汽車發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化及發(fā)展

劉光 孟令陽

摘要：隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，汽車產(chǎn)量逐年增加，我國汽車越來越多，車型也越來越復(fù)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(zhuǎn)向性能、環(huán)保、節(jié)能等多元綜合競爭。隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，汽車產(chǎn)量逐年增加，我國汽車越來越多，車型也越來越復(fù)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(zhuǎn)向性能、環(huán)保、節(jié)能等多元綜合競爭。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī);現(xiàn)狀：技術(shù)發(fā)展

優(yōu)化技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。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(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究將是以節(jié)能和環(huán)保為重點(diǎn)的綜合最優(yōu)，應(yīng)當(dāng)建立并應(yīng)用多種不確定多目標(biāo)多學(xué)科優(yōu)化理論方法、策略及算法;并應(yīng)大力開發(fā)在一個(gè)優(yōu)化平臺(tái)上集成各個(gè)學(xué)科設(shè)計(jì)要求的多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yīng)未來汽車個(gè)性化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。

一、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程從另一個(gè)角度看，也是汽車行業(yè)的發(fā)展歷程。發(fā)動(dòng)機(jī)為汽車的工作提供動(dòng)力，是能量轉(zhuǎn)化裝置的一種，通過對(duì)于燃料瞬間燃燒所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在密封氣缸內(nèi)燃燒氣體迅速膨脹來推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)做功，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)隨著時(shí)代的發(fā)展不斷革新完善，其設(shè)計(jì)、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(zhuǎn)換原理來工作。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工作形式得到確定之后，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不斷更新，并且隨著時(shí)間的推移，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在不斷的改進(jìn)完善當(dāng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境保護(hù)都得到了大幅度提高，并且運(yùn)轉(zhuǎn)更加平順。發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的革新，使得汽車更加高效、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用，并且提高了燃油利用效率，降低了對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。現(xiàn)如今，PM2.5污染和霧霾已經(jīng)成為了社會(huì)普遍關(guān)注的重要問題，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷革新，也是解決汽車尾氣對(duì)于生態(tài)環(huán)境造成影響的重要途徑。新興技術(shù)的應(yīng)用，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期，汽車行業(yè)的發(fā)展也隨之不斷推進(jìn)。

二、對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化涉及到多個(gè)目標(biāo)，與單目標(biāo)優(yōu)化問題不同的是這些目標(biāo)函數(shù)往往耦合在一起，且每一個(gè)目標(biāo)具有不同的物理意義和量綱。它們的關(guān)聯(lián)性和沖突性使得對(duì)其優(yōu)化變得十分困難。多目標(biāo)優(yōu)化方法可以分為如下兩大類并且已在發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。

1、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及材料的優(yōu)化：發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要是對(duì)關(guān)鍵零部件形狀的優(yōu)化和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改善。最近幾年來，新型復(fù)合材料（碳化硅、氮化硅、氧化鋯等）廣泛的用于到發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中。通過在發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料葉片各截面上，建立應(yīng)力應(yīng)變解析式以及最大應(yīng)力準(zhǔn)則，進(jìn)行最大強(qiáng)度的優(yōu)化分析

