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項目背景

ACR在汽車尾氣催化轉(zhuǎn)化器方面具有熟練的技術能力，他們目前正在開發(fā)用于EREV(增程式電動車) 的微型柴油發(fā)動機。?？怂箍倒I(yè)軟件旗下的Cradle CFD軟件在微型柴油發(fā)動機的開發(fā)過程中發(fā)揮了重要作用。

(相關資料圖)

ACR在開發(fā)卡車和其他柴油動力車輛的排放控制裝置方面具有很高的技術能力。用于柴油機的PM(顆粒物) 排放控制裝置可以分為兩種方式，其中DPF(柴油機顆粒物過濾器) 方式實際上是收集燃燒的PM。另一種方式是使用氧化催化劑，如將鉑金利用氧化反應來去除PM。ACR PMR是一種用于車輛的PM控制裝置，它符合日本八個地區(qū)的法規(guī)標準。ACR還生產(chǎn)ACR-EXCAT，一種催化式 的PM控制裝置，用于排放PM水平較低的車輛(圖1)。ACR NXPR是一種控制氮氧化物和PM裝置，是一款非常受歡迎的產(chǎn)品。

圖1：ACR EXCAT和ACR DPF

ACR不僅生產(chǎn)了各種催化設備、蜂窩煤和過濾器，他們也生產(chǎn)ACR-NHBL52，這是一種便攜式家用電源，旨在降低峰值電力使用，并在緊急情況下提供備用電源。ACR配備了廣泛的技能和工具，憑借這些不僅可以為他們自己的產(chǎn)品進行評估，同時也可以為其他公司提供評估服務。

ACR最近致力于開發(fā)小型發(fā)動機，以延長EV(電動汽車)的行駛里程。ACR的執(zhí)行工程師Keiji Kishishita先生，負責管理開發(fā)輔助發(fā)動機和渦輪增壓器系統(tǒng)的整個EREV項目。

更好的軟件和技術支持：

ACR重新審視CFD

盡管需求不斷上升，但與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(IC) 驅(qū)動的車輛相比，環(huán)保型電動車還是不能進行長距離行駛，但通過使用輔助發(fā)動機發(fā)電，可以使EREVs行駛得更遠。使用輔助發(fā)動機為發(fā)電機供電，即為電動車電池充電，可以通過在充電站停車加油來延長行駛距離。在EREV系統(tǒng)中，驅(qū)動輪的動力始終由電動馬達提供，這就是EREV與PHEVs(插電式混合動力汽車) 的根本區(qū)別。在PHEVs中，IC發(fā)動機和電動馬達都可以用來為車輛提供動力，這使得PHEVs更加復雜，成本更高，所以其并不是嚴格意義上的純電動車。

ACR將單缸設計用于ERAV柴油發(fā)動機，不僅重量輕而且成本低。對于送貨公司來說，對EREV的需求尤其高，由于貨物繁重和車輛經(jīng)常走走停停，燃料消耗很高。此外，送貨車輛的行駛距離很長，送貨車輛必須盡可能多地投入使用，以便司機可以有效地利用他們的時間。基于上述情況，現(xiàn)實中送貨公司無法轉(zhuǎn)換為全電動汽車車隊，因為在電動汽車電池充電時，車輛將基本上無法使用。因此EREV輔助動力發(fā)動機將電動車應用在送貨車輛中能夠發(fā)揮很大作用，但這也只是目前的理想狀態(tài)。

ACR的EREV開發(fā)項目由日本的NEDO(新能源和工業(yè)技術開發(fā)組織) 贊助。這個為期三年的測試項目成功證明了輔助發(fā)動機電動車技術在促進電動車使用量的增加方面具有巨大的潛力，而ACR希望在三年內(nèi)將該發(fā)動機應用于EREV(圖2) 。

圖2：電動汽車微型柴油發(fā)電機的組成部分

開發(fā)EREVs小型輔助發(fā)動機面臨有許多設計挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括大負荷引起的脈動。另外，使用低排量發(fā)動機造成的功率限制也促使ACR研究渦輪增壓以增加發(fā)動機的功率。在此期間，ACR引入了熱流體分析工具來幫助他們開發(fā)新的渦輪增壓器。ACR首席執(zhí)行官兼總裁Hiroshi Matsuoka先生建議使用計算仿真作為設計工具，近年來人們對技術水平大幅提升的仿真工具越來越有信心。

