優(yōu)化發(fā)動機(jī)論文

1、汽車發(fā)動機(jī)優(yōu)化技術(shù)姓名：施璐霞江蘇技術(shù)師范學(xué)院電信學(xué)院電子專業(yè) 09311219摘要：20世紀(jì)90年代以來，汽車行業(yè)的競爭已從單一的性能競爭轉(zhuǎn)向性能、環(huán)保、節(jié)能等多元綜合競爭。僅就汽車發(fā)動機(jī)而言，為應(yīng)對世界能源危機(jī)和減少對環(huán)境污染，其研究開發(fā)工作已側(cè)重于降低油耗、減少排放、輕質(zhì)及減少磨損等方面，在這些研究中優(yōu)化技術(shù)將得到廣泛的應(yīng)用。 關(guān)鍵字：優(yōu)化技術(shù)，發(fā)動機(jī)，多元化。Automobile engine optimization techniqueName: ShiLuXiaJiangsu teachers university of technology in electronic telec

2、ommunication college 09311219 Abstract: since the 1990s, the automobile industry competition has been from a single performance competition to performance, environmental protection, energy saving, and multiple comprehensive competition. Just to cope with the automobile engine is concerned, the world

3、 energy crisis and reduce environmental pollution, the research and development work has focused on reducing fuel consumption and reduce emissions, light weight and reduce wear, etc, in these studies optimization technology will be applied widely.Key word: optimization technique, engine, diversity.一

4、、前言汽車發(fā)動機(jī)與航空發(fā)動機(jī)同屬熱機(jī)范疇，二者在許多方面有相通之處。近年來，汽車發(fā)動機(jī)優(yōu)化工作已具有一定基礎(chǔ)，而針對航空航天發(fā)動機(jī)所建立及應(yīng)用的優(yōu)化 技術(shù)則已取得較大的進(jìn)展。將這些先進(jìn)優(yōu)化技術(shù)特別是多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)移植應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)優(yōu)化設(shè)計可望提高汽車以節(jié)能與環(huán)保為中心的綜合性能。作者就當(dāng)前汽 車發(fā)動機(jī)及航空航天發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的優(yōu)化技術(shù)的一些進(jìn)展作一個簡略的敘述，并對利用優(yōu)化技術(shù)提高汽車發(fā)動機(jī)綜合性能潛力進(jìn)行一些探討。二、發(fā)動機(jī)優(yōu)化技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀目前各類發(fā)動機(jī)研發(fā)工作的共同重點(diǎn)包括降低油耗、減少排放、減輕質(zhì)量以及減少磨損等，為了達(dá)到這些目標(biāo)，在發(fā)動機(jī)設(shè)計中應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)是一個重要的手段。當(dāng)前發(fā)動

5、機(jī)的優(yōu)化工作主要在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)、材料、燃料及燃燒、排放以及多學(xué)科優(yōu)化等幾個方面展開。（一）發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)及材料優(yōu)化技術(shù)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是優(yōu)化關(guān)鍵零部件的形狀以改善發(fā)動機(jī)性能。為改進(jìn)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)及使發(fā)動機(jī)輕量化，對其材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是一種重要手段。近年來，包括新型復(fù)合材料如碳化硅、氮化硅、氧化鋯、石墨及合成石墨等不斷用于發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)。通過建立發(fā)動機(jī)復(fù)合材料葉片各截面應(yīng)力應(yīng)變解析式和最大應(yīng)力準(zhǔn)則，對葉片進(jìn)行最大強(qiáng)度的優(yōu)化分析。 對固體火箭發(fā)動機(jī)的復(fù)合材料殼體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度約束的要求下獲得最小的質(zhì)量。（二）發(fā)動機(jī)燃燒優(yōu)化技術(shù)隨著世界能源問題和環(huán)境污染問題的日趨嚴(yán)重，飛機(jī)及汽車作為污染

