為了滿足制造商不斷降低成本，同時又符合世界各地不同監管規定的需求，發動機研發領域的工具也在不斷更新換代，日益豐富。從演示原型機到高級分析技術，各類供應商都在不遺余力地推動該領域的發展。

圖為在高性能計算工具和TFM 工具的模擬下，一部壓縮點火發動機的油霧噴射火焰詳細示意圖，我們可以從中看到明顯的高溫區和低溫區。

FEV 公司輕型柴油和商用發動機總監Michael Franke表示：“對商用車輛發動機設計師來說，當前正處在一個非常激動人心的時期。”在美國Tier4 Final 排放法規的要求下，開發人員必須在更短的設計周期內，達到相關規定。Franke表示，由于行業中已經出現了按 Tier4 Final標準要求進行產品優化的機會，現在關注的焦點已經轉移至如何滿足最終客戶需求、應對激烈競爭等長期目標上。

當然，這種激動人心的現狀也同時值得警惕，特別是在小型發動機領域。“發動機領域一直對成本非常敏感。如今，我們發現有很多國外制造商憑借一些低成本產品，已經打入或正在試圖打入美國市場。”Franke解釋說，“中國和印度已經開始在公路車輛領域推行國 VI 和Bharat-VI 標準，進展相當迅速。”這些新進廠商完全可以通過技術的應用達到 EPA 的 Tier4 Final 非公路設備排放標準，因此進入美國和歐洲非公路車輛發動機領域并不存在合規方面的困難。

最新出臺的歐五(Stage V) 標準也將帶來新的挑戰，尤其是對于高于37 kW 的大功率發動機來說。歐五標準明確對車輛尾氣中的顆粒物含量進行了規定，這是美標中沒有的。Franke預測，發動機廠商可能必須借助顆粒過濾器才能達到相應要求。

通常來講，非公路車輛的內部空間非常有限，因此加裝顆粒過濾器并非易事，可能需要使用SCR（選擇性催化還原）涂層過濾器。Franke 還提及在歐五標準下，37 kW 以下發動機達到最新 HC + NOx 排放要求也同樣具有挑戰性，可能需要使用 EGR（廢氣再循環）和 DOC（柴油氧化催化劑）過濾器。

混合采用多種技術可以幫助廠商應對合規挑戰，“不過具體能帶來多大幫助，仍取決于應用何種技術。” Franke 表示，“未來汽車行業對模塊化發動機架構的需求將日益增長，以方便廠商靈活安裝一些電氣化組件，從而在盡可能保證發動機核心組件不變的情況下，發揮混動技術的優勢。”

為了促進行業對混合技術的了解，FEV公司推出了一款專利ITES 系統，可以實現渦輪復合、電氣化和增壓技術的有機整合。Franke 表示：“為了滿足客戶的定制應用需求，FEV公司專門開發了模塊化發動機和動力總成架構，還可以通過在大量不同應用中實現高度的組件共享，實現成本優化效益。

在發動機小型化設計的配合下，FEV 公司的專利 ITES 系統可以將公路用車的燃料經濟性提高 15％以上。FEV 表示，目前公司正在驗證該系統在非公路車輛中的應用效果。

系統工程助力模塊化發展

IAV 公司的柴油系統業務部門主管Thaddaeus Delebinski表示贊同，“在發動機設計中引入模塊化架構很有必要。”非公路車輛領域面臨的挑戰更為嚴峻，除了設備類型多樣和各類法規繁復外，各種燃料的使用，也讓情況更加復雜，比如目前天然氣的重要性正在不斷提高， “但是真正售出的天然氣設備并沒有幾部。”如果未能在最大程度共用組件，小批量生產發動機的成本很容易失控。在此背景下，發動機制造商必須通過模塊化設計，滿足不同應用和市場的需求。

Delebinski 認為，采取整體系統工程方法是實現組件共用的關鍵。他說：“IAV 公司有一套基于型號的開發方法，可以降低測試和驗證方面的工作量，而且不需要大量使用高空校準、發動機保護或虛擬排放循環等昂貴開發資源。”

與業內其他公司一樣，IAV公司也推出了一些仿真工具，比如專為 Com Apps 內部打造的 Velodyn 車輛動力學工具。Velodyn 可以與 Gamma Technologies 公司的 GT Power 發動機工具和西門子的 Amesim 液壓設備工具結合使用，并配合最高 1.5 MW 的功率測試設備。

Delebinski 強調，IAV 公司非常擅長排放、OBD（車載診斷）和預測性高級診斷方面的控制與校準。他解釋說：“比如，我們會與一些非公路客戶合作，充分了解一款設備在完整生命周期中的后處理和診斷特性。此外，公司還會幫助客戶實現電氣化，這不僅可以提高設備的燃油效率，還可以獲得更多安全和診斷方面的額外功能。

