汽车发动机优化及发展

摘要：随着国民经济的迅猛发展，汽车产量逐年增加，我国汽车越来越多，车型也越来越复杂。尤其是高科技的飞速发展，汽车行业的竞争已从单一的性能竞争转向性能、环保、节能等多元综合竞争。随着国民经济的迅猛发展，汽车产量逐年增加，我国汽车越来越多，车型也越来越复杂。尤其是高科技的飞速发展，汽车行业的竞争已从单一的性能竞争转向性能、环保、节能等多元综合竞争。

关键词：汽车发动机;现状：技术发展

优化技术在发动机的设计制造中占有非常重要的地位。包括常规优化方法和智能优化方法在内的优化技术已被应用于发动机设计。考虑到能源的短缺和环境问题的重要性，未来的车用发动机优化设计的研究将是以节能和环保为重点的综合最优，应当建立并应用多种不确定多目标多学科优化理论方法、策略及算法;并应大力开发在一个优化平台上集成各个学科设计要求的多学科多目标优化设计系统，该系统将具有更高的优化效率和较好的开放性，可以更好地适应未来汽车个性化设计的趋势。

一、汽车发动机的发展历史

汽车发动机的发展历程从另一个角度看，也是汽车行业的发展历程。发动机为汽车的工作提供动力，是能量转化装置的一种，通过对于燃料瞬间燃烧所产生的热能进行转换，在密封气缸内燃烧气体迅速膨胀来推动活塞往复运动做功，转变为机械能。汽车发动机的技术随着时代的发展不断革新完善，其设计、制造、工艺、性能、控制水平等多方面的能力都有了大幅度的提高，但是依然围绕其能量转换原理来工作。

在发动机的基本工作形式得到确定之后，发动机技术不断更新，并且随着时间的推移，发动机技术在不断的改进完善当中，发动机的动力性、经济性、环境保护都得到了大幅度提高，并且运转更加平顺。发动机技术的革新，使得汽车更加高效、经济和实用，并且提高了燃油利用效率，降低了对环境的污染，实现了节能减排。现如今，PM2.5污染和雾霾已经成为了社会普遍关注的重要问题，发动机技术的不断革新，也是解决汽车尾气对于生态环境造成影响的重要途径。新兴技术的应用，使得发动机的发展进入了一个新的时期，汽车行业的发展也随之不断推进。

二、对汽车发动机优化技术的研究和应用现状

发动机的优化涉及到多个目标，与单目标优化问题不同的是这些目标函数往往耦合在一起，且每一个目标具有不同的物理意义和量纲。它们的关联性和冲突性使得对其优化变得十分困难。多目标优化方法可以分为如下两大类并且已在发动机的优化设计中得到了应用。

1、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

2、基于非劣解集的多目标优化方法此方法首先需要找到尽可能多的协议解，然后根据工程实际情况，获得决策解。相比基于偏好的多目标方法，该方法更系统、实用和客观。如通过多目标遗传算法，以单位推力、耗油率等为目标函数对航空发动机总体性能进行优化;基于多目标遗传算法对固体火箭发动机的性能和成本进行优化。在发动机的生产及实际使用中，总是存在着材料特性、制造、装配及载荷等方面的误差或不确定性。虽然在多数情况中，误差或不确定性很小，但这些误差或不确定性结合在一起可能对发动机的性能和可靠性产生很大的影响。对于此类不确定性问题的优化，传统的优化方法已无法解决，而必须求助于不确定性优化方法。随着发动机质量越来越轻，而其功率和转速不断提高，振动和噪声问题越来越突出。振动不仅影响到发动机自身的强度和性能，而且会给车辆整体寿命和乘客舒适性造成很大的影响。除了对发动机本身结构进行改进外，对发动机的减振系统进行优化也是一条提高车辆整体振动性能的有效途径。传统的弹性减振系统已无法满足舒适性要求，未来的趋势是半主动减振和主动减振控制系统，即能根据发动机激励、路况、车辆行驶状态和载荷等自动调节系统参数，优化车辆动力学特性，实现主动减振。车用发动机的减振系统是一复杂的非线性系统，而神经网络因其自身的非线性映射能力在未来发动机减振系统的优化设计中具有很大的潜力。另外，由于发动机动力系统的复杂性，在模型、载荷、激励等方面都具有很大的不确定性，减振系统的优化不可避免地应考虑系统不确定性的影响，可以利用模糊集或区间数学理论结合神经网络进行不确定性优化，以提高减振系统的可靠性和鲁棒性。

