基于熱力學優化設計小型化發動機

基于熱力學優化設計小型化發動機

在發動機概念設計階段，采用模擬方法可以快速分析發動機小型化可能產生的問題，并有效降低設計成本。而借助優化軟件可對小型化發動機的相關參數進行優化，實現小型化發動機在各種負荷條件下的參數取值最優。基于發動機燃燒過程中的熱力學特性給出了一種發動機小型化的方法，并對小型化發動機相關參數進行優化設計分析，分析時選擇一臺4缸1.65L柴油機的真實測量數據進行。

利用CAD軟件建立了一維柴油機模型，采用商業化軟件GT-Suite/GT-Power進行熱力學優化，并借助以前柴油機設計的經驗對機械損耗、渦輪增壓器參數、曲軸安全系數進行估計。在GT-Suite/GT-Power軟件分析中，發動機所有部件的初始尺寸、機械損失系數和摩擦損失系數都采用4缸1.65L柴油機上測量的數據。同時，開發了一個關于冷卻壁的簡單有限元模型，用于評估發動機缸內與可燃混合氣相接觸組件的溫度，計算采用Woschni熱傳導公式。優化時，假定發動機采用兩級渦輪增壓，增壓效率分別為50%和60%。壓縮比最大為18，轉速為1000～4000r/min。采用比例積分微分（PID）控制器設定發動機的燃油噴射量，以滿足運行所需轉矩。采用遺傳優化算法對發動機參數進行優化。為保證優化結果的準確性，遺傳代數設定為30～72代。優化結果表明：①發動機小型化伴隨著發動機轉速的降低，在發動機高轉速時，曲軸轉角為30°時燃燒最優；在發動機低轉速時，曲軸轉角為20°時燃燒最優；②燃燒均由靠近上止點位置處開始；③最佳轉速為2000r/min，此時發動機效率最高，約為40%～44%，機械效率約提高3%。

SergiiBogomolovetal.SAE 2014-01-1098.

編譯：王祥