汽車發(fā)動機優(yōu)化及發(fā)展

劉光 孟令陽

摘要：隨著國民經濟的迅猛發(fā)展，汽車產量逐年增加，我國汽車越來越多，車型也越來越復雜。尤其是高科技的飛速發(fā)展，汽車行業(yè)的競爭已從單一的性能競爭轉向性能、環(huán)保、節(jié)能等多元綜合競爭。隨著國民經濟的迅猛發(fā)展，汽車產量逐年增加，我國汽車越來越多，車型也越來越復雜。尤其是高科技的飛速發(fā)展，汽車行業(yè)的競爭已從單一的性能競爭轉向性能、環(huán)保、節(jié)能等多元綜合競爭。

關鍵詞：汽車發(fā)動機;現(xiàn)狀：技術發(fā)展

優(yōu)化技術在發(fā)動機的設計制造中占有非常重要的地位。包括常規(guī)優(yōu)化方法和智能優(yōu)化方法在內的優(yōu)化技術已被應用于發(fā)動機設計。考慮到能源的短缺和環(huán)境問題的重要性，未來的車用發(fā)動機優(yōu)化設計的研究將是以節(jié)能和環(huán)保為重點的綜合最優(yōu)，應當建立并應用多種不確定多目標多學科優(yōu)化理論方法、策略及算法;并應大力開發(fā)在一個優(yōu)化平臺上集成各個學科設計要求的多學科多目標優(yōu)化設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)將具有更高的優(yōu)化效率和較好的開放性，可以更好地適應未來汽車個性化設計的趨勢。

一、汽車發(fā)動機的發(fā)展歷史

汽車發(fā)動機的發(fā)展歷程從另一個角度看，也是汽車行業(yè)的發(fā)展歷程。發(fā)動機為汽車的工作提供動力，是能量轉化裝置的一種，通過對于燃料瞬間燃燒所產生的熱能進行轉換，在密封氣缸內燃燒氣體迅速膨脹來推動活塞往復運動做功，轉變?yōu)闄C械能。汽車發(fā)動機的技術隨著時代的發(fā)展不斷革新完善，其設計、制造、工藝、性能、控制水平等多方面的能力都有了大幅度的提高，但是依然圍繞其能量轉換原理來工作。

在發(fā)動機的基本工作形式得到確定之后，發(fā)動機技術不斷更新，并且隨著時間的推移，發(fā)動機技術在不斷的改進完善當中，發(fā)動機的動力性、經濟性、環(huán)境保護都得到了大幅度提高，并且運轉更加平順。發(fā)動機技術的革新，使得汽車更加高效、經濟和實用，并且提高了燃油利用效率，降低了對環(huán)境的污染，實現(xiàn)了節(jié)能減排。現(xiàn)如今，PM2.5污染和霧霾已經成為了社會普遍關注的重要問題，發(fā)動機技術的不斷革新，也是解決汽車尾氣對于生態(tài)環(huán)境造成影響的重要途徑。新興技術的應用，使得發(fā)動機的發(fā)展進入了一個新的時期，汽車行業(yè)的發(fā)展也隨之不斷推進。

二、對汽車發(fā)動機優(yōu)化技術的研究和應用現(xiàn)狀

發(fā)動機的優(yōu)化涉及到多個目標，與單目標優(yōu)化問題不同的是這些目標函數(shù)往往耦合在一起，且每一個目標具有不同的物理意義和量綱。它們的關聯(lián)性和沖突性使得對其優(yōu)化變得十分困難。多目標優(yōu)化方法可以分為如下兩大類并且已在發(fā)動機的優(yōu)化設計中得到了應用。

1、對發(fā)動機結構及材料的優(yōu)化：發(fā)動機結構的優(yōu)化主要是對關鍵零部件形狀的優(yōu)化和發(fā)動機性能的改善。最近幾年來，新型復合材料（碳化硅、氮化硅、氧化鋯等）廣泛的用于到發(fā)動機結構中。通過在發(fā)動機復合材料葉片各截面上，建立應力應變解析式以及最大應力準則，進行最大強度的優(yōu)化分析

2、基于非劣解集的多目標優(yōu)化方法此方法首先需要找到盡可能多的協(xié)議解，然后根據(jù)工程實際情況，獲得決策解。相比基于偏好的多目標方法，該方法更系統(tǒng)、實用和客觀。如通過多目標遺傳算法，以單位推力、耗油率等為目標函數(shù)對航空發(fā)動機總體性能進行優(yōu)化;基于多目標遺傳算法對固體火箭發(fā)動機的性能和成本進行優(yōu)化。在發(fā)動機的生產及實際使用中，總是存在著材料特性、制造、裝配及載荷等方面的誤差或不確定性。雖然在多數(shù)情況中，誤差或不確定性很小，但這些誤差或不確定性結合在一起可能對發(fā)動機的性能和可靠性產生很大的影響。對于此類不確定性問題的優(yōu)化，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法已無法解決，而必須求助于不確定性優(yōu)化方法。隨著發(fā)動機質量越來越輕，而其功率和轉速不斷提高，振動和噪聲問題越來越突出。振動不僅影響到發(fā)動機自身的強度和性能，而且會給車輛整體壽命和乘客舒適性造成很大的影響。除了對發(fā)動機本身結構進行改進外，對發(fā)動機的減振系統(tǒng)進行優(yōu)化也是一條提高車輛整體振動性能的有效途徑。傳統(tǒng)的彈性減振系統(tǒng)已無法滿足舒適性要求，未來的趨勢是半主動減振和主動減振控制系統(tǒng)，即能根據(jù)發(fā)動機激勵、路況、車輛行駛狀態(tài)和載荷等自動調節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化車輛動力學特性，實現(xiàn)主動減振。車用發(fā)動機的減振系統(tǒng)是一復雜的非線性系統(tǒng)，而神經網絡因其自身的非線性映射能力在未來發(fā)動機減振系統(tǒng)的優(yōu)化設計中具有很大的潛力。另外，由于發(fā)動機動力系統(tǒng)的復雜性，在模型、載荷、激勵等方面都具有很大的不確定性，減振系統(tǒng)的優(yōu)化不可避免地應考慮系統(tǒng)不確定性的影響，可以利用模糊集或區(qū)間數(shù)學理論結合神經網絡進行不確定性優(yōu)化，以提高減振系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。

