基于熱力學優(yōu)化設計小型化發(fā)動機

在發(fā)動機概念設計階段，采用模擬方法可以快速分析發(fā)動機小型化可能產(chǎn)生的問題，并有效降低設計成本。而借助優(yōu)化軟件可對小型化發(fā)動機的相關參數(shù)進行優(yōu)化，實現(xiàn)小型化發(fā)動機在各種負荷條件下的參數(shù)取值最優(yōu)。基于發(fā)動機燃燒過程中的熱力學特性給出了一種發(fā)動機小型化的方法，并對小型化發(fā)動機相關參數(shù)進行優(yōu)化設計分析，分析時選擇一臺4缸1.65L柴油機的真實測量數(shù)據(jù)進行。

利用CAD軟件建立了一維柴油機模型，采用商業(yè)化軟件GT-Suite/GT-Power進行熱力學優(yōu)化，并借助以前柴油機設計的經(jīng)驗對機械損耗、渦輪增壓器參數(shù)、曲軸安全系數(shù)進行估計。在GT-Suite/GT-Power軟件分析中，發(fā)動機所有部件的初始尺寸、機械損失系數(shù)和摩擦損失系數(shù)都采用4缸1.65L柴油機上測量的數(shù)據(jù)。同時，開發(fā)了一個關于冷卻壁的簡單有限元模型，用于評估發(fā)動機缸內(nèi)與可燃混合氣相接觸組件的溫度，計算采用Woschni熱傳導公式。優(yōu)化時，假定發(fā)動機采用兩級渦輪增壓，增壓效率分別為50%和60%。壓縮比最大為18，轉(zhuǎn)速為1000～4000r/min。采用比例積分微分（PID）控制器設定發(fā)動機的燃油噴射量，以滿足運行所需轉(zhuǎn)矩。采用遺傳優(yōu)化算法對發(fā)動機參數(shù)進行優(yōu)化。為保證優(yōu)化結(jié)果的準確性，遺傳代數(shù)設定為30～72代。優(yōu)化結(jié)果表明：①發(fā)動機小型化伴隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的降低，在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時，曲軸轉(zhuǎn)角為30°時燃燒最優(yōu)；在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時，曲軸轉(zhuǎn)角為20°時燃燒最優(yōu)；②燃燒均由靠近上止點位置處開始；③最佳轉(zhuǎn)速為2000r/min，此時發(fā)動機效率最高，約為40%～44%，機械效率約提高3%。

SergiiBogomolovetal.SAE 2014-01-1098.

編譯：王祥