优化汽车发动机性能

一、前言 20世纪90年代以来，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。仅就汽车发动机而言，为应对世界能源危机和减少对环境污染，其研究开发工作已侧重于降低油耗、减少排放、轻质及减少磨损等方面，在这些研究中优化技术将得到广泛的应用。汽车发动机与航空发动机同属热机范畴，二者在许多方面有相通之处。近年来，汽车发动机优化工作已具有一定基础，而针对航空航天发动机所建立及应用的优化技术则已取得较大的进展。将这些先进优化技术特别是多学科优化技术移植应用于汽车发动机优化设计可望提高汽车以节能与环保为中心的综合性能。作者就当前汽车发动机及航空航天发动机领域的优化技术的一些进展作一个简略的叙述，并对利用优化技术提高汽车发动机综合性能潜力进行一些探讨。二、发动机优化技术研究和应用现状目前各类发动机研发工作的共同重点包括降低油耗、减少排放、减轻质量以及减少磨损等，为了达到这些目标，在发动机设计中应用优化技术是一个重要的手段。当前发动机的优化工作主要在发动机结构、材料、燃料及燃烧、排放以及多学科优化等几个方面展开。（一）发动机结构及材料优化技术发动机结构优化主要是优化关键零部件的形状以改善发动机性能，此方面的研究有：将BP神经网络和遗传算法相结合用于航空发动机的结构优化以获得最优的推重比；通过优化固体火箭发动机的结构以获得最轻的结构质量和最大的装填密度；总结了国内外对航空发动机叶片-轮盘结构优化设计的研究现状，提出了一种将动态分析与结构形状优化设计相结合的新方法；阐述了CAD/CFD技术在汽车发动机设计开发中的重要性，给出了CAD/CFD技术在电喷汽油机进气歧管设计和柴油机螺旋气道设计的应用效果；将边界元法与罚函数优化方法相结合，研究了承受拉、压交变载荷的发动机连杆的形状优化；基于一种高效的有限元方法对三维复杂形状连杆进行优化设计；基于有限元分析和优化技术，提出了一种发动机曲轴的结构优化方法；对火箭发动机机匣进行优化，讨论了应力比及PV/W的优化选择问题等。为改进发动机结构及使发动机轻量化，对其材料进行优化设计是一种重要手段。近年来，包括新型复合材料如碳化硅、氮化硅、氧化锆、石墨及合成石墨等不断用于发动机结构。通过建立发动机复合材料叶片各截面应力应变解析式和最大应力准则，对叶片进行最大强度的优化分析。对固体火箭发动机的复合材料壳体进行优化设计，使得发动机结构在满足强度约束的要求下获得最小的质量。（二）发动机燃烧优化技术随着世界能源问题和环境污染问题的日趋严重，飞机及汽车作为污染环境和消耗能源的大户，备受人们的关注。发动机燃烧过程直接影响节能和环保，对发动机燃烧过程优化的研究越来越受到重视。目前主要是从喷射系统、进气管系、燃烧室形状等几方面对其进行优化设计。在发动机燃烧喷射系统方面，借助于先进电子控制技术，能准确地调节燃油供给，优化喷油定时和喷油次数，控制气缸内的混合状态、燃烧室内的燃油分布，降低排放污染。对新型脉动式电控燃油喷射系统的喷射定时问题，研究了发动机直接喷射技术的优化问题。采用了多目标设计方法，优化了发动机燃烧系统和配气机构匹配。在新型燃料发动机燃烧过程的优化研究中，在建立氢燃料发动机最优控制模型的基础上，提出了双模式控制方式；用计算机仿真分析手段对天然气汽车发动机的空燃比进行优化来改善发动机的性能。（三）发动机多学科优化技术发动机设计以结构、热力、燃烧、强度、振动、流体、传热等多个学科为基础，可变因素多，随机性大，是一个可变互耦系统的优化问题。多学科设计优化通过充分利用各个学科之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解，因而在发动机设计图1 传统设计流程图上有很大的应用优势。

