100 150 200 250 300 350 400 450 500 功率 /kW
Boost在配气相位优化计算方面，计算与试验吻合度很高，指导了多 款柴油机配气机构的优化。目前在潍柴内部已经全面应用。
三、AVL 软件在潍柴的应用
3.1 零件选型
FIRE 燃烧室 喷油器 管路形式
油气分离器
……
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三、AVL 软件在潍柴的应用
3.1 零件选型
FIRE 燃烧室 喷油器 管路形式
油气分离器
……
分析流场、液滴捕集位置、分离效率、流动损失等等，进而比较油气分离 器好坏。
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二、 燃烧开发定义及体系构建
2.3 硬件
气道吹风试验台 EFS试验台 机械泵流量试验台 内窥镜试验系统（建设中）
定容弹试验系统（建设中）
单缸试验台（规划中）
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R&D CENTER, WEICHAI
三、AVL 软件在潍柴的应用
3.1 零件选型
BOOST 增压器
比 油 耗 /g/kW.h
仿真
230 215 honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
比 油 耗 /g/kW.h
试验
240 honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
仿真
230
比 油 耗 /g/kW.h
试验
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R&D CENTER, WEICHAI
三、AVL 软件在潍柴的应用
3.1 零件选型
Volumetric Efficiency Int(-)
0.945 0.9449 0.9448 0.9447 0.9446 0.9445 0.9444 0.9443 0.9442 55
203.05 203
Volumetric Efficiency Int Engine 1(-)
工作经历
2004-2005 工程机械分部部长 2005-2010 应用工程部部长 2010-2012 质量总监、质量部部长 2012-2014 发动机技术研究院院长
4
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公司概况
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企业简介
企业排名情况 创建时间：1946年 全球员工：50000余人 资产总额：947亿元（2013年底） 销售收入：1004亿元（2013年） 行业地位：目前中国综合实力最强的汽车及装备 制造集团之一 中国企业500强（2013） 第147位
23
R&D CENTER, WEICHAI
三、AVL 软件在潍柴的应用
增压器转速 /r/min x 10000
3.2 极限环境替代
BOOST 高原性能预测；
13.0
1,100 1,000 仿真 试验
11.0
涡前温度 /K
900 800
700 600 仿真 试验
9.0
7.0
5.0
1500
230
1700
2300
honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
比 油 耗 /g/kW.h
240
配气机构 管路形式
225
220
210
205
230
220
honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
215
210
220
1700rpm
210
200
1700rpm
原机 活塞 1 活塞 2
油气分离器
……
活塞 原机 活塞1 活塞2
21
NOx g/(kW· h) 9.39 8.895 8.923
PM g/(kW· h) 0.023 0.011 0.0165
综合比油耗 g/(kW· h) 203.4 203.3 203.8
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运用仿真技术提升潍柴燃烧 开发能力
单位名称 潍柴动力技术研究院 汇报人 王志坚
1
目 录概况 燃烧仿真技术介绍
2
R&D CENTER, WEICHAI
1
个人简介
3
R&D CENTER, WEICHAI
个人简介
教育经历
1986-1989 吉林工业大学内燃机 2012-2013 美国密苏里大学MBA
500
260 250 240 230 220 210 200 190 20%
800
1100 1400 转速 /r/min
1700
2000
260
230
honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
比 油 耗 /g/kW.h
230 honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
与燃烧系统对应的是什么？
燃烧系统指：油、气、室各系统或机构中与性能
密切相关的关键性参数的集合 燃烧系统的开发即这些关键性参数的匹配的开发
15
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二、 燃烧开发定义及体系构建
2.2 软件
一维热力学（整机性能分析、各缸不均匀性分析等）：BOOST 三维CFD（流动损失分析、均匀性分析、缸内过程分析等）：FIRE
1900 2100 转速 /r/min
2300
2500
1500
1700
1900 2100 转速 /r/min
2300
2500
