現(xiàn)代內燃機設計技術的發(fā)展

0 引言

自21世紀以來，汽車技術日新月異地發(fā)展，同時“能源與環(huán)保”成為全球化的焦點問題，在這種新的形勢下，各國對汽車內燃機的要求不斷變化，“節(jié)能減排”成為車用內燃機的新主題和重要的技術方向，這不僅要求內燃機為汽車提供強勁的動力，還要求內燃機保持較低的油耗以及對環(huán)境的危害降低到最低限度。因此，車用內燃機技術與時俱進，不斷進行技術革新，許多先進的新結構、新材料、新工藝、新的加工方法得以應用，促進了內燃機設計理論與技術的發(fā)展。

1 新結構、新材料、新技術、新工藝的應用

（1）結構：如新型燃燒室結構（GDI燃燒室、HCCI燃燒室、稀薄燃燒室）、多氣門結構、可變配氣相位與可變進氣技術、可變增壓器、頂置凸輪機構，等等。

（2）新技術：如缸內直噴技術、混合動力技術、汽油電控多點噴射、柴油機高壓共軌噴射、可變壓縮比，等等。

（3）新工藝：如以鑄代鍛、壓力鑄造、表面處理技術。

（4）新材料：如活塞環(huán)、進氣管、齒輪、風扇（高分子塑料）、活塞（復合材料）、缸套、軸瓦（新配方金屬）、油底殼（三明治夾層、高分子涂層）等，主要目的是減輕質量，減小阻力，減小磨損，隔振，降噪。

2 現(xiàn)代設計與分析方法

2.1虛擬現(xiàn)實技術（VR，virtual reality）

由于計算機技術和計算方法的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代內燃機設計方法有了長足的進步和本質的改變。傳統(tǒng)的內燃機設計方法主要是依靠“圖板十經驗十發(fā)動機臺架”的設計方法，周期長，開發(fā)成本高，難以適應當今社會的要求。同時，計算機軟、硬件技術的巨大進步和相關基礎理論如有限元分析（FEA）、計算流體力學（CFD）等的研究為計算機輔助設計（CAD）的發(fā)展和應用提供了必要的前提條件和堅實的基礎。

在現(xiàn)代計算機技術和通信網絡技術基礎上產生的虛擬現(xiàn)實技術正在滲入汽車工業(yè)的各個領域，如汽車的虛擬造型、虛擬設計、虛擬工藝制造、虛擬試驗、虛擬裝配等，不僅為汽車開發(fā)人員創(chuàng)造了更為自由的工作環(huán)境，而且，從根本上動搖了一系列被視為經典的汽車產品開發(fā)理論和原則。虛擬現(xiàn)實技術的推廣和應用將使汽車工業(yè)的思想觀念、開發(fā)方式、部件供應、組織形式、市場競爭及人才培訓方面產生全方位的創(chuàng)新和變革。

虛擬現(xiàn)實技術是近年發(fā)展起來的高級計算機技術，是建立在計算機圖形學、仿真學、并行技術、人工智能、多媒體技術及高性能計算機系統(tǒng)等技術基礎之上的。

全球虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展方興未艾，美、日等發(fā)達國家及歐洲地區(qū)預備將該項技術作為競爭未來市場的關鍵手段。對汽車工業(yè)而言，虛擬現(xiàn)實既是一個最新的技術開發(fā)方法，更是一個復雜的仿真工具，它旨在建立一種人工環(huán)境．人們可以在這種環(huán)境中以一種“自然”的方式從事駕駛、操作和設計等實時活動。

虛擬現(xiàn)實技術也可以廣泛用于汽車設計、試驗和培訓等方面。美國通用公司是全球汽車界最早利用虛擬現(xiàn)實技術的公司之一。它采用的虛擬現(xiàn)實軟件具有3個圖形流水線部件，可分別投影在設計師的左邊、前面和地面上的大屏幕上，另外一臺單獨的桌面系統(tǒng)有時用做右面的第四面墻，設計師借助于該軟件就能設計一輛惟妙惟肖的汽車。在戴姆勒—克萊斯勒公司耗資巨大的梅賽德斯汽車設計中心里，設計人員可在該中心提供的“虛擬現(xiàn)實中心”的虛擬環(huán)境中進行工作，車身設計師可以在這里檢查車體的線條和輪廓，檢測車身表面的光潔度，分析汽車的空氣動力學性能等。通用和戴姆勒股份公司轉讓給美國瑟伯勒斯資本管理公司后，戴姆勒一克萊斯勒公司正式更名為戴姆勒股份公司）采用虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)一種新車型的時間從1年以上縮短到2個月左右，開發(fā)成本最多可降到原先的1/10，而按常規(guī)，單單就車型開發(fā)時間看，新款汽車的設計至少需要12～18個月。

虛擬設計技術（VD，virtual design）是利用虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)新產品的重要技術。在設計初期，可直接在虛擬環(huán)境（計算機環(huán)境）中創(chuàng)建產品模型，即虛擬樣機（VP，virtual prototyping），并將其置于虛擬環(huán)境中進行試驗。這樣不僅可以使產品的結構和功能得到模擬，人、機交互性能也能得到測試，使產品缺陷在最初的設計階段就能被及時發(fā)現(xiàn)并加以改進，從而可以作出前瞻性的決策和優(yōu)化實施方案。

虛擬現(xiàn)實技術滲入到不斷發(fā)展的CAD、CAM（計算機輔助制造）、CAS（計算機輔助造型）、CAT（計算機輔助試驗）、CAE（計算機輔助工程分析）等各個領域，并形成一個具有集成性的并行工程的網絡。虛擬設計技術結合了計算機輔助設計技術、計算機輔助工程分析技術和應用工程軟件仿真計算技術，提高了現(xiàn)代內燃機的設計效率，壓縮了產品的開發(fā)周期。

