基于熱力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)小型化發(fā)動(dòng)機(jī)

在發(fā)動(dòng)機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，采用模擬方法可以快速分析發(fā)動(dòng)機(jī)小型化可能產(chǎn)生的問(wèn)題，并有效降低設(shè)計(jì)成本。而借助優(yōu)化軟件可對(duì)小型化發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)小型化發(fā)動(dòng)機(jī)在各種負(fù)荷條件下的參數(shù)取值最優(yōu)?；诎l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中的熱力學(xué)特性給出了一種發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的方法，并對(duì)小型化發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，分析時(shí)選擇一臺(tái)4缸1.65L柴油機(jī)的真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行。

利用CAD軟件建立了一維柴油機(jī)模型，采用商業(yè)化軟件GT-Suite/GT-Power進(jìn)行熱力學(xué)優(yōu)化，并借助以前柴油機(jī)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)機(jī)械損耗、渦輪增壓器參數(shù)、曲軸安全系數(shù)進(jìn)行估計(jì)。在GT-Suite/GT-Power軟件分析中，發(fā)動(dòng)機(jī)所有部件的初始尺寸、機(jī)械損失系數(shù)和摩擦損失系數(shù)都采用4缸1.65L柴油機(jī)上測(cè)量的數(shù)據(jù)。同時(shí)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)關(guān)于冷卻壁的簡(jiǎn)單有限元模型，用于評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)與可燃混合氣相接觸組件的溫度，計(jì)算采用Woschni熱傳導(dǎo)公式。優(yōu)化時(shí)，假定發(fā)動(dòng)機(jī)采用兩級(jí)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(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射量，以滿(mǎn)足運(yùn)行所需轉(zhuǎn)矩。采用遺傳優(yōu)化算法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。為保證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，遺傳代數(shù)設(shè)定為30～72代。優(yōu)化結(jié)果表明：①發(fā)動(dòng)機(jī)小型化伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角為30°時(shí)燃燒最優(yōu)；在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角為20°時(shí)燃燒最優(yōu)；②燃燒均由靠近上止點(diǎn)位置處開(kāi)始；③最佳轉(zhuǎn)速為2000r/min，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)效率最高，約為40%～44%，機(jī)械效率約提高3%。

SergiiBogomolovetal.SAE 2014-01-1098.

編譯：王祥