功率 /kW
增压器保护； 低速烟度；
3400m
210
190 170 150 130
1500 1700 1900 2100 转速 /r/min
仿真 试验
转速 2300 2200 2100 1900 1700
弊端1：开发数据流入供应商、咨询机构，不利于企业数据安全 弊端2：试验方案数量多，造成大量试验浪费 弊端3：试验部门人员数量庞大，人工成本很高 弊端4：方案数量组合总数限制，不容易找到最优方案
……
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R&D CENTER, WEICHAI
一、传统的燃烧开发模式
1.3 燃烧开发模式的改进方向
“蓝擎”发动机研制成功
1984 引进重型汽车用斯太尔发动机 2000 实行“三三制”改革 1953 更名为潍坊柴油机厂 1955 自行研制了6160型中速柴油机
1946 威海建厂
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R&D CENTER, WEICHAI
集团产权结构
山东重工集团有限公司
山推股份等
潍柴控股集团有限公司
山东汽车工业集团
潍柴道依茨 公司
潍柴西港 新能源公司
潍柴进出口 有限公司
潍柴动力 股份有限公司
潍柴重机 股份有限公司
扬州亚星客车 股份有限公司
意大利 法拉帝公司
株洲齿轮
株洲 火花塞
陕西 法士特
陕西重汽
潍柴 动力扬柴
重庆潍柴 高速机
法国 博杜安
德国凯傲 林德液压
8
R&D CENTER, WEICHAI
四大业务板块
动力总成 整车整机
西安，重卡研发和重型变速 器研发
杭州，运算中心
德国威斯巴登，叉车、液压 研发
意大利弗利，豪华游艇研发 美国芝加哥，前沿技术研发 法国马赛，整机研发
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3
燃烧仿真技术介绍
1.潍柴传统燃烧开发模式 2.燃烧开发定义及体系构建 3.AVL 软件在潍柴的应用
11
R&D CENTER, WEICHAI
比 油 耗 /g/kW.h
honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
比 油 耗 /g/kW.h
250 240 230
220 210 200
220
220
honeywell borgwarner0028 borgwarner0005
1900rpm
1900rpm
210
1600rpm
功率 1.80% -0.15% 0.18% 0.23% 2.43%
涡轮前排温 增压器转速 2.24% 1.10% 2.62% -0.30% 1.81% -0.30% -0.69% -2.67% -1.09% -0.81%
高原性能优化；
……
2300
2500
13.0
1,100 1,000 仿真 试验
210
200
200
195 190
205
200 195
管路尺寸
……
比 油 耗 /g/kW.h
190 500 800 1100 1400 转速 /r/min 1700 2000 20% 40% 60% 80% 转速 /r/min 100% 120%
190
0% 20% 40% 60% 80% 转速 /r/min 100% 120%
增压器转速 /r/min x 10000
11.0
涡前温度 /K
900 800
700 600 仿真 试验
对于功率、 扭矩、排温、 转速、过量 空气系数等 有较高的预 测准确度
9.0
7.0
5.0
1500
230 210
1700
1900 2100 转速 /r/min
2300
2500
1500
1700
1900 2100 转速 /r/min
一、传统的燃烧开发模式
1.1 传统燃烧开发模式的理念
1）传统开发理念：设计决定性能 流程：设计→样件采购、加工→试验→…… 2）燃烧开发属于“被动式开发”
高风险！
1. 喷油器 2. 增压器 3. 标定
？
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一、传统的燃烧开发模式
1.2 传统燃烧开发模式的弊端
Boost在增压器选型方面精度很高，目前在潍柴内部已经全面应用。
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三、AVL 软件在潍柴的应用
3.1 零件选型
BOOST 增压器
油耗 /g/kW.h
试验
230 225
油耗 /g/kW.h
计算
230
配气机构 管路形式
225 优化方案 原机方案
220
管路尺寸
Volumetric Efficiency Int(-)
D2(mm)
0.935 0.93 0.925 0.92 0.915 0.91 0.905 55 60 65 70 75 80 85
……
稳 压 式 排 气 结 构
Volumetric Efficiency Int Engine 1(-)
D2(mm)
214
BSFC Engine 1(g/(kW.h))
213
BSFC(g/(kW.h))
212 211 210 209 208 207 55 60 65 70 75 80 85
D2(mm)
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三、AVL 软件在潍柴的应用
3.1 零件选型
FIRE 燃烧室 喷油器 管路形式
210
1600rpm
200
200
190
40% 60% 80% 转速 /r/min 100% 120%
190
20% 40% 60% 80% 转速 /r/min 100% 120%
190
20% 40% 60% 80% 转速 /r/min 100% 120% 20% 40% 60% 80% 转速 /r/min 100% 120%