CN103177151A - 通过同时的化学动力学和排放计算预测车辆的污染排放的系统和方法 - Google Patents

通过同时的化学动力学和排放计算预测车辆的污染排放的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种预测配有引擎的车辆的污染排放的系统，该系统包括意图确定污染排放的若干处理器(3)，该处理器(3)包括：专门用于执行化学动力学计算的第一组处理器(1)，该化学动力学计算允许根据给定的反应机制和所述引擎的热力学条件确定所述引擎内的化学反应中存在的化合物的量，专门用于执行污染排放计算的第二组处理器(2)，所述计算允许根据计算出的化合物的量确定污染排放，所述两组处理器(1、2)的计算是同时进行的。第一组处理器(1)包括全局监控器处理器(4)以及至少一个处理器簇(5)，所述监控器(4)允许存储计算所需的数据并在所述可用的处理器簇(5)之间分配所述计算。

Description

通过同时的化学动力学和排放计算预测车辆的污染排放的系统和方法
技术领域
本发明涉及模拟车辆(尤其是机动车)的污染排放的领域。
背景技术
关于燃料消耗和污染排放的经济和环境约束对于汽车制造商而言正越来越多地构成限制。例如，限定车辆污染排放(CO2、NOx、烟灰、不完全燃烧的碳氢化合物和微粒)的最大限值的EURO标准正变得越来越多地构成限制。因此制造商想要优化他们的车辆以使污染排放减至最小。因此越来越多地使用排放模拟以预测引擎表现而不需要多次数和长时间的试验测量。
为了预测车辆排放，使用FPI(固有低维流形的火焰延伸)式化学动力学制表方法模拟燃烧室内的后氧化阶段(即气体通过扩散焰氧化)。用于这种类型模型的表是从求解化学动力学的计算机代码中产生的，例如由Reaction开发的
Figure BDA00002616684600012
软件。这种表格详述了根据给定的反应机制和热力学条件存在于反应中的所有化合物的摩尔量。这些表格则用于通过CFD(计算机应用的流体动力学)式计算机程序计算污染排放，尤其是例如通过由IFP新能源公司开发的
Figure BDA00002616684600013
软件。
然而，这种解决方案牵涉到若干缺陷。首先，这些制表方法必须将热力学和化学路径考虑在内，这对引擎建模而言是非常复杂的。为了克服这个问题，必须在表格中引入额外的变量。这种增加数量的参数导致化学表格的大小增加，这必然造成占据非常大的物理存储空间的表格。此外，当生成表格时，要作出一些物理假设，尤其是所使用的化学反应器的类型(即化学反应发生的封闭空间(enclosure))。假设化学反应器具有恒定容积所产生的表格在可变容积反应器的情形下是不可用的。这种第一选择是模拟可变几何形状的燃烧室的根本要素。然而，在引擎循环期间，事实可能趋近一种假设，然后趋近另一假设。因此，模拟结果可能是不精确的或甚至错误的。
为了克服这些困难，已考虑开发两种计算代码——即例如
Figure BDA00002616684600021
和
Figure BDA00002616684600022
软件——之间的直接耦合，用以模拟燃烧气体的后氧化阶段。根据该方法，在直接耦合期间，在排放计算过程中计算混合物的组成和有关化学源的项。当执行排放计算代码时，通过根据给定的局部热力学条件的化学动力学的直接计算来评价混合物的组成。排放计算部分接收化学结果并将他们引入到方程中。可由此继续模拟。因此不再需要热力学路径的获知，这简化了化学建模。
然而，直接耦合需要在每次反复时并对所有燃烧的单元进行化学动力学计算，这导致额外的计算成本，必须尽可能地削减这样的成本以使其应用适应工业约束条件。
本发明允许通过与排放计算同时地执行化学动力学计算来预测配有内燃机的车辆的排放，所述动力学计算是分布式的从而同时由若干处理器执行，这是计算机处理器的并行架构所允许的。根据本发明的系统允许自动地管理化学动力学计算的分布。
发明内容
本发明涉及一种预测配有引擎的车辆的污染排放的系统，该系统包括意图确定污染排放的若干处理器，所述处理器包括：
●专门用于执行化学动力学计算的第一组处理器，所述化学动力学计算允许根据给定的反应机制和所述引擎的热力学条件确定所述引擎内的化学反应中存在的化合物的量，
●专门用于执行污染排放计算的第二组处理器，所述计算允许根据计算出的化合物量确定污染排放。
所述两组处理器的计算是同时进行的。
所述第一组处理器包括全局监控器处理器以及至少一个处理器簇，所述监控器允许存储计算所需的数据并在所述可用的处理器簇之间分配所述计算。
