图1 AMESim与Simulink的联合仿真

尖端的雷诺创新工程——基于LMS Imagine.lab AMESim虚拟发动机模型，可以将领先的可变气门升程技术推广到环保的大众汽车市场，并且满足严格的欧Ⅵ排放标准。

随着人们对全球气候变暖的影响逐步达成共识，世界各地都制定了苛刻的环境法规。越来越多的国家在减排方面做了很多努力，特别是在控制产生烟雾的NOx的排放量上。在欧盟，根据欧Ⅴ的排放标准，到2011年，要求NOx的排放限额从目前的0.25g/km减少到0.18g/km。随后发布的欧Ⅵ法规规定，到2016年NOx的排放限额将会缩小到0.08g/km。不过和美国一些立法严厉的州相比，这样严格的法规仍然是相对宽松的。

排放标准对于以柴油为动力的车辆有特别大的影响。高效率的柴油要求较高的燃烧温度，这就会使发动机排放更多的NOx。在欧洲市场上售出的车辆一半左右都是柴油动力车，并且预期到2012年，美国市场上出售的柴油动力车辆销量将会增加一倍，因此汽车制造商们进行了大范围的调查，寻求可能的解决方法来满足即将推出的标准。令人遗憾的是，多数的解决方案降低了发动机的效率，减少了功率输出并且通常都引入了昂贵的尾气处理装置。考虑到这些制约因素，减少NOx排放的可行办法之一就是优化缸内气体的处理过程。

图2 发动机VVL系统

　　
可变气门升程技术的优点

可变气门升程技术（VVL）是其中最有前途和最具创新力的解决排放问题的途径，它能够克服已有技术的缺陷，通过精准的控制燃烧室混合气体的各个成分，使得燃烧更加高效并且减少NOx的排放。VVL替代传统的机械凸轮轴，发挥相同的作用，它根据每个循环周期中的发动机负荷要求和气缸顶部的气体交换需求，控制进气阀和出气阀的开启顺序。

机械凸轮预设为“单一行程”，即在整个发动机运行的过程中都是一个固定的行程，与其不同的是，VVL通过使用由发动机电子控制单元（ECU）来控制的电控液压执行器，来单独控制每个气门的门开启时间，保证发动机能够更清洁地燃烧。

VVL系统对于柴油发动机来说能够更有效，体现在对燃烧室温度的控制和调节压缩比上，确保了发动机的均匀清洁燃烧。这样，VVL可以大幅减少NOx的排放量，同时提升发动机的响应速度，增加发动机的输出功率和扭矩（特别是在低速的情况下），提高了燃油经济性。整体看起来，这一切在各个方面都很好，唯独有一个例外：柴油发动机的设计问题。令人遗憾的是，制造商开发VVL的费用非常的昂贵。

汽车产业的巨大变化

此外，相对于简单的汽油发动机，柴油发动机的VVL系统面临巨大的技术挑战，柴油机燃烧过程中涉及到更多的变量以及连接到柴油机上的众多辅助设备。由于在冗长的开发时间中，关联到许多新的组件和所涉及的高成本，因此柴油发动机的VVL技术主要限于高级轿车，这样，所附加的费用更易于平摊到车辆的价格中去。

雷诺的这一项具有深远意义的创新项目，拥有足以对汽车工业产生翻天覆地变化的潜力。在VVL的发展战略规划中，只需要投入一小部分时间和成本（与传统开发相比），就可以让可变气门技术为大众所负担得起，推广到能够清洁运行，并更省油的广大柴油动力汽车市场。该项目的重点是创造一个详细的柴油发动机系统计算机仿真模型，包括模拟所有复杂的VVL控制。

图3 LMS Imagine.Lab气路管理方案，尤其有助于气门、进气和排气口以及涡轮增压器、低压废气再循环回路与排气背压控制和微粒过滤器的建模
 

雷诺的这一研究项目仍在继续，但是要顺利完毕并且完成相关部署，这一过程需要良好的资金投入和时间上的保证，这一切，包括虚拟机的模型将会主导整个开发过程。并且很有可能被反复利用，用于开发众多的未来车型。那时，工程师们只需要简单输入不同的参数来针对特定的汽车模型和发动机类型，而不是再次从头建立整个VVL系统和发动机配置。这就是战略，雷诺的工程师们正在努力为之奋斗，并使这一概念成为现实。