Kishishita先生和他的團隊最初使用了一家外國公司開發(fā)的CFD工具，但沒有將該工具應用到他們的設計過程中，因為操作起來太困難。松岡先生建議使用具有 強大本地支持的軟件，這將使他們能夠快速解決問題，最后他們選擇了Cradle CFD。

設計高效的渦輪增壓器

圖3: EREV渦輪增壓器

圖4：渦輪增壓器的渦輪

Kishishita先生的團隊正在開發(fā)一種渦輪增壓器，它將比日本Kei微型車中的世界上最小的渦輪增壓器更有效率。ACR渦輪增壓器將只使用典型的Kei微型汽車渦輪增壓器的三分之一的流量。(圖3和圖4) 。

圖5：用模擬方法評估渦輪增壓器葉片的幾何形狀。

ACR的工程師使用Cradle CFD來確定渦輪增壓器轉(zhuǎn)子葉片的最佳幾何形狀，最佳設計產(chǎn)生了一個理想的出口角，以獲得高效率。計算機模型中使用了大約600萬個網(wǎng)格元素(圖5) 。分析結(jié)果顯示，渦輪增壓器的效率隨著出口角的減小而增加。通過使出口角達到最小值，使流出損失最小化，這最大限度地減少了摩擦損失和能量轉(zhuǎn)化為熱量，從而提高了效率(圖6 ) 。

圖 6: 渦輪增壓器的改進 – 渦輪渦旋被做得更薄，并用熱絕緣體包裹，以盡量提高渦輪功率。

Cradle CFD的分析結(jié)果還表明，通過使用一個非常小的出口角，效率可以比市場上的其他產(chǎn)品高出10%，比市場上的其他產(chǎn)品更好。”在過去，制造商無法實現(xiàn)諸如非常小的出口角幾何形狀的設計特征，因為制造完成這種設計是非常耗費勞動力的。制造商無法證明與性能改進相比，制造效率的降低和成本的增加是合理的?！盞ishishita先生說。ACR通過引入金屬3D打印技術來解決這個問題，以準確地表現(xiàn)復雜的渦輪增壓器的幾何形狀。與為傳統(tǒng)鑄造工藝創(chuàng)建復雜的模具形狀相比，3D打印的效率要高得多。ACR相信他們可以通過使用更多的打印機來提高生產(chǎn)率，這將使他們能夠為改進的渦輪增壓器實現(xiàn)具有成本效益的大規(guī)模生產(chǎn)。

驗證測試表明，分析和測試結(jié)果是一致的。雖然 ACR的工程師們計劃進一步提高分析結(jié)果的準確性，但Kishishita先生對目前的趨勢感到滿意。他相信模擬可以取代物理原型和測試，這將大大減少開發(fā)時間和成本。

提高模擬的準確性需要一定的時間，并可能導致更大、更復雜的模型，這也將需要更多的時間來運行，可能會妨礙ACR的工程師同時評估幾個不同的幾何形狀。為了解決這個問題，Kishishita先生創(chuàng)建了一個內(nèi)部工具，根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度和壓力，對氣體流速和效率進行一維計算。這些一維計算有助于確定進口/出口面積、進口/出口葉片角度和流道外壁錐度的影響。Kishishita先生在這些一維計算結(jié)果的基礎上，進行了詳細的CFD分析。

Kishishita先生的其他設計目標之一是使渦輪增壓器蝸殼更薄。當氣體進入和離開蝸殼時，熱量通過熱傳導流失到外部環(huán)境。熱損失的數(shù)量取決于蝸殼的位置 。ACR通過使蝸殼變薄和用隔熱材料包裹它以減少熱傳導來最大限度地減少熱損失。人們認為這樣做的作用類似于提高渦輪機的效率，ACR的工程師們將使用CFD模擬來進一步評估這一點。