根據Delebinski 的說法，數據非常重要，而如今的數據訪問將更加方便，內容也越來越豐富。Delebinski說：“這樣一來，我們就可以通過強大的數據集，縮短測試和驗證的所需時間。”此外，如果真實世界測試開始從公路設備擴大至非公路設備，相關數據收集工作將更加重要，同時也將迎來更多機會。

IAV 公司擁有大量專用測試臺架，從組件測試到最高 1.5MW 的重型發動機測試臺架，應有盡有，還備有車輛和機械設備的便攜式測量系統。

工具和擁有成本

在評估系統工程，特別是總擁有成本時，我們必須顧及更多方面。Dassault Systemes 交通運輸與移動出行總監Jonathan Dutton解釋說：“我們會幫助客戶進行多學科研發，并在這方面進行了大量工作。” Dassault Systemes公司最早因推出CATIA 計算機輔助設計軟件而名聲大噪，如今又推出了更多軟件工具，涉及產品生命周期管理、模擬、數據和數據集成及供應鏈管理等方方面面。

Dutton 表示：“坦率地說，我們的卡車和乘用車工具也同樣適用于其他非公路車輛，只不過具體要求有一些不同而已。”舉個例子，這種差異可能僅體現在發動機負載方面。簡單來說，公路車輛的發動機通常需要平穩地輸出負載，而挖掘機等非公路車輛在裝滿鏟斗并開始提升時，發動機負載可能會在短時間內經歷劇烈變化。Dutton說：“然而，公路和非公路車輛在開發過程中仍有很多可以共用的工具。”

Dassault Systemes 公司的工具主要可以分為四大領域：多學科物理模擬；基于“實驗設計 (Design of Experiments) ”數學解決方案的優化和分析工具；針對混合系統的新型技術模擬；及覆蓋完整產品的“系統工程 (Systems Engineering) ”工具，包括在產品的完整生命周期內將發動機需求和設計聯系起來。

Dassault 公司將自己的應用平臺命名為 3DExperience，并認為模仿和理解用戶體驗至關重要。公司認為，只有真正坐進駕駛艙中感受設備運行的完整過程，才能開始了解發動機的需求，需要借助CAD設計、機械仿真、控制和系統仿真及鑄造和裝配等各個領域的知識，才能獲得對成本和使用體驗的全面認識。

這樣做的目標是降低工程成本，并提供更高質量的設計，從而滿足產品在性能、運營成本和制造成本等方面的多項目標要求。Dutton表示：“我們的客戶希望可以盡量減少所需原型的數量，而模擬仿真技術可以幫助我們實現這一目標。”

AVL 公司通過關聯模擬結果與實際測試數據，發現排氣門和進氣門之間的橋梁處存在裂縫。

細節是魔鬼

新的排放要求及其對發動機架構的影響非常顯著，需要我們加倍關注，但發動機中的其他工程問題并不會因此消失，甚至還可能變的更嚴重。AVL公司高級技術專家 Michael DeJack舉了一個很好的例子，比如如何解決低周疲勞的問題。與其他公司一樣，為了解決低周疲勞等讓人頭疼的細節問題，AVL公司也運用了一系列商用工具和內部專業技術。

發動機的耐久性面臨前所未有的挑戰。“不斷提高的排放標準，將對發動機燃燒技術提出更高要求，發動機氣缸需要承受更高的壓力和溫度。”DeJack解釋說，而這均將對發動機的熱機械疲勞性能提出更高要求，特別是在氣缸蓋上。與運行過程中的高周疲勞相比，熱機械疲勞主要來自發動機從啟動到熄火整個過程中的低周循環加熱與冷卻。

與任何其他工程設計一樣，這一解決方案也需要一些權衡。“你可以使用不同的材料來增加強度，但同時需要在熱傳導性方面做出犧牲。在這種情況下，我們就必須將冷卻套移到更接近火焰的位置，并將缸壁設計的更薄。” DeJack說，可以選擇的材料包括鑄鐵、墨鑄鐵 (CGI) 和球墨鑄鐵。然而，由于涉及針對復雜材料行為的有限元模型應用，對這些材料進行評估并不容易。

如果說魔鬼存在細節之中，那么解決方案可能就在數據里。AVL公司選擇了 Dassault Systemes 公司非常流行的Abaqus 非線性有限元模擬軟件。“熱機械疲勞會使材料的黏塑性升高，因此我們選擇了一款更加先進的材料建模工具，也就是Northwest Numerics公司提供的Z-Mat。我們已經使用這款 Z-Mat 工具開發和校準了一個高級材料模型庫。”除了對材料的黏塑性進行建模，AVL 公司還開發了多款損傷模型，以模擬因熱機械疲勞而導致的材料失效時間。

事實上，AVL公司圍繞 Abaqus 及其他商業工具開發了大量 iCAE 工具箱，低周疲勞分析只是其中一種。他說：“這實際上如同是一個知識庫，我們可以從中查詢數百個分析任務的詳細工作流程、材料數據、腳本、分析結果及其他代碼工具，比如 AVL 的 Fire計算流體動力學工具和 Excite 動力學工具。”

