基于热力学优化设计小型化发动机

基于热力学优化设计小型化发动机

在发动机概念设计阶段，采用模拟方法可以快速分析发动机小型化可能产生的问题，并有效降低设计成本。而借助优化软件可对小型化发动机的相关参数进行优化，实现小型化发动机在各种负荷条件下的参数取值最优。基于发动机燃烧过程中的热力学特性给出了一种发动机小型化的方法，并对小型化发动机相关参数进行优化设计分析，分析时选择一台4缸1.65L柴油机的真实测量数据进行。

利用CAD软件建立了一维柴油机模型，采用商业化软件GT-Suite/GT-Power进行热力学优化，并借助以前柴油机设计的经验对机械损耗、涡轮增压器参数、曲轴安全系数进行估计。在GT-Suite/GT-Power软件分析中，发动机所有部件的初始尺寸、机械损失系数和摩擦损失系数都采用4缸1.65L柴油机上测量的数据。同时，开发了一个关于冷却壁的简单有限元模型，用于评估发动机缸内与可燃混合气相接触组件的温度，计算采用Woschni热传导公式。优化时，假定发动机采用两级涡轮增压，增压效率分别为50%和60%。压缩比最大为18，转速为1000～4000r/min。采用比例积分微分（PID）控制器设定发动机的燃油喷射量，以满足运行所需转矩。采用遗传优化算法对发动机参数进行优化。为保证优化结果的准确性，遗传代数设定为30～72代。优化结果表明：①发动机小型化伴随着发动机转速的降低，在发动机高转速时，曲轴转角为30°时燃烧最优；在发动机低转速时，曲轴转角为20°时燃烧最优；②燃烧均由靠近上止点位置处开始；③最佳转速为2000r/min，此时发动机效率最高，约为40%～44%，机械效率约提高3%。

SergiiBogomolovetal.SAE 2014-01-1098.

编译：王祥