多目標(biāo)高性能低油耗汽車發(fā)動機熱力學(xué)分析

方華為

摘要： 文章分析了一種基于多目標(biāo)的高性能低油耗汽車發(fā)動機的設(shè)計方案的熱力學(xué)性能，該汽車發(fā)動機能夠在對空氣進(jìn)行壓縮和內(nèi)燃運行兩種情況下實現(xiàn)良好的汽車發(fā)動機動能供給。借助于對不同運行模式下的汽車發(fā)動機熱力學(xué)性能的分析，得出發(fā)動機性能在不同動力狀況下的穩(wěn)定發(fā)揮的結(jié)果，為基于多目標(biāo)控制的高性能低油耗汽車發(fā)動機的進(jìn)一步深入應(yīng)用與研究奠定基礎(chǔ)。

Abstract： This paper analyzes the thermodynamic performance of a design scheme of high-performance low fuel consumption automobile engine based on multi-objective. The automobile engine can achieve good kinetic energy supply of automobile engine under the conditions of air compression and internal combustion operation. By analyzing the thermodynamic performance of automobile engine under different operation modes， the stable performance results of engine performance under different power conditions are obtained， which lays a foundation for the further application and research of high-performance and low fuel consumption automobile engine based on multi-objective control.

關(guān)鍵詞： 多目標(biāo)控制;高性能低油耗;汽車發(fā)動機;人力學(xué)性能分析

Key words： multi-objective control;high performance and low fuel consumption;automobile engine;analysis of human mechanical properties

中圖分類號：U469.79? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0032-02

0? 引言

近些年來，隨著環(huán)保主義和資源節(jié)約等理念的發(fā)展，高性能低油耗汽車發(fā)動機的研發(fā)事業(yè)愈加受到重視。文章介紹一種基于多目標(biāo)控制的高性能低油耗汽車發(fā)動機，該發(fā)動機能夠?qū)崿F(xiàn)對油氣資源的節(jié)約，同時在空氣壓縮和內(nèi)燃機兩種條件下運行。

1? 基于多目標(biāo)控制的高性能低油耗汽車發(fā)動機的相關(guān)原理

1.1 汽車發(fā)動機空氣壓縮模式下的運行原理

為了實現(xiàn)多目標(biāo)控制的高性能低油耗汽車發(fā)動機的制造，文章設(shè)計了一種依靠空氣壓縮和內(nèi)燃機兩種動力的汽車發(fā)動機方案，能夠保證汽車發(fā)動機的最低油氣資源消耗的同時，保證汽車發(fā)動機動力供給的充足性。該發(fā)動機屬于單缸的壓縮空氣動力發(fā)動機和燃油動力發(fā)動機的結(jié)合體，該發(fā)動機的主體結(jié)構(gòu)部分和一般的單一燃油發(fā)動機的主體結(jié)構(gòu)部分差別不大。但是因為該發(fā)動機擁有兩種動力部分以實現(xiàn)對多目標(biāo)高性能和低油耗的達(dá)成，因此與傳統(tǒng)發(fā)動機部件相比，該發(fā)動機的構(gòu)成部分還包括空氣壓縮推進(jìn)裝置，空氣壓縮預(yù)先儲備裝置，空氣壓力縮減裝置，空氣供給流量控制裝置，壓縮空氣的瞬時噴射裝置，空氣噴射電子開關(guān)裝置，空氣噴射量開口裝置以及空氣噴射開口控制裝置等。發(fā)動機在傳統(tǒng)燃油動力供給情況下的燃油噴射時間和數(shù)量由電子控制的噴射系統(tǒng)來決定，電子噴射系統(tǒng)的命令輸出要根據(jù)發(fā)動機的動力速度、發(fā)動機的動力負(fù)荷等來明確。兩種動力模式的自由切換可以使得該發(fā)動機實現(xiàn)對基于多目標(biāo)控制的高性能低油耗目標(biāo)的達(dá)成。發(fā)動機動力模式的切換功能依靠發(fā)動機內(nèi)部的控制單元部件來完成。在空氣壓縮模式下，發(fā)動機的空氣壓縮供給步驟一共包括四個組成部分。經(jīng)歷過四個部分的空氣壓縮過程完成了一次完整的壓縮空氣動力供給程序。完整的壓縮空氣動力供給程序包括兩個曲軸形態(tài)的旋轉(zhuǎn)周期。在第一個步驟中，空氣供給單元的進(jìn)氣部件和排氣部件都已經(jīng)被關(guān)閉。在活塞的推動作用下，空氣被注入到汽車發(fā)動機的氣缸之中并實現(xiàn)壓縮。在第二個步驟中，進(jìn)氣和排氣部件同樣關(guān)閉，發(fā)動機的壓力氣缸內(nèi)的壓力水平持續(xù)提高，當(dāng)壓力提高到一定的情況下，氣缸充氣行為持續(xù)發(fā)生。依靠電磁系統(tǒng)的氣缸開關(guān)裝置被關(guān)閉，壓縮空氣的壓強達(dá)到一定程度，開始推動氣缸活塞進(jìn)行運動做功。在第三個步驟中，排氣閥門被打開。氣缸內(nèi)部的現(xiàn)有壓力水平開始下降，并最終和外部壓力水平相一致。在第四個步驟中，進(jìn)氣閥門被打開。外部壓力和氣缸內(nèi)的壓力差導(dǎo)致氣缸內(nèi)部重新進(jìn)入空氣，一個完整的空氣壓縮動力供給過程被完成。