達索系統（Dassault Systemes）的 V6 發動機解決方案應用了大量需求、功能、邏輯和物理 (RFLP) 模型，以便從整合系統工程的角度更加全面地理解任何一款產品。此外，系統的實時交互功能還可以為各種模擬提供“后向”可追溯功能。如圖所示，左上方屏幕將展示完整系統；左下方展示需求；右上方為邏輯架構；而右下方則展示功能架構。

直接模擬燃燒實現突破

通常來說，燃燒模擬的主要難點在于燃料噴射和缸內燃燒的具體細節，而這些細節將給發動機的整體排放水平和燃料經濟性帶來巨大影響。根據美國阿崗國家實驗室(ANL) 組長兼首席計算科學家Sibendu Som 博士的說法，這些細節部分的模擬將產生大量計算量。正因如此，ANL實驗室的高性能超級計算中心仍然是大量發動機開發商所依賴的重要資源，包括重型發動機和非公路車輛發動機領域。

ANL 公司的合作伙伴包括公路和非公路領域的卡車和機車發動機客戶。例如，公司曾利用先進的熱傳遞模型和精確噴射模型，幫助客戶開發了一款優化噴射器熱障涂層。

燃燒模擬領域的另一項挑戰在于了解缸內燃燒的化學動力學過程。通常來說，汽油或柴油等燃料中的化學成分高達 3000 到5000 種，燃燒過程中涉及的反應數量也可能有數百種。截至目前，直接進行真實燃料的模擬仍過于復雜，因此工程師通常會特制一種僅含70 到 80 種成分的模型燃料，來替代成分復雜的真實燃料。通常來說，這種模型燃料已經足夠工程師完成熱釋放速率和缸內升壓等方面的模擬，但仍無法模擬顆粒物或煙塵的形成。然而，隨著人們對煙塵帶來的健康影響有了更多了解，這已經成為了一個重要研究領域。

不過，隨著ANL 公司 Tabulated Flamelet Model (TFM) 工具的推出，這一問題將得到改善。TFM 可以對煙塵行為進行更好的建模，并對OEM一直關注的發動機的低溫燃燒特性進行探索。

Som 表示：“借助我們的最新技術，研發人員只需多花 20% 的計算時間，即可對組成高達 5000 種化學成分的真實燃料進行建模。”事實證明，這可能會給燃料高保真模擬領域帶來重要突破。

了解瞬態工況離不開動態油耗測量設備。AVL 公司介紹，與其他方法相比，IAV 公司的新型 FOCAS 系統不僅可以擴大檢測極限范圍，還能優化響應時間。

實時油耗測量

如今非公路車輛的油耗非常巨大，讓整個行業都非常苦惱。油耗可以會導致EGR 冷卻器結垢、閥門卡死、柴油機氧化催化劑中毒及顆粒過濾器煙灰累積等各種問題。IAV公司設計和整合業務部門主管 Robert Dolan解釋說：“煙灰累積對后處理設備來說是個大問題。”

Dolan 介紹道，直到今天，如何確定高油耗的具體原因一直都是難點。不過IAV 公司的 FOCAS 測量系統可能給汽車行業帶來了一種全新解決方案，即采用質譜分析技術來測量任何氣體中的石油含量。

Dolan 解釋說：“我們可以對各個種類的氣流進行測試，包括排氣、漏氣、氣缸間的氣體交換，并可通過研究渦輪增壓前后端氣流確定渦輪的作用。”FOCAS系統可以取代 Dolan 所說的“排干稱重”的老方法，也就是在測試前后仔細測量燃油的質量，從而確定燃燒過程中的消耗量，進而得出燃耗數據。這種辦法僅能測量總燃耗，而且受測試循環的影響很大。Dolan稱，采用老方法測試可能需要持續幾周，甚至長達幾個月的時間。

Dolan 說，“如今，在FOCUS 系統的幫助下，我們僅需幾天時間即可在測試單元或底盤平臺上完成全部的油耗測量。”通過將測試搬到真實發動機的真實測試循環過程中，“我們可以大幅度縮短測量時間，為客戶提供更多的幫助。”

Dolan 表示：“由于現實世界的真實運轉工況可能不同，后處理系統的耐久性可能也會與預測驗證階段有所差異，因此這種新方法將特別有用。”憑借 FOCAS 等實時系統，我們得以完整重現客戶車輛的獨特瞬時狀態和負載條件，從而獲得一些新的認識 ——例如，在瞬態工況中，校準可能會無意間造成活塞環顫振，從而產生油耗。FOCAS系統的保真度遠遠高于傳統的 “排干稱重”法。

目前，盡管 FOCAS 系統仍主要用于測試臺架或測功機中，但未來將更多參與真實工況下的現場油耗測試。目前，IAV公司正在與一家客戶合作，進行概念驗證。