3、對發(fā)動機燃燒的優(yōu)化：隨著世界能源的緊缺和環(huán)境污染等問題的嚴重，汽車已經成為環(huán)境污染和能源消耗的大戶，已經引起了人們的重視。發(fā)動機的燃燒直接影響著環(huán)境和能源的消耗，對發(fā)動機燃燒過程的優(yōu)化引起了研究的重視。對汽車發(fā)動機燃燒過程的優(yōu)化主要是對噴射系統(tǒng)的優(yōu)化、進氣管系的優(yōu)化、燃燒室形狀的優(yōu)化等幾方面。借助先進電子控制技術對汽車發(fā)動機燃燒噴射系統(tǒng)進行優(yōu)化，能準確地調節(jié)燃油供給問題，能夠優(yōu)化噴油次數(shù)和時間，控制氣缸內油與氣的混合狀態(tài)和燃油分布，降低尾氣的排放。

三、未來發(fā)動機的發(fā)展趨勢

現(xiàn)代綠色柴油發(fā)動機已經成為目前實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保最現(xiàn)實的途徑之一，和主流的汽油發(fā)動機相比，它擁有出色的節(jié)能性和動力性。實驗數(shù)據(jù)表明，柴油機的燃燒效率可達45%，而汽油機的燃燒效率僅為35%左右。實踐證明，同排量綠色柴油機比汽油機節(jié)油30%～35%;而與傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機相比，又有著出色的舒適性和環(huán)保性，成為時尚汽車的潮流之選。

當今綠色柴油車在歐洲非常普及并且其需求量仍在不斷增長之中。目前綠色柴油機在歐洲的市場占有率已達到50%以上，且排放水平已達到歐V標準。在歐洲，每三輛售出的新車中就有一輛是以綠色柴油發(fā)動機為動力的。綠色柴油車之所以在歐洲受到如此青睞主要是因為柴油的燃油消耗量比汽油發(fā)動機在同樣功率的情況下通常要低30%～60%;在發(fā)動機低速運轉的情況下，柴油發(fā)動機與汽油機相比較擁有更為強勁的動力;由于柴油機所消耗的燃料比汽油機少，對大氣的污染就少，因此更受重視節(jié)能環(huán)保的歐洲國家的青睞。

在我國，上柴集團的二甲醚發(fā)動機技術也逐步得到應用，并大量出口東南亞、南亞及歐美市場。特別是上柴9L天然氣發(fā)動機曾兩度獲得世界客車聯(lián)盟“年度最佳發(fā)動機”大獎;上柴國Ⅲ及國Ⅲ以上排放的柴油機和替代能源發(fā)動機，獲得了“2010年上海世博會指定環(huán)保發(fā)動機”稱號。事實上，現(xiàn)代綠色柴油機比主流汽油機節(jié)油30%～35%的主要原因在于，它采用的是高壓共軌缸內直噴技術。該技術將高壓燃油直接噴射到燃燒室內形成霧化均勻的混合氣，以此提升噴油的霧化效果，使其能夠在短時間內完成更充分的燃燒。資料表明國內最先進的歐意德綠色柴油機搭載的博世第二代高壓共軌噴射系統(tǒng)，已經將噴射壓力從傳統(tǒng)柴油機的60～80MPa，提高到了160MPa的水平，而通常缸內直噴汽油機的燃油噴射壓力僅為12MPa左右。這不僅僅是數(shù)據(jù)上的變化，更給柴油機動力技術帶來了全面的提升。

2.2.小排量渦輪增壓發(fā)動機將成為未來發(fā)展趨勢

渦輪增壓發(fā)動機依靠渦輪增壓器增加發(fā)動機進氣量，從而增加發(fā)動機的輸出功率。其最大優(yōu)點是不增加排量，大幅提升發(fā)動機功率和扭矩，提高燃油經濟性并降低尾氣排放。數(shù)據(jù)顯示，使用渦輪增壓技術可以幫助汽油和柴油車輛在不降低性能的前提下分別節(jié)油達20%和40%。小排量渦輪增壓發(fā)動機在實現(xiàn)節(jié)能的同時，又降低了排放和燃油消耗，已獲得了各個國家的認可。

四、結語

在發(fā)動機優(yōu)化技術方法中，包括常規(guī)優(yōu)化方法和智能優(yōu)化方法在內的優(yōu)化技術已被應用于發(fā)動機設計。考慮到能源的短缺和環(huán)境問題的重要性，未來的車用發(fā)動機優(yōu)化設計的研究將是以節(jié)能和環(huán)保為重點的綜合最優(yōu)，應當建立并應用多種不確定多目標多學科優(yōu)化理論方法、策略及算法。

參考文獻：

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