汽車發動機優化及發展

劉光 孟令陽

摘要：隨著國民經濟的迅猛發展，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展，汽車行業的競爭已從單一的性能競爭轉向性能、環保、節能等多元綜合競爭。隨著國民經濟的迅猛發展，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展，汽車行業的競爭已從單一的性能競爭轉向性能、環保、節能等多元綜合競爭。

關鍵詞：汽車發動機;現狀：技術發展

優化技術在發動機的設計制造中占有非常重要的地位。包括常規優化方法和智能優化方法在內的優化技術已被應用于發動機設計。考慮到能源的短缺和環境問題的重要性，未來的車用發動機優化設計的研究將是以節能和環保為重點的綜合最優，應當建立并應用多種不確定多目標多學科優化理論方法、策略及算法;并應大力開發在一個優化平臺上集成各個學科設計要求的多學科多目標優化設計系統，該系統將具有更高的優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、汽車發動機的發展歷史

汽車發動機的發展歷程從另一個角度看，也是汽車行業的發展歷程。發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，轉變為機械能。汽車發動機的技術隨著時代的發展不斷革新完善，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。

在發動機的基本工作形式得到確定之后，發動機技術不斷更新，并且隨著時間的推移，發動機技術在不斷的改進完善當中，發動機的動力性、經濟性、環境保護都得到了大幅度提高，并且運轉更加平順。發動機技術的革新，使得汽車更加高效、經濟和實用，并且提高了燃油利用效率，降低了對環境的污染，實現了節能減排?，F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，發動機技術的不斷革新，也是解決汽車尾氣對于生態環境造成影響的重要途徑。新興技術的應用，使得發動機的發展進入了一個新的時期，汽車行業的發展也隨之不斷推進。

二、對汽車發動機優化技術的研究和應用現狀

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

1、對發動機結構及材料的優化：發動機結構的優化主要是對關鍵零部件形狀的優化和發動機性能的改善。最近幾年來，新型復合材料（碳化硅、氮化硅、氧化鋯等）廣泛的用于到發動機結構中。通過在發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，進行最大強度的優化分析

2、基于非劣解集的多目標優化方法此方法首先需要找到盡可能多的協議解，然后根據工程實際情況，獲得決策解。相比基于偏好的多目標方法，該方法更系統、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對航空發動機總體性能進行優化;基于多目標遺傳算法對固體火箭發動機的性能和成本進行優化。在發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化，傳統的優化方法已無法解決，而必須求助于不確定性優化方法。隨著發動機質量越來越輕，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。除了對發動機本身結構進行改進外，對發動機的減振系統進行優化也是一條提高車輛整體振動性能的有效途徑。傳統的彈性減振系統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，即能根據發動機激勵、路況、車輛行駛狀態和載荷等自動調節系統參數，優化車輛動力學特性，實現主動減振。車用發動機的減振系統是一復雜的非線性系統，而神經網絡因其自身的非線性映射能力在未來發動機減振系統的優化設計中具有很大的潛力。另外，由于發動機動力系統的復雜性，在模型、載荷、激勵等方面都具有很大的不確定性，減振系統的優化不可避免地應考慮系統不確定性的影響，可以利用模糊集或區間數學理論結合神經網絡進行不確定性優化，以提高減振系統的可靠性和魯棒性。

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

三、未來發動機的發展趨勢

現代綠色柴油發動機已經成為目前實現節能環保最現實的途徑之一，和主流的汽油發動機相比，它擁有出色的節能性和動力性。實驗數據表明，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油30%～35%;而與傳統的柴油發動機相比，又有著出色的舒適性和環保性，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動機在同樣功率的情況下通常要低30%～60%;在發動機低速運轉的情況下，柴油發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，因此更受重視節能環保的歐洲國家的青睞。

在我國，上柴集團的二甲醚發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天然氣發動機曾兩度獲得世界客車聯盟“年度最佳發動機”大獎;上柴國Ⅲ及國Ⅲ以上排放的柴油機和替代能源發動機，獲得了“2010年上海世博會指定環保發動機”稱號。事實上，現代綠色柴油機比主流汽油機節油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，已經將噴射壓力從傳統柴油機的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。這不僅僅是數據上的變化，更給柴油機動力技術帶來了全面的提升。

2.2.小排量渦輪增壓發動機將成為未來發展趨勢

渦輪增壓發動機依靠渦輪增壓器增加發動機進氣量，從而增加發動機的輸出功率。其最大優點是不增加排量，大幅提升發動機功率和扭矩，提高燃油經濟性并降低尾氣排放。數據顯示，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油達20%和40%。小排量渦輪增壓發動機在實現節能的同時，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

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

參考文獻：

[1]王麗梅.淺談我國汽車發動機再制造技術的現狀與發展[J].中國新技術新產品.2013（06）：130-131.

[2]莫持標.提高汽車燃油經濟性的措施[J].機電工程技術.2013（07）：150-152.