汽车发动机性能的优化研究进展

汽车发动机性能的优化研究进展

郭建伟张晓鹏石峻铭

长城汽车股份有限公司动力研究院河北省保定市071000

前言：随着社会经济的发展，汽车行业的竞争是越来越激烈，但汽车是一个耗能的、污染较为严重的工具，为了缓解能源的压力，减低污染，提高竞争力，汽车行业已经对汽车发动机的各个性能开始进行优化。对于汽车发动机性能优化来说，为了缓解世界能源危机，减少环境污染，汽车发动机的研究工作主要集中在降低油耗、减少废气排放、减轻磨损等方面，其中优化技术得到了广泛的研究和应用。本文综述了汽车发动机优化技术的研究以及发展现状，简述了对汽车发动机优化技术的研究方向。

关键词：汽车发动机；性能；优化

一、对汽车发动机优化技术的研究和应用现状

现在对各种类型发动机的研发工作主要是针对油耗降低、尾气排放的降低、减轻质量以及磨损降低等方面，为了达到这些目标，优化技术是在发动机设计应用中的一个重要手段。目前发动机的优化设计工作主要针对发动机结构的优化、材料的优化、燃料及燃烧的优化、排放的优化和多种学科优化等。

（一）对发动机结构及材料的优化

发动机结构的优化主要是对关键零部件形状的优化和发动机性能的改善。最近几年来，新型复合材料（碳化硅、氮化硅、氧化锆等）广泛的用于到发动机结构中。通过在发动机复合材料叶片各截面上，建立应力应变解析式以及最大应力准则，进行最大强度的优化分析。

（二）对发动机燃烧的优化

随着世界能源的紧缺和环境污染等问题的严重，汽车已经成为环境污染和能源消耗的大户，已经引起了人们的重视。发动机的燃烧直接影响着环境和能源的消耗，对发动机燃烧过程的优化引起了研究的重视。对汽车发动机燃烧过程的优化主要是对喷射系统的优化、进气管系的优化、燃烧室形状的优化等几方面。借助先进电子控制技术对汽车发动机燃烧喷射系统进行优化，能准确地调节燃油供给问题，能够优化喷油次数和时间，控制气缸内油与气的混合状态和燃油分布，降低尾气的排放。

（三）发动机多学科优化的

发动机的设计是以结构学、热力学、燃烧学、强度学、振动、流体、传热学等多个学科为依据，可变性因素较多，随机性较大，是关于一个可变互耦系统的优化。充分利用不同学科之间的相互作用，获得系统的最优解来完成多学科的优化，主要体现在在以下四个方面。

（1）多目标优化

发动机的优化问题涉及到许多个目标，与单目标优化相比，这些目标函数经常是耦合在一起，并且每一个目标代表着不同的物理意义和量纲。多个目标的关联性和冲突性使得对发动机的优化问题变得十分困难和复杂。对多个目标优化大致可以分为两种，并且这两种已经应用到了发动机的优化设计中。

（2）不确定性优化

在生产发动机和使用发动机中，在材料特性、制造、装配及载荷等方面存在着误差或不确定性。虽然在多数情况下，误差或不确定性都比较小，但较小的误（不确定性）差结合在一起就可能在很大程度上影响到发动机的性能。传统的系统优化方法必须借助不确定优化方法来解决了这类不确定性问题。

（三）多学科优化的方法与策略

多学科优化思想是将各个学科知识集成在整个设计过程中，通过有效的设计优化策略和相应的有效的优化方法，组织、管理、设计整个过程。充分地利用不同学科之间的相互作用而产生的协同效应，来得到系统整体最优解。

（四）优化算法

在发动机设计优化算法中经常用到的是常规优化算法、遗传算法、人工神经网络等。

二、汽车发动机优化技术发展方向

汽车发动机综合优化技术中节能和环保的是以后的研究重点，主要是两个方面。

（一）汽车发动机优化设计方法

在保证节能、环保为主要目标的综合优化设计下，依据汽车发动机设计特点，利用系统分解工作，建立汽车发动机的物理模型和数学优化模型；在上述理论基础上，通过比较、选择效率较高的优化方法；达到研发出汽车发动机多学科、多目标的优化设计系统。汽车发动机优化设计是一种复杂的系统，包括燃烧学、传热学、结构学、强度学、振动学、寿命学、传动学、润滑学、电气学、工艺及材料学等诸多学科，包括了较多的不确定性参数，并且其中的大部分参数很难获得概率分布，因此，未来开发区间优化设计方法将是在发动机优化设计中很有发展前景的方法。

（二）汽车发动机优化设计问题

汽车发动机的关键零部件的设计（如气缸、活塞、曲轴、连杆等）在很大程度上影响着发动机性能。优化设计这些关键零部件，对发动机性能的提高，寿命的延长以及可靠性的提高，成本的降低、经济性的提高都有很大的帮助。现在，发动机的总质量是越来越小，功率和转速不断增加，但振动和噪声问题越来越严重，于是优化发动机的减振系统也是提高车辆整体振动性能的一种有效方法。发动机的噪声、燃油经济性、尾气排放等重要指标以及汽车节能与环保等问题直接受发动机的燃烧和排放系统的影响。

结语：优化技术在发动机的设计制造中占有非常重要的地位。考虑到能源紧缺和环境污染等重要问题，节能和环保是未来的汽车发动机优化设计的重点研究。使用并建立多种目标、多种不确定性的科学优化方法，并在一个优化平台上，致力于研发将各个学科设计要求集成的多学科、多目标优化设计系统，其具有较高的优化效率和更好的开放性，能够较好的适应未来汽车发展的趋势。

参考文献：

[1]李清玉，夏忠均．汽车发动机性能测试与系统优化研究[J].四川工业，2016（06），145-148．

[2]夏亮．浅析不同构造的汽车发动机性能特点[J].工业科技，2017（23），17-20.