多目標高性能低油耗汽車發動機熱力學分析

方華為

摘要： 文章分析了一種基于多目標的高性能低油耗汽車發動機的設計方案的熱力學性能，該汽車發動機能夠在對空氣進行壓縮和內燃運行兩種情況下實現良好的汽車發動機動能供給。借助于對不同運行模式下的汽車發動機熱力學性能的分析，得出發動機性能在不同動力狀況下的穩定發揮的結果，為基于多目標控制的高性能低油耗汽車發動機的進一步深入應用與研究奠定基礎。

Abstract： This paper analyzes the thermodynamic performance of a design scheme of high-performance low fuel consumption automobile engine based on multi-objective. The automobile engine can achieve good kinetic energy supply of automobile engine under the conditions of air compression and internal combustion operation. By analyzing the thermodynamic performance of automobile engine under different operation modes， the stable performance results of engine performance under different power conditions are obtained， which lays a foundation for the further application and research of high-performance and low fuel consumption automobile engine based on multi-objective control.

關鍵詞： 多目標控制;高性能低油耗;汽車發動機;人力學性能分析

Key words： multi-objective control;high performance and low fuel consumption;automobile engine;analysis of human mechanical properties

中圖分類號：U469.79? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0032-02

0? 引言

近些年來，隨著環保主義和資源節約等理念的發展，高性能低油耗汽車發動機的研發事業愈加受到重視。文章介紹一種基于多目標控制的高性能低油耗汽車發動機，該發動機能夠實現對油氣資源的節約，同時在空氣壓縮和內燃機兩種條件下運行。

1? 基于多目標控制的高性能低油耗汽車發動機的相關原理

1.1 汽車發動機空氣壓縮模式下的運行原理

為了實現多目標控制的高性能低油耗汽車發動機的制造，文章設計了一種依靠空氣壓縮和內燃機兩種動力的汽車發動機方案，能夠保證汽車發動機的最低油氣資源消耗的同時，保證汽車發動機動力供給的充足性。該發動機屬于單缸的壓縮空氣動力發動機和燃油動力發動機的結合體，該發動機的主體結構部分和一般的單一燃油發動機的主體結構部分差別不大。但是因為該發動機擁有兩種動力部分以實現對多目標高性能和低油耗的達成，因此與傳統發動機部件相比，該發動機的構成部分還包括空氣壓縮推進裝置，空氣壓縮預先儲備裝置，空氣壓力縮減裝置，空氣供給流量控制裝置，壓縮空氣的瞬時噴射裝置，空氣噴射電子開關裝置，空氣噴射量開口裝置以及空氣噴射開口控制裝置等。發動機在傳統燃油動力供給情況下的燃油噴射時間和數量由電子控制的噴射系統來決定，電子噴射系統的命令輸出要根據發動機的動力速度、發動機的動力負荷等來明確。兩種動力模式的自由切換可以使得該發動機實現對基于多目標控制的高性能低油耗目標的達成。發動機動力模式的切換功能依靠發動機內部的控制單元部件來完成。在空氣壓縮模式下，發動機的空氣壓縮供給步驟一共包括四個組成部分。經歷過四個部分的空氣壓縮過程完成了一次完整的壓縮空氣動力供給程序。完整的壓縮空氣動力供給程序包括兩個曲軸形態的旋轉周期。在第一個步驟中，空氣供給單元的進氣部件和排氣部件都已經被關閉。在活塞的推動作用下，空氣被注入到汽車發動機的氣缸之中并實現壓縮。在第二個步驟中，進氣和排氣部件同樣關閉，發動機的壓力氣缸內的壓力水平持續提高，當壓力提高到一定的情況下，氣缸充氣行為持續發生。依靠電磁系統的氣缸開關裝置被關閉，壓縮空氣的壓強達到一定程度，開始推動氣缸活塞進行運動做功。在第三個步驟中，排氣閥門被打開。氣缸內部的現有壓力水平開始下降，并最終和外部壓力水平相一致。在第四個步驟中，進氣閥門被打開。外部壓力和氣缸內的壓力差導致氣缸內部重新進入空氣，一個完整的空氣壓縮動力供給過程被完成。

1.2 汽車發動機在內燃機模式下的運行原理

汽車發動機的內燃機運行模式一共包括四個步驟，分別為汽車發動機氣缸吸氣步驟，燃油壓縮步驟、燃油噴射燃燒步驟和汽車發動機排氣步驟。將內燃機模式與空氣壓縮動力模式進行比較，內燃機模式的動力來源是燃油噴射造成的空氣膨脹，而空氣壓縮模式的動力來源是壓縮空氣在標準大氣壓影響下的自發膨脹導致的活塞運動。