2、基于非劣解集的多目標(biāo)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(shí)際情況，獲得決策解。相比基于偏好的多目標(biāo)方法，該方法更系統(tǒng)、實(shí)用和客觀。如通過多目標(biāo)遺傳算法，以單位推力、耗油率等為目標(biāo)函數(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能進(jìn)行優(yōu)化;基于多目標(biāo)遺傳算法對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和成本進(jìn)行優(yōu)化。在發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)及實(shí)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(jié)合在一起可能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性產(chǎn)生很大的影響。對(duì)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(dòng)機(jī)質(zhì)量越來越輕，而其功率和轉(zhuǎn)速不斷提高，振動(dòng)和噪聲問題越來越突出。振動(dòng)不僅影響到發(fā)動(dòng)機(jī)自身的強(qiáng)度和性能，而且會(huì)給車輛整體壽命和乘客舒適性造成很大的影響。除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)外，對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(shì)是半主動(dòng)減振和主動(dòng)減振控制系統(tǒng)，即能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)、路況、車輛行駛狀態(tài)和載荷等自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化車輛動(dòng)力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)減振。車用發(fā)動(dòng)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)動(dòng)機(jī)減振系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有很大的潛力。另外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜性，在模型、載荷、激勵(lì)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、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yán)重，汽車已經(jīng)成為環(huán)境污染和能源消耗的大戶，已經(jīng)引起了人們的重視。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒直接影響著環(huán)境和能源的消耗，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的優(yōu)化引起了研究的重視。對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的優(yōu)化主要是對(duì)噴射系統(tǒng)的優(yōu)化、進(jìn)氣管系的優(yōu)化、燃燒室形狀的優(yōu)化等幾方面。借助先進(jìn)電子控制技術(shù)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噴射系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)燃油供給問題，能夠優(yōu)化噴油次數(shù)和時(shí)間，控制氣缸內(nèi)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(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代綠色柴油發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為目前實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保最現(xiàn)實(shí)的途徑之一，和主流的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它擁有出色的節(jié)能性和動(dòng)力性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，柴油機(jī)的燃燒效率可達(dá)45%，而汽油機(jī)的燃燒效率僅為35%左右。實(shí)踐證明，同排量綠色柴油機(jī)比汽油機(jī)節(jié)油30%～35%;而與傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，又有著出色的舒適性和環(huán)保性，成為時(shí)尚汽車的潮流之選。

當(dāng)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(jī)在歐洲的市場占有率已達(dá)到50%以上，且排放水平已達(dá)到歐V標(biāo)準(zhǔn)。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(dòng)機(jī)為動(dòng)力的。綠色柴油車之所以在歐洲受到如此青睞主要是因?yàn)椴裼偷娜加拖牧勘绕桶l(fā)動(dòng)機(jī)在同樣功率的情況下通常要低30%～60%;在發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)相比較擁有更為強(qiáng)勁的動(dòng)力;由于柴油機(jī)所消耗的燃料比汽油機(jī)少，對(duì)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(tuán)的二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也逐步得到應(yīng)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(dòng)機(jī)曾兩度獲得世界客車聯(lián)盟“年度最佳發(fā)動(dòng)機(jī)”大獎(jiǎng);上柴國Ⅲ及國Ⅲ以上排放的柴油機(jī)和替代能源發(fā)動(dòng)機(jī)，獲得了“2010年上海世博會(huì)指定環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)”稱號(hào)。事實(shí)上，現(xiàn)代綠色柴油機(jī)比主流汽油機(jī)節(jié)油30%～35%的主要原因在于，它采用的是高壓共軌缸內(nèi)直噴技術(shù)。該技術(shù)將高壓燃油直接噴射到燃燒室內(nèi)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(shí)間內(nèi)完成更充分的燃燒。資料表明國內(nèi)最先進(jìn)的歐意德綠色柴油機(jī)搭載的博世第二代高壓共軌噴射系統(tǒng)，已經(jīng)將噴射壓力從傳統(tǒng)柴油機(jī)的60～80MPa，提高到了160MPa的水平，而通常缸內(nèi)直噴汽油機(jī)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(jī)動(dòng)力技術(shù)帶來了全面的提升。

2.2.小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)將成為未來發(fā)展趨勢(shì)

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)依靠渦輪增壓器增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。其最大優(yōu)點(diǎn)是不增加排量，大幅提升發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)性并降低尾氣排放。數(shù)據(jù)顯示，使用渦輪增壓技術(shù)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(dá)20%和40%。小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)，又降低了排放和燃油消耗，已獲得了各個(gè)國家的認(rèn)可。

四、結(jié)語

在發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化技術(shù)方法中，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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。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(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究將是以節(jié)能和環(huán)保為重點(diǎn)的綜合最優(yōu)，應(yīng)當(dāng)建立并應(yīng)用多種不確定多目標(biāo)多學(xué)科優(yōu)化理論方法、策略及算法。

參考文獻(xiàn)：

[1]王麗梅.淺談我國汽車發(fā)動(dòng)機(jī)再制造技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品.2013（06）：130-131.

[2]莫持標(biāo).提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的措施[J].機(jī)電工程技術(shù).2013（07）：150-152.