3、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、未来发动机的发展趋势

现代绿色柴油发动机已经成为目前实现节能环保最现实的途径之一，和主流的汽油发动机相比，它拥有出色的节能性和动力性。实验数据表明，柴油机的燃烧效率可达45%，而汽油机的燃烧效率仅为35%左右。实践证明，同排量绿色柴油机比汽油机节油30%～35%;而与传统的柴油发动机相比，又有着出色的舒适性和环保性，成为时尚汽车的潮流之选。

当今绿色柴油车在欧洲非常普及并且其需求量仍在不断增长之中。目前绿色柴油机在欧洲的市场占有率已达到50%以上，且排放水平已达到欧V标准。在欧洲，每三辆售出的新車中就有一辆是以绿色柴油发动机为动力的。绿色柴油车之所以在欧洲受到如此青睐主要是因为柴油的燃油消耗量比汽油发动机在同样功率的情况下通常要低30%～60%;在发动机低速运转的情况下，柴油发动机与汽油机相比较拥有更为强劲的动力;由于柴油机所消耗的燃料比汽油机少，对大气的污染就少，因此更受重视节能环保的欧洲国家的青睐。

在我国，上柴集团的二甲醚发动机技术也逐步得到应用，并大量出口东南亚、南亚及欧美市场。特别是上柴9L天然气发动机曾两度获得世界客车联盟“年度最佳发动机”大奖;上柴国Ⅲ及国Ⅲ以上排放的柴油机和替代能源发动机，获得了“2010年上海世博会指定环保发动机”称号。事实上，现代绿色柴油机比主流汽油机节油30%～35%的主要原因在于，它采用的是高压共轨缸内直喷技术。该技术将高压燃油直接喷射到燃烧室内形成雾化均匀的混合气，以此提升喷油的雾化效果，使其能够在短时间内完成更充分的燃烧。资料表明国内最先进的欧意德绿色柴油机搭载的博世第二代高压共轨喷射系统，已经将喷射压力从传统柴油机的60～80MPa，提高到了160MPa的水平，而通常缸内直喷汽油机的燃油喷射压力仅为12MPa左右。这不仅仅是数据上的变化，更给柴油机动力技术带来了全面的提升。

2.2.小排量涡轮增压发动机将成为未来发展趋势

涡轮增压发动机依靠涡轮增压器增加发动机进气量，从而增加发动机的输出功率。其最大优点是不增加排量，大幅提升发动机功率和扭矩，提高燃油经济性并降低尾气排放。数据显示，使用涡轮增压技术可以帮助汽油和柴油车辆在不降低性能的前提下分别节油达20%和40%。小排量涡轮增压发动机在实现节能的同时，又降低了排放和燃油消耗，已获得了各个国家的认可。

四、结语

在发动机优化技术方法中，包括常规优化方法和智能优化方法在内的优化技术已被应用于发动机设计。考虑到能源的短缺和环境问题的重要性，未来的车用发动机优化设计的研究将是以节能和环保为重点的综合最优，应当建立并应用多种不确定多目标多学科优化理论方法、策略及算法。

参考文献：

[1]王丽梅.浅谈我国汽车发动机再制造技术的现状与发展[J].中国新技术新产品.2013（06）：130-131.

[2]莫持标.提高汽车燃油经济性的措施[J].机电工程技术.2013（07）：150-152.

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