1.2 汽車發(fā)動機在內(nèi)燃機模式下的運行原理

汽車發(fā)動機的內(nèi)燃機運行模式一共包括四個步驟，分別為汽車發(fā)動機氣缸吸氣步驟，燃油壓縮步驟、燃油噴射燃燒步驟和汽車發(fā)動機排氣步驟。將內(nèi)燃機模式與空氣壓縮動力模式進(jìn)行比較，內(nèi)燃機模式的動力來源是燃油噴射造成的空氣膨脹，而空氣壓縮模式的動力來源是壓縮空氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓影響下的自發(fā)膨脹導(dǎo)致的活塞運動。

2? 基于多目標(biāo)控制的高性能低油耗汽車發(fā)動機的數(shù)學(xué)模型

2.1 汽車發(fā)動機空氣壓縮模式下的數(shù)學(xué)模型

基于多目標(biāo)控制的高性能低油耗汽車發(fā)動機的數(shù)學(xué)模型是利用熱力學(xué)第一定律來完成的。為了實現(xiàn)對基于多目標(biāo)控制的高性能低油耗汽車發(fā)動機的良好熱力學(xué)性能分析結(jié)果，文章對發(fā)動機的熱力學(xué)環(huán)境進(jìn)行了簡化，影響發(fā)動機功率的空氣為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成，除溫度外的其他條件對發(fā)動機的比熱、內(nèi)能不產(chǎn)生影響，發(fā)動機氣缸內(nèi)不同位置的具體熱力學(xué)相關(guān)條件數(shù)值相同。下文中所載數(shù)學(xué)模型為汽車發(fā)動機空氣壓縮模式下的第一步驟數(shù)學(xué)過程。T2=T1（V1/V2）k-1，p2=p1（V1V2）k，W12=-m1（u2-u1）。在該數(shù)學(xué)模型中，Ti、Pi、mi、Vi、ui分別代表了在空氣壓縮動力模式下的發(fā)動機運行第一步驟的氣缸內(nèi)部溫度數(shù)值。氣缸內(nèi)部壓力數(shù)值，質(zhì)量數(shù)值、體積數(shù)值和內(nèi)能數(shù)值，k代表的是呈現(xiàn)變化狀態(tài)的指數(shù)，其他數(shù)值代表的是動力輸出數(shù)值內(nèi)容。下文中的數(shù)學(xué)模型代表的則是空氣壓縮模式中的汽車發(fā)動機的第二個步驟。he代表的是空氣壓縮中的比焓數(shù)據(jù)，c代表的是電磁開關(guān)部件中的壓縮空氣數(shù)據(jù)，R代表的是空氣系數(shù)。第三、四步驟將空氣壓縮過程反向操作，并完成空氣壓縮動力供給的閉環(huán)?？諝馀蛎洈?shù)學(xué)過程模型：m3u3-m2u2=（m3-m2）hc，T3/T2=k/（T2Tc+（k-T2/Tc）p2p3），m3-m2=V2/kRTc（p3-p2）。

2.2 汽車發(fā)動機在內(nèi)燃機模式下的數(shù)學(xué)模型

盡管屬于不同的汽車發(fā)動機動力供給模式，但是汽車發(fā)動機在內(nèi)燃機模式下與其在空氣壓縮模式下的數(shù)學(xué)模型實際上是保持一致的。在內(nèi)燃機動力模式下，汽車發(fā)動機通過燃油噴射裝置釋放汽車燃油，并保證其充分燃燒以造成氣缸內(nèi)氣體膨脹從而推動活塞運動產(chǎn)生汽車動力。整個空氣燃燒過程的熱量產(chǎn)生可以按照數(shù)學(xué)模型三來進(jìn)行標(biāo)識。在模型三中，ηf代表的是汽車氣缸。數(shù)學(xué)模型三：內(nèi)燃機模式空氣燃燒數(shù)學(xué)模型。Q=ηfmfQL HV。內(nèi)燃油的燃燒效率，mr代表的是氣缸中的燃油質(zhì)量數(shù)值，而QLHV代表的則是燃油的具體熱值數(shù)據(jù)。而整個內(nèi)燃機模式下的氣缸燃燒過程則可以通過第四數(shù)學(xué)模型來表示。在第四數(shù)學(xué)模型中，氣缸內(nèi)部的燃油釋放熱量的過程被確定為定容放熱的過程。Qv和Qp則被表示為一定容量下的熱量數(shù)值和一定壓力下的熱量數(shù)值，其他數(shù)據(jù)則分別為不同狀態(tài)下的熱量釋放數(shù)值，以ε作為計量，和不同狀態(tài)下的比熱容數(shù)值，以C作為計量。第四數(shù)學(xué)模型：氣缸內(nèi)熱量釋放數(shù)學(xué)模型。QV=εVQ，Qp=εpQ=（1-εV）Q。