积极支持项目的意义

雷诺的模型已经创建并使用LMS Imagine Lab AMESim仿真软件平台来检测多领域智能系统的性能。之所以选择这个软件，因为其涵盖了液压、气动、电动、热能和机械性能以及控制逻辑并将以上要素集成在一个统一的物理模型里。工程师们建立模型，类似于搭积木，只需通过拖动、下拉和互联简单的目标块。整个的工作界面能够让不同要素之间的关系看起来足够简单——但实际上，在模块底层则代表着整个物理系统运作方式的真实过程。与常规手段下，该项目所涉及的数量有限的发动机和可行的测试相比，通过使用LMS Imagine.Lab AMESim 平台和其高效率的求解器，工程师们可以使用全新的仿真和优化技术手段来开发最佳的VVL系统，并使得整个开发过程更为迅速和有效。

新发动机技术的调查需要多次论，以期得到更准确的结果和完整的部件级别的交互分析。为了节省时间和资源，模型的构建和验证外包给LMS国际公司，该公司凭借在汽车系统领域的专业知识积累以及与雷诺的在众多发动机项目上的密切伙伴关系获得了这个项目。该项目包括M9R柴油发动机和以此为基础的VVL项目。在2005年推出的2.0L的M9R发动机，为当时的众多车型的提供动力，其中包括：雷诺的 loleos、Koleos、Mégane、Laguna、Espace 和雷诺三星的电动车QM5 以及尼桑的 Qashqai和X-Trail。在环保方面，NOx 的排放量满足欧4标准，在发动机升级到一个更清洁的版本称其为M9Rb后，进一步降低了NOx的排放量并满足欧Ⅵ的规定。

图4 雷诺的Laguna汽车

“LMS国际公司是我们发动机项目的长期合作伙伴。他们的工程师主动获取了许多相互关联的系统变量和参数。”雷诺的空气系统管理项目工程师认为。“当然此外，LMS国际公司拥有广泛的专业知识和良好的信誉，保证其能够对各种复杂的先进柴油发动机建模。”

建立一个虚拟的柴油发动机模型

在项目的第一个阶段，LMS国际公司工程师们搭建了一个完整的M9R模型，特定应用LMS Imagine.Lab AMESim 创建了详细的发动机控制、燃油喷射和压缩点火燃烧模型。LMS Imagine.Lab气路管理解决方案小组与IPF(法国研究和培训中心)，一起合作开发了最新的发动机模型。

LMS Imagine.Lab气路管理解决方案，尤其有助于气门、进气和排气口以及涡轮增压器、低压废气再循环回路与排气背压控制和微粒过滤器的建模。该模型在不同条件下的仿真输出能够准确预测发动机的性能——包括气体温度、压力以及空气回路和燃烧室中空气组成。通过与M9R的测试数据的比对，验证了仿真结果。

接下来，工程师建立了三种不同的VVL系统模型，并依据排放等级、燃油经济性和发动机的性能对其进行评价。工程师选择电液Uniair系统，是因为根据每个循环的发动机速度和负载，该系统能对最佳的气门开闭时机和“发动机呼吸”，提供从零到最大的气门升程，全面的覆盖各种可能气流。在对Uniair系统性能建模时，LMS国际公司工程师利用了LMS Imagine.Lab独特的液压元件设计（HCD）方法来表示专业的流体系统，有效的将复杂的VVL模型集成到总体的发动机模型中去。

然后，LMS国际公司工程师开发了一种模拟方法来比较进气和排气的状态，进而估计气缸中的残余气体水平——也就是决定NOx水平的关键燃烧比。这些数据被用来建立废气再循环规则，并为每个VVL执行器设置气门，从而确保NOx的排放降至最低，同时不降低发动机性能。同样为涡轮增压和其他外设也都相应地设定控制策略。在整个过程中，采用AMESim和Simulink进行联合仿真，来确保ECU和VVL系统的控制逻辑。

开发周期缩短一年

在LMS国际公司工程师完成M9Rb发动机的虚拟发动机建模后，即使在发动机原型建立之前，雷诺的工程师也能够利用这个模型研究各种配置结构的废气再循环、校准发动机控制代码并详细的评估发动机性能。例如，他们可以在整个的发动机周期中，以每分钟为一个步长研究燃烧室的性能（包括温度分布、气门动作和残留的燃烧废气）。

“在开发周期早期使用如此广泛的LMS Imagine.Lab AMESim 模型工具，能够节约一年的开发时间。”雷诺的空气系统管理项目工程师说，“LMS Imagine提供的软件和工程解决方案，以及最为关键的技术专长，帮助我们在发动机系统仿真方面迈出了巨大的一步。”

得益于LMS Imagine.Lab AMESim模型及LMS国际公司的支持，雷诺能够保持M9Rb柴油发动机项目的开发能够在满足苛刻的欧6排放标准的轨迹上。从长远看，基本的仿真模型，对未来开发类似VVL柴油发动机的车辆具有潜在的可能性。以这种方式，LMS Imagine.LabAMESim能够在持续的研发过程中帮助雷诺，将性能优异且排放最少的柴油发动机推向市场。