优化发动机论文

1、汽车发动机优化技术姓名：施璐霞江苏技术师范学院电信学院电子专业 09311219摘要：20世纪90年代以来，汽车行业的竞争已从单一的性能竞争转向性能、环保、节能等多元综合竞争。仅就汽车发动机而言，为应对世界能源危机和减少对环境污染，其研究开发工作已侧重于降低油耗、减少排放、轻质及减少磨损等方面，在这些研究中优化技术将得到广泛的应用。 关键字：优化技术，发动机，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、、前言汽车发动机与航空发动机同属热机范畴，二者在许多方面有相通之处。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。作者就当前汽 车发动机及航空航天发动机领域的优化技术的一些进展作一个简略的叙述，并对利用优化技术提高汽车发动机综合性能潜力进行一些探讨。二、发动机优化技术研究和应用现状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

5、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。（一）发动机结构及材料优化技术发动机结构优化主要是优化关键零部件的形状以改善发动机性能。为改进发动机结构及使发动机轻量化，对其材料进行优化设计是一种重要手段。近年来，包括新型复合材料如碳化硅、氮化硅、氧化锆、石墨及合成石墨等不断用于发动机结构。通过建立发动机复合材料叶片各截面应力应变解析式和最大应力准则，对叶片进行最大强度的优化分析。 对固体火箭发动机的复合材料壳体进行优化设计，使得发动机结构在满足强度约束的要求下获得最小的质量。（二）发动机燃烧优化技术随着世界能源问题和环境污染问题的日趋严重，飞机及汽车作为污染

6、环境和消耗能源的大户，备受人们的关注。发动机燃烧过程直接影响节能和环保，对发动机燃烧过程优化的研究越来越受到重视。目前主要是从喷射系统、 进气管系、燃烧室形状等几方面对其进行优化设计。在发动机燃烧喷射系统方面，借助于先进电子控制技术，能准确地调节燃油供给，优化喷油定时和喷油次数，控 制气缸内的混合状态、燃烧室内的燃油分布，降低排放污染。对新型脉动式电控燃油喷射系统的喷射定时问题，研究了发动机直接喷射技术的优化问题。采用了多目标设计方法，优化了发动机燃烧系统和配气机构匹配。在新型燃料发动机燃烧过程的优化研究中，在建立氢燃料发动机最优控制模型的基础上，提出了双模式控制方式；用计算机仿真分析手段对天

7、然气汽车发动机的空燃比进行优化来改善发动机的性能。（三）发动机多学科优化技术发动机设计以结构、热力、燃烧、强度、振动、流体、传热等多个学科为基础，可变因素多，随机性大，是一个可变互耦系统的优化问题。多学科设计优化通过充 分利用各个学科之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解，因而在发动机传统设上有很大的应用优势。在航空发动机领域，多学科优化技术已被用于建立优化模型并开展了涡轮叶片设计、压气机叶片设计及发动机总体方案设计，将传统的优化设计方法转变为多学科优化并行设计流程，综合考虑了气动、振动、强度和疲劳寿命等方面的要求，可缩短设计周期和提高优化效果。如：利用单级优化算法对航空发动机喷

8、 管进行了多学科优化设计；在内燃机的优化研究中引入了多学科鲁棒性设计优化方法来评价设计过程中的不确定性；采用多学科优化技术进行发动机动力系统的设计。三、以节能和环保为主要目标的汽车发动机综合优化技术研究重点（一）汽车发动机优化设计方法1. 汽车发动机多学科多目标优化设计系统在以节能、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，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

9、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）。通过以上三级 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

10、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。2. 汽车发动机的区间不确定性优化研究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前景的方向。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。（二）汽车发动机优

11、化设计问题1. 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赖于近似模型的引入。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

12、和其他高性能计算技术也是提高优化效率的一条途径。2. 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

13、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。3. 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。四、结论综上所述，优化技术在发动机的设计 制造中占有非常重要的地位。包括常规优化方法和智能优化方法在内的优化技术已被应用于发动机设计。考虑到能源的短缺和环境问题的重要性，未来的车用发动机 优化设计的研究将是以节