ACR還利用熱流體模擬來設計和開發(fā)催化裝置。他們利用模擬來評估新催化劑和材料的混合器設計。ACR的工程師還在內(nèi)部設計、開發(fā)和生產(chǎn)了許多小型發(fā)動機測試設備。這些設備包括燃料噴射系統(tǒng)的測試儀器，評估氣缸內(nèi)產(chǎn)生的渦流的測量工具，以及渦輪增壓器的特殊測試設備。除此之外，ACR甚至還開發(fā)了生產(chǎn)噴嘴的制造工藝和機器。他們開發(fā)了自己的加工技術，并能夠在更短的時間內(nèi)以更低的成本生產(chǎn)新的燃油噴射系統(tǒng)，因而無需使用專門的制造供應商。

雖然渦輪增壓器的開發(fā)對ACR來說是新的領域，但Kishishita先生在以前的工作中擁有豐富的經(jīng)驗。他聲稱，曾幾何時，人們認為在柴油機上添加渦輪增壓器會降低可靠性，然而由于公司面臨著提高燃油效率的需要，他們不得不開發(fā)渦輪增壓器，岸下先生被分配到這個項目上，他說他以前的經(jīng)驗對他現(xiàn)在的工作有幫助。

盡管岸下先生有豐富的經(jīng)驗，但ACR作為一家公司， 在發(fā)動機開發(fā)方面是完全陌生的。Kishishita先生以前的發(fā)動機經(jīng)驗是鑄鐵缸體的柴油機，而目前項目的缸體是由鋁制成的。但鋁制缸體的剛性并不像Kishishita先生最初希望的那樣好。此外 ，開發(fā)燃料噴射設備和其他發(fā)動機部件和系統(tǒng)也使該項目具有挑戰(zhàn)性。

使用CFD模擬也在幫助ACR降低成本。盡管一個渦輪增壓器測試的實驗數(shù)據(jù)點可以在大約5分鐘內(nèi)獲得，但測試的原型大約需要2萬美元(250萬日元) 。用于制造原型模具的失蠟鑄造也很昂貴和費時。即使使用數(shù)控機床制作原型，成本也將達到1000美元或更多(10萬至20萬日元) ，并需要兩周時間來生成模型數(shù)據(jù)。ACR的工程師們發(fā)現(xiàn)，他們可以通過安裝金屬3D打印機來更準確地表示幾何形狀。增加更多的機器將使他們能夠大量生產(chǎn)。盡管他們需要進行噴丸處理以使粗糙的表面變得光滑，但他們還是設法為現(xiàn)在的情況制定了計劃。

符合預期的高可操作性

在Kishishita先生和他的團隊開始使用Cradle CFD之前，他們使用的是另一個工具，”需要處理過多的參數(shù)”，Kishishita先生回憶說，他們在使用該工具時遇到了困難，而且從未掌握過。他們試圖用現(xiàn)有的測試數(shù)據(jù)對設備進行模擬，以便對模型進行驗證，但模擬和測試結(jié)果并不一致。從這次經(jīng)驗中，Kishishita先生開始收集和匯編模擬以及分析數(shù)據(jù)，并意識到獲得強大技術支持的重要性。當他第一次得知公司計劃使用Cradle CFD時，Kishishita先生很不情愿?！钡覀兊膱?zhí)行總裁和社長向我保證，這個工具多年來一直在進步。他還說服我，我們可以聯(lián)系?？怂箍倒荆埶麄儙椭覀兘鉀Q任何可能出現(xiàn)的問題。最后我們決定使用Cradle CFD，事實證明，這個決定是正確的。我發(fā)現(xiàn)這個軟件在很多情況下都能滿足我們的目標。”Kishishita先生高興地解釋道。

把電動車作為一個整體進行分析

熱管理對于電動汽車來說是至關重要的。普通的內(nèi)燃動力汽車主要由兩個熱源組成：發(fā)動機和散熱器 。電動汽車由電機、變頻器、電池和許多其他需要冷卻的部件組成。ACR的工程師將使用Cradle CFD來評估冷卻系統(tǒng)組件。電機變頻器可能很小，但釋放的熱量以千瓦計。ACR工程師將確定在各種駕駛條件下充分吸收熱量的操作要求，如外部條件和發(fā)動機速度和負荷。ACR已經(jīng)開始了開發(fā)電動車部件的挑戰(zhàn)，預計Cradle CFD將發(fā)揮重要作用。

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