发动机需要承受燃料燃烧和各部件相对运动的摩擦所产生的热量，发动机和整车开发的一个关键阶段就是制定热量管理和发散机制(统称“排热”)。良好的排热工程对于高温条件下保持发动机性能以及暖机期间的发动机性能优化具有关键作用。与稳定的工作温度条件相比，冷起动工况下，发动机的效率明显低得多，因此，发动机开发的一个重要目标就是要确保系统和组件尽快达到预期的工作温度范围，进而减少能量损失。

对于排热的预测，常规的作法是通过发动机实物样机和专用排热试验台完成，这种方法存在成本过高的问题(一旦构建了实物样机，修改和优化发动机设计需要付出很高的成本)。理想情况下，排热的相关问题应在设计周期的最初阶段就得以解决和确定，然后才开始着手制造第一个硬件。

来自德国的集成设计分析技术供应商InDesA公司开发了一种新的预测排热的方法，该方法通过基于软件的虚拟测试完成，并以实物测试数据作为支持。InDesA公司开发的方法围绕一套嵌入虚拟机舱环境中的STAR-CCM+®发动机模型进行构建。使用Gamma Technologies的GT-SUITE软件，通过1D发动机流程模拟来获得燃烧和排气温度，而摩擦热则通过实物样机测试得出。

通过实物样机进行排热测试

排热测试的传统方法是使用早期开发阶段的发动机实物样机。

首先，在发动机的汽缸盖中安装压力指示器，用于测量指示平均有效压力(IMEP)以及制动平均有效压力(BMEP)，代表飞轮的转矩。使用这两个测量数据可以计算出发动机的总摩擦，即平均摩擦有效压力(FMEP)。使用特殊铸造和装配方法的汽缸盖也必须安装在发动机上才能获得这些测量数据，因而测试的复杂性和成本很高。

发动机样机还装配了用于监控发动机温度的传感器(热电偶)，用于确保发动机在测试台架上进行操作时不会受损。另外，制作特殊的测试工作台(排热测试要求工作台装有发动机油和冷却液的调节装置)也增加了成本，降低了开发效率。

发动机开发早期阶段的样机通常有内置的性能限制，包括对转速、转矩以及增强燃烧混合的限制，用来在测试期间对发动机采取保护措施。所有这些措施都旨在通过控制温度来保护发动机，但这些措施对发动机排热性能测试有很大的影响。由于发动机的排热性能需要在开发早期确定，但发动机的燃烧和排气特征往往在这个阶段还不够成熟，因而无法基于实物测试准确评估排热性能。

用虚拟测试补充实物测试

为了弥补上述缺点，InDesA公司开发了一种新方法——采用标准的实物测试程序来校准根据流体动力和热传递的一维、三维图像所展现的完整模拟模型(见图1)，通过模拟仿真测试来获取补充信息，以克服开发早期发动机实物样机不成熟所造成的不确定性和不准确性。

实物测试提供有关发动机的全面信息，如燃烧压力、温度、摩擦(拆解测量)和油耗等;而集成式热交换器的温度图应在另外的虚拟或实物测试台架上完成测试。这些测量值用于填入和校准GT-SUITE中的不同一维发动机模型。生成的一维模拟可以得出对油耗、发动机基本工作参数、质量流量、空气感应和排气系统以及冷却和润滑回路中的压力和温度的预测。这个一维模拟输出随后提供发动机STAR-CCM+®模型以及发动机舱和整车环境的边界条件。这将用于计算发动机内部、通过排气和冷却系统以及最终向周围环境排热的热交换。

用虚拟发动机舱环境代替实物测试单元

发动机排热通过嵌入到发动机热设计、排气、冷却和润滑系统设计以及发动机舱环境中的热管理技术来控制。为了对所有这些进行虚拟建模，InDesA公司使用了STAR-CCM+®来构建虚拟发动机的模型。该模型的设计用以演示热模拟方法，提供不同热管理技术选项(分裂冷却、水冷排气歧管、机油冷却器以及热封等)。GT-SUITE的一维模型具备发动机性能、进气排气燃烧、热传递到发动机结构、润滑和冷却回路(见图2)。

为了改善传统的实物测试单元，InDesA公司利用STAR-CCM+®开发了一辆有发动机舱和整车环境的虚拟汽车(Pandora)，将CFD和共轭传热(CHT)模型结合在一起。这款虚拟车模型用于模拟热传递到发动机舱和周边环境的发动机热性能。Pandora模型包括发动机和一个简化的发动机舱，具备空气感应、排气和冷却系统以及前端热交换器模块，可提供更高的仿真度以及比实物测试单元更宽泛的工况范围(见图3)。通过发动机舱的气流、车辆速度和冷却扇的性能完成建模。空气温度同样根据发动机前部散热模块的热释放来完成建模。1D车辆模型包括传统系统、道路模型以及周边环境，用于GT-SUITE的瞬态模拟，因此可以提供从热车到正常运行的任何驾驶周期的边界条件。

发动机模型的详尽程度完全可以满足热应力分析的要求，热通过燃烧传递到缸壁、活塞、缸头和排气道。此外，分散的摩擦热被传递到发动机缸壁(见图4)，这样可以计算内部热流，即发动机结构、冷却液和机油之间的热交换。

基于这些热交换和1D模拟模型，在STAR-CCM+®中创建了1亿～1.5亿个单元之间的统一车辆模型，用于计算从发动机到冷却和润滑系统的热流动。而热量从冷却和润滑系统传递到发动机舱前部的热交换器，在热交换器附近，热量被释放到流经热交换器和冷却风扇的冷却空气(见图5)。在模拟测试中，发动机始终被设定处于正确的发动机舱空气温度和流动条件，因而比传统的测试单元测试更加精准。

这套集成式的模拟测试方法可以对各种热源进行精确量化，以135 kW的发动机制动力、速度为240 km/h的车辆为例，台架测试结果显示总燃烧热量的51%来自于燃烧室，37%来自于水冷排气歧管，而发动机摩擦占了12%。必须注意的是，后者的数值基本上来自实物测试。模型也显示了向冷却液的热释放(79.6%)、向机油的热释放(14%)以及通过发动机表面向周边环境的热释放(5.8%)。InDesA公司注意到，由于内部热流动和再分配，模拟所揭示的数值与基于工程直觉所预期的数值有所不同。

与实物样机的台架测试相结合，InDesA公司的模拟测试方法可以在发动机开发的早期预测排热，比单纯进行台架测试有更高的仿真度和可靠性。InDesA公司相信，经过进一步研发，这种方法有潜力全面取代实物样机排热测试。