多目标高性能低油耗汽车发动机热力学分析

方华为

摘要： 文章分析了一种基于多目标的高性能低油耗汽车发动机的设计方案的热力学性能，该汽车发动机能够在对空气进行压缩和内燃运行两种情况下实现良好的汽车发动机动能供给。借助于对不同运行模式下的汽车发动机热力学性能的分析，得出发动机性能在不同动力状况下的稳定发挥的结果，为基于多目标控制的高性能低油耗汽車发动机的进一步深入应用与研究奠定基础。

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.

关键词： 多目标控制;高性能低油耗;汽车发动机;人力学性能分析

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

中图分类号：U469.79                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0032-02

0  引言

近些年来，随着环保主义和资源节约等理念的发展，高性能低油耗汽车发动机的研发事业愈加受到重视。文章介绍一种基于多目标控制的高性能低油耗汽车发动机，该发动机能够实现对油气资源的节约，同时在空气压缩和内燃机两种条件下运行。

1  基于多目标控制的高性能低油耗汽车发动机的相关原理

1.1 汽车发动机空气压缩模式下的运行原理

为了实现多目标控制的高性能低油耗汽车发动机的制造，文章设计了一种依靠空气压缩和内燃机两种动力的汽车发动机方案，能够保证汽车发动机的最低油气资源消耗的同时，保证汽车发动机动力供给的充足性。该发动机属于单缸的压缩空气动力发动机和燃油动力发动机的结合体，该发动机的主体结构部分和一般的单一燃油发动机的主体结构部分差别不大。但是因为该发动机拥有两种动力部分以实现对多目标高性能和低油耗的达成，因此与传统发动机部件相比，该发动机的构成部分还包括空气压缩推进装置，空气压缩预先储备装置，空气压力缩减装置，空气供给流量控制装置，压缩空气的瞬时喷射装置，空气喷射电子开关装置，空气喷射量开口装置以及空气喷射开口控制装置等。发动机在传统燃油动力供给情况下的燃油喷射时间和数量由电子控制的喷射系统来决定，电子喷射系统的命令输出要根据发动机的动力速度、发动机的动力负荷等来明确。两种动力模式的自由切换可以使得该发动机实现对基于多目标控制的高性能低油耗目标的达成。发动机动力模式的切换功能依靠发动机内部的控制单元部件来完成。在空气压缩模式下，发动机的空气压缩供给步骤一共包括四个组成部分。经历过四个部分的空气压缩过程完成了一次完整的压缩空气动力供给程序。完整的压缩空气动力供给程序包括两个曲轴形态的旋转周期。在第一个步骤中，空气供给单元的进气部件和排气部件都已经被关闭。在活塞的推动作用下，空气被注入到汽车发动机的气缸之中并实现压缩。在第二个步骤中，进气和排气部件同样关闭，发动机的压力气缸内的压力水平持续提高，当压力提高到一定的情况下，气缸充气行为持续发生。依靠电磁系统的气缸开关装置被关闭，压缩空气的压强达到一定程度，开始推动气缸活塞进行运动做功。在第三个步骤中，排气阀门被打开。气缸内部的现有压力水平开始下降，并最终和外部压力水平相一致。在第四个步骤中，进气阀门被打开。外部压力和气缸内的压力差导致气缸内部重新进入空气，一个完整的空气压缩动力供给过程被完成。

1.2 汽车发动机在内燃机模式下的运行原理

汽车发动机的内燃机运行模式一共包括四个步骤，分别为汽车发动机气缸吸气步骤，燃油压缩步骤、燃油喷射燃烧步骤和汽车发动机排气步骤。将内燃机模式与空气压缩动力模式进行比较，内燃机模式的动力来源是燃油喷射造成的空气膨胀，而空气压缩模式的动力来源是压缩空气在标准大气压影响下的自发膨胀导致的活塞运动。

2  基于多目标控制的高性能低油耗汽车发动机的数学模型

2.1 汽车发动机空气压缩模式下的数学模型

基于多目标控制的高性能低油耗汽车发动机的数学模型是利用热力学第一定律来完成的。为了实现对基于多目标控制的高性能低油耗汽车发动机的良好热力学性能分析结果，文章对发动机的热力学环境进行了简化，影响发动机功率的空气为标准构成，除温度外的其他条件对发动机的比热、内能不产生影响，发动机气缸内不同位置的具体热力学相关条件数值相同。下文中所载数学模型为汽车发动机空气压缩模式下的第一步骤数学过程。T2=T1（V1/V2）k-1，p2=p1（V1V2）k，W12=-m1（u2-u1）。在该数学模型中，Ti、Pi、mi、Vi、ui分别代表了在空气压缩动力模式下的发动机运行第一步骤的气缸内部温度数值。气缸内部压力数值，质量数值、体积数值和内能数值，k代表的是呈现变化状态的指数，其他数值代表的是动力输出数值内容。下文中的数学模型代表的则是空气压缩模式中的汽车发动机的第二个步骤。he代表的是空气压缩中的比焓数据，c代表的是电磁开关部件中的压缩空气数据，R代表的是空气系数。第三、四步骤将空气压缩过程反向操作，并完成空气压缩动力供给的闭环。空气膨胀数学过程模型：m3u3-m2u2=（m3-m2）hc，T3/T2=k/（T2Tc+（k-T2/Tc）p2p3），m3-m2=V2/kRTc（p3-p2）。