6、環(huán)境和消耗能源的大戶，備受人們的關(guān)注。發(fā)動機(jī)燃燒過程直接影響節(jié)能和環(huán)保，對發(fā)動機(jī)燃燒過程優(yōu)化的研究越來越受到重視。目前主要是從噴射系統(tǒng)、 進(jìn)氣管系、燃燒室形狀等幾方面對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在發(fā)動機(jī)燃燒噴射系統(tǒng)方面，借助于先進(jìn)電子控制技術(shù)，能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)燃油供給，優(yōu)化噴油定時和噴油次數(shù)，控 制氣缸內(nèi)的混合狀態(tài)、燃燒室內(nèi)的燃油分布，降低排放污染。對新型脈動式電控燃油噴射系統(tǒng)的噴射定時問題，研究了發(fā)動機(jī)直接噴射技術(shù)的優(yōu)化問題。采用了多目標(biāo)設(shè)計方法，優(yōu)化了發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)和配氣機(jī)構(gòu)匹配。在新型燃料發(fā)動機(jī)燃燒過程的優(yōu)化研究中，在建立氫燃料發(fā)動機(jī)最優(yōu)控制模型的基礎(chǔ)上，提出了雙模式控制方式；用計算機(jī)仿真分析手段對天

7、然氣汽車發(fā)動機(jī)的空燃比進(jìn)行優(yōu)化來改善發(fā)動機(jī)的性能。（三）發(fā)動機(jī)多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)發(fā)動機(jī)設(shè)計以結(jié)構(gòu)、熱力、燃燒、強(qiáng)度、振動、流體、傳熱等多個學(xué)科為基礎(chǔ)，可變因素多，隨機(jī)性大，是一個可變互耦系統(tǒng)的優(yōu)化問題。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化通過充 分利用各個學(xué)科之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解，因而在發(fā)動機(jī)傳統(tǒng)設(shè)上有很大的應(yīng)用優(yōu)勢。在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)已被用于建立優(yōu)化模型并開展了渦輪葉片設(shè)計、壓氣機(jī)葉片設(shè)計及發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計，將傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬W(xué)科優(yōu)化并行設(shè)計流程，綜合考慮了氣動、振動、強(qiáng)度和疲勞壽命等方面的要求，可縮短設(shè)計周期和提高優(yōu)化效果。如：利用單級優(yōu)化算法對航空發(fā)動機(jī)噴

8、 管進(jìn)行了多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計；在內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)化研究中引入了多學(xué)科魯棒性設(shè)計優(yōu)化方法來評價設(shè)計過程中的不確定性；采用多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)的設(shè)計。三、以節(jié)能和環(huán)保為主要目標(biāo)的汽車發(fā)動機(jī)綜合優(yōu)化技術(shù)研究重點(diǎn)（一）汽車發(fā)動機(jī)優(yōu)化設(shè)計方法1. 汽車發(fā)動機(jī)多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)在以節(jié)能、環(huán)保為主要目標(biāo)的綜合最優(yōu)前提下，根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計特點(diǎn)，通過系統(tǒng)分解工作，建立起汽車發(fā)動機(jī)的物理分析模型及優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；在上述工作基 礎(chǔ)上，比較、選擇高效的多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化方法；最終開發(fā)出汽車發(fā)動機(jī)多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)。以渦輪增壓汽車發(fā)動機(jī)為例，該設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與 原理：按發(fā)動機(jī)總體級、部件級（渦輪增壓器、活塞

9、式發(fā)動機(jī)）以及零件級（渦輪增壓器的離心葉輪、向心渦輪、軸、渦殼，活塞式發(fā)動機(jī)的連桿、曲軸等）三級進(jìn) 行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計。發(fā)動機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計的功能是使得發(fā)動機(jī)的耗油率最低，質(zhì)量最小、功率與轉(zhuǎn)矩最大，同時向各部件分配指標(biāo)，并以總體與部件指標(biāo)一致為約束 條件；部件級優(yōu)化設(shè)計以與總體級分配指標(biāo)相差最小為目標(biāo)函數(shù)，在滿足部件級的約束條件下（例如渦輪增壓器要有足夠的臨界轉(zhuǎn)速裕度），向所屬各零件分配指 標(biāo)；零件級優(yōu)化設(shè)計以與部件級分配指標(biāo)相差最小為目標(biāo)函數(shù)，通過調(diào)整零件幾何結(jié)構(gòu)尺寸，使得零件級的各學(xué)科約束條件滿足（如強(qiáng)度、振動等）。通過以上三級 優(yōu)化，使得各零、部件與總體間設(shè)計達(dá)成一致協(xié)調(diào)（即各零、部件與總體

