优化发动机性能

优化发动机性能

石峻铭郭建伟张晓鹏

长城汽车股份有限公司动力研究院河北省保定市071000

摘要:汽车发动机与航空发动机同属热机范畴，二者在很多方面有相通之处。近年来，汽车发动机优化工作已具有一定基础，而针对航空航天发动机所建立及应用的优化技术则已取得较大的进展。将这些先进优化技术特别是多学科优化技术移植应用于汽车发动机优化设计可望提高汽车以节能与环保为中心的综合性能。本文以节能和环保为主要目标就当前汽车发动机性能的优化技术的进行探讨。

关键词：发动机；性能；优化

一、汽车发动机多学科多目标优化

在以节能、环保为主要目标的综合最优前提下，根据汽车发动机设计特点，通过系统分解工作，建立起汽车发动机的物理分析模型及优化数学模型。在上述工作基础上，比较、选择高效的多学科多目标优化方法。最终开发出汽车发动机多学科多目标优化设计系统。以涡轮增压汽车发动机为例，给出了该设计系统的结构与原理，按发动机总体级、部件级(涡轮增压器、活塞式发动机)以及零件级(涡轮增压器的离心叶轮、向心涡轮、轴、涡壳活塞式发动机的连杆、曲轴等)三级进行多学科优化设计。发动机总体优化设计的功能是使得发动机的耗油率最低，质量最小、功率与转矩最大，同时向各部件分配指标，并以总体与部件指标一致为约束条件，部件级优化设计以与总体级分配指标相差最小为目标函数，在满足部件级的约束条件下(例如涡轮增压器要有足够的临界转速裕度)向所属各零件分配指标。零件级优化设计以与部件级分配指标相差最小为目标函数，通过调整零件几何结构尺寸，使得零件级的各学科约束条件满足(如强度、振动等)。通过以上优化，使得各零、部件与总体间设计达成一致协调(即各零、部件与总体间的复杂耦合关系通过一致性约束解耦)并找到综合最优的设计方案。

二、汽车发动机的区间不确定性优化

汽车发动机设计是一项复杂的系统工程，包括燃烧、传热、结构、强度、振动、寿命、传动、润滑、电气、工艺及材料等众多学科，具有大量的不确定性参数，而且很多参数很难获得其概率分布，所以未来开发区间数优化方法用于发动机的优化将是一个很有发展远景的方向。从优化理论本身出发结合发动机的特殊性，建立一套能同时处理目标函数和约束不确定性的区间优化理论，完善和发展目前的区间数值算法如区间有限元，并开发相应的误差估计技术和自适应技术，将不确定算法与多学科优化有机整合，进行发动机的多学科不确定优化。

三、关键零部件结构优化

汽车发动机的关键零部件如气缸、活塞、曲轴、连杆及涡轮增压器等的设计对发动机的性能有很大影响。这些零部件的优化设计，可以提高发动机的性能、寿命和可靠性，从而降低成本、提高经济性。对这些关键零部件的优化可采用前述的各种方法。

但在优化过程中需反复多次调用求解模型，优化效率极低。未来对于此类零部件的优化会越来越依靠于近似模型的引入。可以通过响应面法、神经网络和缩减基法等近似模型建立目标场函数与设计参数之间的近似关系，并且开发相应的误差估计方法。还应将好的近似数值模型与全局收敛性能较好的遗传算法、模拟退火法等相结合，引入相应的自适应算法，进行快速优化。另外，利用并行算法和其他高性能计算技术也是提高优化效率的一条途径。

四、发动机整机减振优化

随着发动机质量越来越轻，而其功率和转速不断提高，振动和噪声问题越来越突出。振动不仅影响到发动机自身的强度和性能，而且会给车辆整体寿命和乘客舒适性造成很大的影响。除了对发动机本身结构进行改进外，对发动机的减振系统进行优化也是一条提高车辆整体振动性能的有效途径。传统的弹性减振系统已无法满足舒适性要求，未来的趋势是半主动减振和主动减振控制系统，即能根据发动机激励、路况、车辆行驶状态和载荷等自动调节系统参数优化车辆动力学特性，实现主动减振。车用发动机的减振系统是一复杂的非线性系统，而神经网络因其自身的非线性映射能力在未来发动机减振系统的优化设计中具有很大的潜力。另外，由于发动机动力系统的复杂性，在模型、载荷、激励等方面都具有很大的不确定性，减振系统的优化不可避免地应考虑系统不确定性的影响，可以利用模糊集或区间数学理论结合神经网络进行不确定性优化，以提高减振系统的可靠性和鲁棒性。

五、燃烧与排放系统的优化

发动机的燃烧和排放系统直接影响到发动机的燃油经济性、噪声、排放等重要指标，影响到汽车的节能与环保性能。对燃烧与排放系统的优化可从两个方面进行。一方面是燃料喷射系统的优化，可通过电控单元精确控制各气缸的燃油喷射量，自由控制发动机的转矩，使得发动机具有良好的启动性能和最佳的输出响应特性，并使得气缸达到最佳混合气状态，提高燃油热效率，降低噪声，另一方面是优化进气管系的结构参数，改进发动机燃烧室，优化压缩比。未来的燃烧与排放系统的设计，应当综合考虑喷射系统和发动机结构，同时注重结构、燃烧、流体、噪声等不同专业领域的性能提高，进行多学科优化设计。

结语：目前各类发动机研发工作的共同重点包括降低油耗、减少排放、减轻质量以及减少磨损等，为了达到这些目标，在发动机设计中应用优化技术是一个重要的手段。当前发动机的优化工作主要在发动机结构、材料、燃料及燃烧、排放以及多学科优化等几个方面展开。

参考文献：

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[2]古兴华，王宝龙.机械设计[Ｍ].北京：电子工业出版社，2016．

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