2.2 汽车发动机在内燃机模式下的数学模型

尽管属于不同的汽车发动机动力供给模式，但是汽车发动机在内燃机模式下与其在空气压缩模式下的数学模型实际上是保持一致的。在内燃机动力模式下，汽车发动机通过燃油喷射装置释放汽车燃油，并保证其充分燃烧以造成气缸内气体膨胀从而推动活塞运动产生汽车动力。整个空气燃烧过程的热量产生可以按照数学模型三来进行标识。在模型三中，ηf代表的是汽车气缸。数学模型三：内燃机模式空气燃烧数学模型。Q=ηfmfQL HV。内燃油的燃烧效率，mr代表的是气缸中的燃油质量数值，而QLHV代表的则是燃油的具体热值数据。而整个内燃机模式下的气缸燃烧过程则可以通过第四数学模型来表示。在第四数学模型中，气缸内部的燃油释放热量的过程被确定为定容放热的过程。Qv和Qp则被表示为一定容量下的热量数值和一定压力下的热量数值，其他数据则分别为不同状态下的热量释放数值，以ε作为计量，和不同状态下的比热容数值，以C作为计量。第四数学模型：气缸内热量释放数学模型。QV=εVQ，Qp=εpQ=（1-εV）Q。

3  基于多目標控制的高性能低油耗汽车发动机的循环模拟

3.1 汽车发动机空气压缩模式下的循环模拟

根据不同动力模式下的汽车发动机动力供给数学模型，文章进行工作循环的模拟。就汽车发动机的空气压缩模式下的循环模拟而言，文章以发动机的曲轴弯曲度在达到一个周期时开始向发动机气缸内部注入空气，并保证空气的已被压缩属性，同时根据汽缸内部的温度变化和曲轴变化等观测汽车发动机内部的空气质量变化。发动机的汽缸内部质量不会随着压力的变化而产生变化。当气缸内部温度升高时，常温的压缩空气被动进入气缸内部，和原本气缸内被压缩的热空气相快速混合，导致气缸内部的温度在较短时间内产生较大变化，出现快速下降的现象。而外部常温的压缩空气会吸收原本气缸内部的热量，导致其做功的能力得到增强，而其本身在膨胀的过程中推动活塞快速运动，同时因为热量消耗而持续降低温度。当汽缸内部的排气工作阶段开始时，发动机气缸内部与外部的气压水平不相同，缸内由于存在较大的压力而导致空气被动膨胀，温度持续降低。而当发动机气缸排气做功不断发生时，气缸内部的温度逐渐升高，当气缸内部的整个吸气过程完成后，发动机气缸内部的温度就会和发动机环境温度相保持一致。为除了发动机的温度变化下的具体做功性能之外，发动机的具体压力数值变化情况也是评价发动机工作效果的标准之一。根据相关调查研究，一般的发动机在运行中的压力变化数值一般在0.70～1.30MPa之间。而在空气压缩动力模式下，文章中介绍的发动机主要性能指标可以达到在1500转速情况下的3.00MPa，能够充分满足中小型汽车的动力需要。

3.2 汽车发动机在内燃机模式下的循环模拟

相比较于空气压缩动力模式，内燃机动力模式下的汽车发动机的气缸燃烧过程属于灯容量的加热循环过程。在汽车发动机内燃机模式下的循环模拟中，文章确定定压的放热比数值为趋近于无。该发动机能够在达到转速为1500数值时，保持内燃机的指示功率达到200J，内燃机的指示压力数值可以达到981kPa，内燃机的指示热效率数值达到31.5%，内燃机的指示功率达到2.5kW，内燃机的指示燃油的消耗水平可以达到280kW每小时。根据作者分析，当需要切好发动机的模式时，发动机使用者应该保证其发动机在转速为1500转每分钟时，汽车的行驶速度达到40到50迈，在此汽车运转环境下自由切换汽车发动机的动力模式，保证汽车的使用安全性。

4  结语

综上所述，基于多目标控制的高性能低油耗汽车发动机的热力学分析表明，此种发动机可以坐在低速的情况下通过空气压缩的动力模式实现良好的汽车驾驶体验，可以在中高速的情况下通过燃油动力的模式实现汽车行驶的良好体验感。

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