10、間的復(fù)雜耦合關(guān)系通過一致性約束解耦），并找到綜合最優(yōu)的設(shè)計方案。2. 汽車發(fā)動機(jī)的區(qū)間不確定性優(yōu)化研究汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括燃燒、傳熱、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、振動、壽命、傳動、潤滑、電氣、工藝及材料等眾多學(xué)科，具有大量的不確定性參數(shù)，而且很多參數(shù)很難獲得其概率分布，所以未來開發(fā)區(qū)間數(shù)優(yōu)化方法用于發(fā)動機(jī)的優(yōu)化將是一個很有發(fā)展前景的方向。從優(yōu)化理論本身出發(fā)結(jié)合發(fā)動機(jī)的特殊性，建立一套能同時處理目標(biāo)函數(shù)和約束不確定性的區(qū)間優(yōu)化理論，完善和發(fā)展目前的區(qū)間數(shù)值算法如區(qū)間有限元，并開發(fā)相應(yīng)的誤差估計技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)，將不確定算法與多學(xué)科優(yōu)化有機(jī)整合，進(jìn)行發(fā)動機(jī)的多學(xué)科不確定優(yōu)化。（二）汽車發(fā)動機(jī)優(yōu)

11、化設(shè)計問題1. 關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化汽車發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件如氣缸、活塞、曲軸、連桿及渦輪增壓器等的設(shè)計對發(fā)動機(jī)的性能有很大影響。這些零部件的優(yōu)化設(shè)計，可以提高發(fā)動機(jī)的性能、壽命和可靠性，從而降低成本、提高經(jīng)濟(jì)性。對這些關(guān)鍵零部件的優(yōu)化可采用前述的各種方法。但在優(yōu)化過程中需反復(fù)多次調(diào)用求解模型，優(yōu)化效率極低。未來對于此類零部件的優(yōu)化會越來越依賴于近似模型的引入?？梢酝ㄟ^響應(yīng)面法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和縮減基法等近似模型建立目標(biāo)場函數(shù)與設(shè)計參數(shù)之間的近似關(guān)系，并且開發(fā)相應(yīng)的誤差估計方法。還應(yīng)將好的近似數(shù)值模型與全局收斂性能較好的遺傳算法、模擬退火法等相結(jié)合，引入相應(yīng)的自適應(yīng)算法，進(jìn)行快速優(yōu)化。另外，利用并行算法

12、和其他高性能計算技術(shù)也是提高優(yōu)化效率的一條途徑。2. 發(fā)動機(jī)整機(jī)減振優(yōu)化隨著發(fā)動機(jī)質(zhì)量越來越輕，而其功率和轉(zhuǎn)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(jī)自身的強(qiáng)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(jī)本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)外，對發(fā)動機(jī)的減振系統(tǒng)進(jìn)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(jī)激勵、路況、車輛行駛狀態(tài)和載荷等自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化車輛動力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)主 動減振。車用發(fā)動機(jī)的減振系統(tǒng)是一復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因其自身的非線性映射能力在未來發(fā)

13、動機(jī)減振系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中具有很大的潛力。另外，由于發(fā) 動機(jī)動力系統(tǒng)的復(fù)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(yīng)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(xué)理 論結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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. 燃燒與排放系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)動機(jī)的燃燒和排放系統(tǒng)直接影響到 發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、噪聲、排放等重要指標(biāo)，影響到汽車的節(jié)能與環(huán)保性能。對燃燒與排放系統(tǒng)的優(yōu)化可從兩個方面進(jìn)行。一方面是燃料噴射系統(tǒng)的優(yōu)化，可通過 電控單元精確控制各氣缸的燃油噴射量，自由控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使得發(fā)動機(jī)具有良好的啟動性能和最佳的輸出響應(yīng)特性，并使得氣缸達(dá)到最佳混合氣狀態(tài)，提高燃 油熱效率，降低噪聲；另一方面是優(yōu)化進(jìn)氣管系的結(jié)構(gòu)參數(shù)，改進(jìn)發(fā)動機(jī)燃燒室，優(yōu)化壓縮比。未來的燃燒與排放系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)當(dāng)綜合考慮噴射系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)結(jié) 構(gòu)，同時注重結(jié)構(gòu)、燃燒、流體、噪聲等不同專業(yè)領(lǐng)域的性能提高，進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計。四、結(jié)論綜上所述，優(yōu)化技術(shù)在發(fā)動機(jī)的設(shè)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(nèi)的優(yōu)化技術(shù)已被應(yīng)用于發(fā)動機(jī)設(shè)計?？紤]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(jī) 優(yōu)化設(shè)計的研究將是以節(jié)