3  基于多目標(biāo)控制的高性能低油耗汽車發(fā)動機的循環(huán)模擬

3.1 汽車發(fā)動機空氣壓縮模式下的循環(huán)模擬

根據(jù)不同動力模式下的汽車發(fā)動機動力供給數(shù)學(xué)模型，文章進(jìn)行工作循環(huán)的模擬。就汽車發(fā)動機的空氣壓縮模式下的循環(huán)模擬而言，文章以發(fā)動機的曲軸彎曲度在達(dá)到一個周期時開始向發(fā)動機氣缸內(nèi)部注入空氣，并保證空氣的已被壓縮屬性，同時根據(jù)汽缸內(nèi)部的溫度變化和曲軸變化等觀測汽車發(fā)動機內(nèi)部的空氣質(zhì)量變化。發(fā)動機的汽缸內(nèi)部質(zhì)量不會隨著壓力的變化而產(chǎn)生變化。當(dāng)氣缸內(nèi)部溫度升高時，常溫的壓縮空氣被動進(jìn)入氣缸內(nèi)部，和原本氣缸內(nèi)被壓縮的熱空氣相快速混合，導(dǎo)致氣缸內(nèi)部的溫度在較短時間內(nèi)產(chǎn)生較大變化，出現(xiàn)快速下降的現(xiàn)象。而外部常溫的壓縮空氣會吸收原本氣缸內(nèi)部的熱量，導(dǎo)致其做功的能力得到增強，而其本身在膨脹的過程中推動活塞快速運動，同時因為熱量消耗而持續(xù)降低溫度。當(dāng)汽缸內(nèi)部的排氣工作階段開始時，發(fā)動機氣缸內(nèi)部與外部的氣壓水平不相同，缸內(nèi)由于存在較大的壓力而導(dǎo)致空氣被動膨脹，溫度持續(xù)降低。而當(dāng)發(fā)動機氣缸排氣做功不斷發(fā)生時，氣缸內(nèi)部的溫度逐漸升高，當(dāng)氣缸內(nèi)部的整個吸氣過程完成后，發(fā)動機氣缸內(nèi)部的溫度就會和發(fā)動機環(huán)境溫度相保持一致。為除了發(fā)動機的溫度變化下的具體做功性能之外，發(fā)動機的具體壓力數(shù)值變化情況也是評價發(fā)動機工作效果的標(biāo)準(zhǔn)之一。根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究，一般的發(fā)動機在運行中的壓力變化數(shù)值一般在0.70～1.30MPa之間。而在空氣壓縮動力模式下，文章中介紹的發(fā)動機主要性能指標(biāo)可以達(dá)到在1500轉(zhuǎn)速情況下的3.00MPa，能夠充分滿足中小型汽車的動力需要。

3.2 汽車發(fā)動機在內(nèi)燃機模式下的循環(huán)模擬

相比較于空氣壓縮動力模式，內(nèi)燃機動力模式下的汽車發(fā)動機的氣缸燃燒過程屬于燈容量的加熱循環(huán)過程。在汽車發(fā)動機內(nèi)燃機模式下的循環(huán)模擬中，文章確定定壓的放熱比數(shù)值為趨近于無。該發(fā)動機能夠在達(dá)到轉(zhuǎn)速為1500數(shù)值時，保持內(nèi)燃機的指示功率達(dá)到200J，內(nèi)燃機的指示壓力數(shù)值可以達(dá)到981kPa，內(nèi)燃機的指示熱效率數(shù)值達(dá)到31.5%，內(nèi)燃機的指示功率達(dá)到2.5kW，內(nèi)燃機的指示燃油的消耗水平可以達(dá)到280kW每小時。根據(jù)作者分析，當(dāng)需要切好發(fā)動機的模式時，發(fā)動機使用者應(yīng)該保證其發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)每分鐘時，汽車的行駛速度達(dá)到40到50邁，在此汽車運轉(zhuǎn)環(huán)境下自由切換汽車發(fā)動機的動力模式，保證汽車的使用安全性。

4? 結(jié)語

綜上所述，基于多目標(biāo)控制的高性能低油耗汽車發(fā)動機的熱力學(xué)分析表明，此種發(fā)動機可以坐在低速的情況下通過空氣壓縮的動力模式實現(xiàn)良好的汽車駕駛體驗，可以在中高速的情況下通過燃油動力的模式實現(xiàn)汽車行駛的良好體驗感。

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