2? 基于多目標控制的高性能低油耗汽車發動機的數學模型

2.1 汽車發動機空氣壓縮模式下的數學模型

基于多目標控制的高性能低油耗汽車發動機的數學模型是利用熱力學第一定律來完成的。為了實現對基于多目標控制的高性能低油耗汽車發動機的良好熱力學性能分析結果，文章對發動機的熱力學環境進行了簡化，影響發動機功率的空氣為標準構成，除溫度外的其他條件對發動機的比熱、內能不產生影響，發動機氣缸內不同位置的具體熱力學相關條件數值相同。下文中所載數學模型為汽車發動機空氣壓縮模式下的第一步驟數學過程。T2=T1（V1/V2）k-1，p2=p1（V1V2）k，W12=-m1（u2-u1）。在該數學模型中，Ti、Pi、mi、Vi、ui分別代表了在空氣壓縮動力模式下的發動機運行第一步驟的氣缸內部溫度數值。氣缸內部壓力數值，質量數值、體積數值和內能數值，k代表的是呈現變化狀態的指數，其他數值代表的是動力輸出數值內容。下文中的數學模型代表的則是空氣壓縮模式中的汽車發動機的第二個步驟。he代表的是空氣壓縮中的比焓數據，c代表的是電磁開關部件中的壓縮空氣數據，R代表的是空氣系數。第三、四步驟將空氣壓縮過程反向操作，并完成空氣壓縮動力供給的閉環。空氣膨脹數學過程模型：m3u3-m2u2=（m3-m2）hc，T3/T2=k/（T2Tc+（k-T2/Tc）p2p3），m3-m2=V2/kRTc（p3-p2）。

2.2 汽車發動機在內燃機模式下的數學模型

盡管屬于不同的汽車發動機動力供給模式，但是汽車發動機在內燃機模式下與其在空氣壓縮模式下的數學模型實際上是保持一致的。在內燃機動力模式下，汽車發動機通過燃油噴射裝置釋放汽車燃油，并保證其充分燃燒以造成氣缸內氣體膨脹從而推動活塞運動產生汽車動力。整個空氣燃燒過程的熱量產生可以按照數學模型三來進行標識。在模型三中，ηf代表的是汽車氣缸。數學模型三：內燃機模式空氣燃燒數學模型。Q=ηfmfQL HV。內燃油的燃燒效率，mr代表的是氣缸中的燃油質量數值，而QLHV代表的則是燃油的具體熱值數據。而整個內燃機模式下的氣缸燃燒過程則可以通過第四數學模型來表示。在第四數學模型中，氣缸內部的燃油釋放熱量的過程被確定為定容放熱的過程。Qv和Qp則被表示為一定容量下的熱量數值和一定壓力下的熱量數值，其他數據則分別為不同狀態下的熱量釋放數值，以ε作為計量，和不同狀態下的比熱容數值，以C作為計量。第四數學模型：氣缸內熱量釋放數學模型。QV=εVQ，Qp=εpQ=（1-εV）Q。

3  基于多目標控制的高性能低油耗汽車發動機的循環模擬

3.1 汽車發動機空氣壓縮模式下的循環模擬

根據不同動力模式下的汽車發動機動力供給數學模型，文章進行工作循環的模擬。就汽車發動機的空氣壓縮模式下的循環模擬而言，文章以發動機的曲軸彎曲度在達到一個周期時開始向發動機氣缸內部注入空氣，并保證空氣的已被壓縮屬性，同時根據汽缸內部的溫度變化和曲軸變化等觀測汽車發動機內部的空氣質量變化。發動機的汽缸內部質量不會隨著壓力的變化而產生變化。當氣缸內部溫度升高時，常溫的壓縮空氣被動進入氣缸內部，和原本氣缸內被壓縮的熱空氣相快速混合，導致氣缸內部的溫度在較短時間內產生較大變化，出現快速下降的現象。而外部常溫的壓縮空氣會吸收原本氣缸內部的熱量，導致其做功的能力得到增強，而其本身在膨脹的過程中推動活塞快速運動，同時因為熱量消耗而持續降低溫度。當汽缸內部的排氣工作階段開始時，發動機氣缸內部與外部的氣壓水平不相同，缸內由于存在較大的壓力而導致空氣被動膨脹，溫度持續降低。而當發動機氣缸排氣做功不斷發生時，氣缸內部的溫度逐漸升高，當氣缸內部的整個吸氣過程完成后，發動機氣缸內部的溫度就會和發動機環境溫度相保持一致。為除了發動機的溫度變化下的具體做功性能之外，發動機的具體壓力數值變化情況也是評價發動機工作效果的標準之一。根據相關調查研究，一般的發動機在運行中的壓力變化數值一般在0.70～1.30MPa之間。而在空氣壓縮動力模式下，文章中介紹的發動機主要性能指標可以達到在1500轉速情況下的3.00MPa，能夠充分滿足中小型汽車的動力需要。

3.2 汽車發動機在內燃機模式下的循環模擬

相比較于空氣壓縮動力模式，內燃機動力模式下的汽車發動機的氣缸燃燒過程屬于燈容量的加熱循環過程。在汽車發動機內燃機模式下的循環模擬中，文章確定定壓的放熱比數值為趨近于無。該發動機能夠在達到轉速為1500數值時，保持內燃機的指示功率達到200J，內燃機的指示壓力數值可以達到981kPa，內燃機的指示熱效率數值達到31.5%，內燃機的指示功率達到2.5kW，內燃機的指示燃油的消耗水平可以達到280kW每小時。根據作者分析，當需要切好發動機的模式時，發動機使用者應該保證其發動機在轉速為1500轉每分鐘時，汽車的行駛速度達到40到50邁，在此汽車運轉環境下自由切換汽車發動機的動力模式，保證汽車的使用安全性。

4? 結語

綜上所述，基于多目標控制的高性能低油耗汽車發動機的熱力學分析表明，此種發動機可以坐在低速的情況下通過空氣壓縮的動力模式實現良好的汽車駕駛體驗，可以在中高速的情況下通過燃油動力的模式實現汽車行駛的良好體驗感。

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