根据本发明，所述至少一个处理器簇包括局部监控器处理器和至少一个从属处理器，所述局部监控器允许存储数据并在所述从属处理器之间分配所述计算，并且每个从属处理器能执行关于所述引擎模型的一部分的化学动力学计算。
此外，所述系统包括在两组处理器之间的第一通信装置，所述通信装置允许将产生自污染排放计算的数据传递至第一组处理器并将化学动力学计算结果传递至所述第二组处理器。
此外，所述系统包括在所述全局监控器和所述处理器簇之间的第二通信装置，所述通信装置允许将计算所需的数据从所述全局监控器传递至所述簇，并将所述模拟结果从所述簇传递至全局监控器。
较为有利地，所述系统包括在所述局部监控器和所述从属处理器之间的第三通信装置，所述通信装置允许将模拟所需的数据从所述局部监控器传递至所述从属处理器，并将所述计算结果从所述从属处理器传递至所述局部监控器。
优选地，所述化学动力学计算是通过能由第一组处理器执行的化学动力学软件执行的，而所述排放计算是通过能由第二组处理器执行的计算软件实现的。
根据本发明的优选实施例，耦合两组处理器的计算使用消息传递接口MPI。
较为有利地，所述通信装置是通过在MPI接口的函数库中选择的函数来实现的。
优选地，每组处理器构成一全局通信器。
较为有利地，每个处理器簇构成一化学通信器。
本发明还涉及一种预测车辆的污染排放的方法，该方法包括下列步骤：
●执行化学动力学计算，所述化学动力学计算允许根据给定的反应机制和所述引擎的热力学条件确定所述引擎内的化学反应中存在的化合物的量，
●同时地执行排放计算，所述计算允许根据计算出的化合物的量确定污染排放。
对于这种方法，可同时地执行若干化学动力学计算。
该方法优选地通过如前所述的系统来执行。
附图简述
参考附图并阅读作为非限制性示例给出的各实施例的描述，将清楚地理解根据本发明的方法的其它特征和优势，在附图中：
-图1示出根据本发明的计算机系统的全局架构；以及
-图2示出根据本发明专门用于化学动力学计算的第一组处理器的架构。
具体实施方式
本发明涉及预测车辆的污染排放的计算机系统，其包括专门用于确定排放的若干处理器。该计算机系统进一步包括：
●专门用于执行化学动力学计算的第一组处理器，所述化学动力学计算允许根据给定的反应机制和所述引擎的热力学条件确定所述车辆的引擎汽缸内的化学反应中存在的所有化合物的量，
●专门用于执行污染排放计算的第二组处理器，所述计算允许根据计算出的化合物的量确定污染排放。
所述两组处理器的计算是同时进行的。
图1示出根据本发明的计算机系统的全局结构。该系统具有由新式计算器的并行架构启用的并行结构。因此，化学动力学计算是在排放计算期间执行的。后氧化模拟时间由此得以减少。
为了实现两种计算代码之间的耦合，根据本发明的系统包括一并行架构，该并行架构允许每次将化学动力学计算自动地分布在若干处理器(3)之间。
该架构首先将专门用于模拟的处理器分成两组(1、2)。第一组(1)专门用于执行化学动力学计算。所述化学动力学计算允许根据给定的反应机制和引擎的热力学条件来确定车辆引擎内的化学反应中存在的所有化合物的摩尔量。第二组(2)被保留以执行排放计算代码。这些计算允许从化合物的模拟摩尔量中确定污染排放。每个计算部分由此由排他地为此保留的处理器执行。
第一组处理器(1)则被分成若干个处理器簇(5)。事实上，第一组处理器(1)包括被称为全局监控器(4)的处理器和若干个处理器簇(5)。全局监控器(4)的功能是从第二组处理器(2)接收并行信息并在各簇(5)之间分配计算，从而优化计算时间。
根据一优选实施例，配置在处理器簇(5)中的局部监控器(6)从全局监控器(4)接收信息，该局部监控器(6)本身在包含在所述处理器簇(5)中的从属处理器(7)之间分配计算。
这种类型的架构允许在编组成簇(5)的大量处理器之间分配化学动力学计算，以减少计算时间。另一方面，两级的监控器(4、6)允许当计算出的数据被送至计算末端时对被称为漏斗效应的效应形成限制，并自动在各个从属处理器(7)之间分配计算负载。
监控器(4、6)分别在处理器簇(5)之间和可用的(即能够执行计算的)从属处理器(7)之间分配计算。这些一方面是具有至少一个可用的从属处理器的簇，而另一方面是不被分配用于计算执行的从属处理器。因此，可在各处理器(3)之间均匀地分配计算。
图2示出根据本发明的第一组处理器的结构，其尤其表示系统的各组件之间的数据交换。