在航空发动机领域，多学科优化技术已被用于建立优化模型并开展了涡轮叶片设计、压气机叶片设计及发动机总体方案设计，将传统的优化设计方法（如图1所示）转变为图2所示多学科优化并行设计流程，综合考虑了气动、振动、强度和疲劳寿命等方面的要求，可缩短设计周期和提高优化效果。如：利用单级优化算法对航空发动机喷管进行了多学科优化设计；在内燃机的优化研究中引入了多学科鲁棒性设计优化方法来评价设计过程中的不确定性；采

用多学科优化技术进行发动机动力系统的设计。

三、发动机多学科多目标优化技术的研究内容（一）多目标优化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．基于偏好的多目标优化方法此方法根据工程实际的具体情况，首先选择一个偏好向量，然后利用偏好向量构造复合函数，使用单目标优化算法优化该复合函数以找到单个协议最优解。如利用线性组合法对发动机的悬置系统进行多目标优化；利用加权法对液体火箭发动机的减损和延寿控制进行多目标优化。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。（二）不确定性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。 1．随机不确定性优化随机不确定优化方法中，随机变量或随机函数被用于描述不确定性，用概率论和数理统计的方法将不确定优化问题转化为确定性优化问题进行求解。随机不确定优化的研究较为成熟，并开始应用于发动机的设计中。如考虑几何形状、载荷、边界条件的随机性对航空发动机的结构可靠性进行研究；对航空发动机中循环对称结构进行概率有限元应力分析。 2．模糊不确定性优化模糊不确定优化方法中，模糊变量被用于描述参数不确定性，模糊统计方法被用于研究不确定现象并将模糊优化问题转换为确定性优化问题进行求解。如对发动机的零件进行多工况多目标的优化设计。3．区间数不确定优化方法利用区间描述参数的不确定性，只需要知道不确定参数的上下界，而并不需要其精确的概率分布和模糊隶属函数。考虑到此类方法的方便性，其在未来的发动机优化设计上可能会有较大的应用前景。（三）多学科优化的方法与策略多学科优化的主要思想是在设计的整个过程中集成各个学科的知识，应用有效的设计优化策略及相应的优化方法，组织和管理设计过程。其目的是通过充分利用各个学科之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解。进行多学科优化设计的主要目的有二：一是将设计过程系统化，即让参与整个系统设计的全部学科的人员都了解到其他学科的约束要求和优化目标，避免设计过程中由于互相之间不了解而造成设计撞车，从而导致设计更改，浪费时间与经费；二是在设计的全过程中贯穿各个专门特性的设计，即让传统的机、电、控制等设计专业在实现传统性能设计的过程中把可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性这些综合性能结合起来考虑。多学科优化方法主要有单级优化、序列优化、并行子空间优化、协作优化、多层递阶优化等几种。目前，一些先进的多学科优化方法及策略已应用于航空航天领域。如在iSIGHT 软件平台上利用单级优化算法对某型发动机喷管的推力和质量进行了多学科优化；对航空发动机的零件、部件及总体设计使用了不同的多学科优化方法及策略。（四）优化算法在发动机设计中用到的优化算法，既有常规优化算法，也有遗传算法、人工神经网络等智能优化方法。对目前的一些优化算法进行了总结和讨论，其中包括具有较好全局收敛性能的隔代映射遗传算法及其改进方法、常规优化算法与遗传算法的结合和具有动态调节因子和动态学习率的神经网络等。 1．常规优化技术如单纯形法、牛顿法、可行方向法、序列二次规划等，这些方法理论成熟，应用方便，已较多地应用于发动机的设计。如固体火箭发动机的结构质量优化，利用Msops软件包中的常规优化算法对发动机曲轴的纵向结构参数的优化等。 2．人工智能优化算法目前研究和应用较多的人工智能算法主要有遗传算法、神经网络和模拟退火