在每次反复时，产生自污染排放计算的数据通过配置在两组处理器(1、2)之间的第一通信装置(8)被送至全局监控器(4)。全局监控器(4)接收用于执行化学动力学计算的参数，并借助第二通信装置(9)在各个可用(即在其上没有计算正在执行)的处理器簇(5)之间自动地分配这些数据。处理器簇(5)的局部监控器(6)借助第三通信装置(10)在可用的从属处理器(7)之间分配计算。每个局部监控器(6)将包含所模拟引擎的模型区的参数的数据集送至每个从属处理器(7)。一旦从属处理器(7)完成其计算，它通过第三通信装置(10)将化学计算结果送至局部监控器(6)。局部监控器(6)存储该结果，随后将与要模拟的引擎的模型的另一个区有关的参数送至该从属处理器(7)。当已在整个引擎模型(即来自排放计算代码的所有模型区)上执行化学计算时，算法结束。
优选地，专门用于污染排放计算的计算代码使用引擎燃烧室的网格模型。由此，由从属处理器(7)模拟的引擎模型区对应于该模型的一个单元或一片单元。
该计算分布方法促进所有处理器之间良好的负载平衡。这因此允许减少后氧化模拟时间。
在一优选实施例中，污染排放计算和化学动力学计算的直接耦合是在Fortran编程语言中实现的，优选地在Fortran90中。直接耦合可优选地使用MPI接口(消息传递接口)的库，从而允许并行计算分配并由此减少代码执行时间。这两个计算代码是明显不同的，并达成处理器的动态分配。
MPI接口是使用C语言和Fortran语言的定义函数库的标准。这允许通过消息传递而利用远程计算机或多处理器。这种技术常见地用于在分布式存储器系统上执行并行程序。
该MPI接口的优势在于，不管是整体共享存储器并行机还是不均匀分布的存储器计算机组件都能获得良好的性能。此外，它可供非常大范围的处理材料和系统使用。由此，该接口的优势在于，它相比其它消息传递库具有广泛的便携性；因此它已被建立在几乎所有存储器架构上并且速度快，因为每次建立都已针对在其上执行其任务的材料作了优化。
当使用该接口时，可彼此通信的一组进程被称为通信器，并且两个进程只有在它们处于相同的通信器中时才通信。初始通信器涵盖能被再分成与逻辑实体对应的较小通信器的所有进程(MPI_COMM_WORLD)。存在两种类型的通信器：内部通信器和相互通信器。内部通信器是标准通信器，而相互通信器用于形成两个内部通信器之间的桥梁。
因此，根据本发明，将处理器(1、2)分成两组是借助包含在MPI接口的函数库中的MPI_COMM_SPLIT函数实现的。专门用于污染排放计算的处理器(2)包含在用于排放计算的全局通信器空间(2)中，而专门用于化学计算的那些处理器(1)包含在用于化学动力学计算的全局通信器空间(1)中。在这两个空间之间建立MPI通信，它们对应于前述的第一通信装置(8)。
根据本发明，化学动力学计算通信器(1)被再分成一全局监控器(4)和至少一个化学通信器(5)，每个化学通信器(5)各自对应于一处理器簇(5)。在每个化学通信器(5)中，存在一局部监控器(6),该局部监控器(6)从全局监控器(4)接收信息，该局部监控器(6)本身在包含在其通信器中的从属处理器之间分配计算。
在各通信器之间和在单个通信器中的两种类型的通信是分配数据所必需的。一方面，相互通信器通信允许从一个通信器至下一个通信器的通信。例如，与第二通信装置(9)对应的相互通信器通信(9)是借助MPI接口的函数库中的MPI_INTER_COMM_CREATE函数建立在全局监控器(4)和化学通信器(5)的每个局部监控器(6)之间的。另一方面，与第三通信装置(10)对应的内部通信器通信(10)在通信器(5)中的局部监控器(6)和从属处理器(7)之间交换数据。数据传递是藉由点对点通信或集中式MPI通信(例如MPI接口的函数库中的MPI_BCAST函数)来达成的。
点对点通信允许一个通信器中的两个进程以标量(scalar)、图表或衍生形式交换数据。MPI接口的库中的相应函数是MPI_SEND,MPI_RECV和MPI_SENDRECV。
集中式通信涉及通信器的所有进程。可将单个数据传送至所有进程(MPI_BCAST)，以在所有进程(MPI_SCATTER)之间划分一图表，或执行每个进程都对其具有贡献的操作(例如加法)。
优选地，用于污染排放计算的计算代码是CFD(计算机应用的流体动力学)式程序，尤其可使用IFP新能源公司开发的
Figure BDA00002616684600071
软件。借助这种软件，使用三维(3D)模拟来计算内燃机中起反应的二相流体(气体/液体燃料)。这种软件允许分析引擎中发生的复杂物理现象(与涉及阀重叠的短路相联系的泛溢、壁上的液膜形成、污染形成等)。对于化学动力学计算，可使用由Reaction
Figure BDA00002616684600072
开发的
Figure BDA00002616684600073
软件。这种软件能求解大量化学反应组合以理解复杂的问题，并因此与本课题相称。
本发明也涉及一种污染排放预测方法，其中执行下列步骤：
●执行化学动力学计算，所述化学动力学计算允许根据给定的反应机制和所述引擎的热力学条件确定所述引擎内的化学反应中存在的化合物的量，
●同时地执行排放计算，所述计算允许根据计算出的化合物的量确定污染排放。
对于根据本发明的这种方法，可同时地执行若干化学动力学计算。
较为有利地，该方法优是通过如前所述的系统来执行的。

Claims (13)

1.一种预测配有引擎的车辆的污染排放的系统，所述系统包括意图确定污染排放的若干个处理器(3)，所述处理器(3)包括：
●专门用于执行化学动力学计算的第一组处理器(1)，所述化学动力学计算允许根据给定的反应机制和所述引擎的热力学条件确定所述引擎内的化学反应中存在的化合物的量，
●专门用于执行污染排放计算的第二组处理器(2)，所述计算允许根据计算出的化合物的量确定污染排放；
所述两组处理器(1、2)的计算是同时进行的；
其特征在于，所述第一组处理器(1)包括全局监控器处理器(4)以及至少一个处理器簇(5)，所述监控器(4)允许存储计算所需的数据并在所述可用的处理器簇(5)之间分配所述计算。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个处理器簇(5)包括局部监控器处理器(6)和至少一个从属处理器(7)，所述局部监控器(6)允许存储数据并在所述从属处理器(7)之间分配所述计算，并且每个从属处理器(7)能执行关于所述引擎模型的一部分的化学动力学计算。
3.如前面任何一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述系统包括在两组处理器(1、2)之间的第一通信装置(8)，所述通信装置(8)允许将产生自污染排放计算的数据传递至第一组处理器(1)并将化学动力学计算的结果传递至所述第二组处理器(2)。
4.如前面任何一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述系统包括在所述全局监控器(4)和所述处理器簇(5)之间的第二通信装置(9)，所述通信装置(9)允许将计算所需的数据从所述全局监控器(4)传至所述簇(5)并将所述模拟结果从所述簇(5)传至所述全局监控器(4)。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统包括在所述局部监控器和所述从属处理器之间的第三通信装置(10)，所述通信装置(10)允许将模拟所需的数据从所述局部监控器(6)传至所述从属处理器(7)，并将所述计算结果从所述从属处理器(7)传至所述局部监控器(6)。
6.如前面任何一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述化学动力学计算是通过能由所述第一组处理器(1)执行的化学动力学软件完成的。
7.如前面任何一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述排放计算是通过能由所述第二组处理器(2)执行的计算软件完成的。
8.如前面任何一项权利要求所述的系统，其特征在于，耦合所述两组处理器(1、2)的计算使用消息传递接口MPI。
9.如权利要求3-5和8中的任何一项所述的系统，其特征在于，所述通信装置(8、9、10)是通过在所述MPI接口的函数库中选择的函数来实现的。
10.如权利要求8、9中任何一项所述的系统，其特征在于，每组处理器(1、2)构成全局通信器。
11.如权利要求8-10中任何一项所述的系统，其特征在于，每个处理器簇(5)构成化学通信器。
12.一种预测车辆的污染排放的方法，包括下列步骤：
●执行化学动力学计算，所述化学动力学计算允许根据给定的反应机制和所述引擎的热力学条件确定所述引擎内的化学反应中存在的化合物的量；
●同时地执行排放计算，所述计算允许根据计算出的化合物的量确定污染排放；
其特征在于，可同时地执行若干化学动力学计算。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法是通过如权利要求1-11中任何一项所述的系统来实现的。
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