內燃機作為一種十分復雜的熱力發(fā)動機，針對其的設計過程涉及運動學、動力學、熱、力、噪聲等問題，而CAD/CAE技術在其中可以充分發(fā)揮優(yōu)勢、有的放矢地解決問題。隨著市場競爭日益激烈，越來越多的生產廠家、企業(yè)、研發(fā)機構為了提高工程及產品的設計質量，降低研究開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，推出優(yōu)秀的創(chuàng)新產品，從而盡快地占領更多的市場，將C,AD/CAE技術作為實現(xiàn)工程及產品創(chuàng)新的有力工具和重要的技術支撐，因此，CAD/CAE技術廣泛應用于內燃機設計制造過程中。

虛擬現(xiàn)實技術在現(xiàn)代內燃機的開發(fā)設計過程中的主要應用如下：

（1）對發(fā)動機產品進行需求分析，明確產品設計的技術要求，進行產品概念設計。

（2）運用CAD技術進行零件造型設計。早期的CAD就是單純的二維繪圖，在內燃機行業(yè)中最早使用的是AutoCAD、CAXA，它們是真正的電子圖板，隨著軟件業(yè)、計算機技術的蓬勃發(fā)展，大量三維CAD軟件層出不窮，如UG、Pro/E、SolidWorks、CATIA等，它們卓越的參數(shù)化設計和基于特征的設計功能受到廣大內燃機設計工作人員的青睞。這些現(xiàn)代CAD軟件可以完成復雜的發(fā)動機零件的三維實體造型。零件造型完成后，利用三維CAD軟件完成的三維發(fā)動機整體圖軟件的渲染模塊對零件進行材質、色彩、環(huán)境、光澤等真實感顯示。

（3）虛擬裝配。先對已造型的零件進行相鄰各相關件色彩搭配的渲染，再通過約束關系或無約束的精確定位方式進行部件裝配及發(fā)動機整機裝配，并對裝配件進行干涉檢查。若有干涉，可以修改零件尺寸和形狀，直至干涉檢查至合格為止。裝配后，可對已虛擬裝配的發(fā)動機進行機構運動模擬，顯示機構運動的效果。

（4）CAE分析。在完成零件的三維造型后，利用CAE軟件對發(fā)動機中的運動機構進行靜力分析、動力分析（如汽車發(fā)動振動特性分析、排氣管的動力響應分析等）、屈曲分析、強度分析、疲勞壽命分析、熱傳導分析、設計靈敏度及優(yōu)化分析等。若對初步設計的虛擬發(fā)動機進行有限元分析，發(fā)現(xiàn)不合要求，則重新轉入步驟(1)，直至合格為止。

CAE是用計算機輔助進行復雜工程和產品的結構強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優(yōu)化設計，是一種近似數(shù)值分析方法。CAE技術在現(xiàn)代內燃機設計中發(fā)揮著至關重要的作用，運用CAE技術，可以對發(fā)動機的結構進行有限元分析，對發(fā)動機中的運動部件進行動力學仿真計算，對發(fā)動機的流動、燃燒過程進行分析。

CAE技術在內燃機設計中的主要應用有：

（1）結構強度分析。結構強度是保證內燃機工作安全性、可靠性的重要指標，因此結構強度分析應用最為廣泛。它可以判斷內燃機結構在工作載荷作用下是否安全，哪些部位會發(fā)生應力集中，哪些部位強度不足，以此來改進設計。

（2）動力學仿真分析。動力學仿真基于多體動力學理論，可在研究階段預測內燃機運動機構甚至整車的動力學性能，對這些性能進行優(yōu)化，以達到提高產品性能的目的。

（3）其他分析。結構優(yōu)化設計、模態(tài)分析、疲勞分析、熱分析、噪聲分析等也都是內燃機設計中經常要進行的仿真內容，絕大多數(shù)的大型有限元軟件都能做以上分析。

設計的零件在經過CAE軟件分析合格后，可利用CAM技術對零件進行加工及相關處理。CAM的核心是計算機數(shù)值控制（簡稱數(shù)控），是將計算機應用于生產制造過程或系統(tǒng)。CAM技術已經成為CAX（CAD、CAE、CAM等）體系的重要組成部分，可以直接在CAD系統(tǒng)上建立起來的參數(shù)化、全相關的三維幾何模型（實體+曲面）上進行加工編程．生成正確的加工軌跡。運用CAM軟件可以對零件進行加工工藝分析，根據零件加工面的形狀特征確定工藝方案，選擇機床和工藝裝備及切削用量，確定加工工藝路線及工藝規(guī)程，同時還可生成加工刀具軌跡并對軌跡進行實時或快速仿真校驗，對選定的數(shù)控設備進行后置處理。

在完成設計零件的虛擬制造后，可進行用戶評價虛擬發(fā)動機樣機環(huán)節(jié)，用戶在專業(yè)技術人員的協(xié)助下檢測發(fā)動機性能，對其做出公正的評價。設計人員結合用戶的意見，對產品進行部分或全部的修改，重新轉入步驟（1）（對發(fā)動機產品進行需求分析，明確產品設計的技術要求，進行產品概念設計），直至用戶滿意。

2.2優(yōu)化設計

內燃機的優(yōu)化設計是指結構形狀優(yōu)化，以質量最輕、應力最小、變形最小或阻力最小等為優(yōu)化目標，多采用線性規(guī)劃法、復合形法、懲罰函數(shù)法、遺傳算法等。

2.3工程數(shù)據庫

工程數(shù)據庫對于內燃機產品設計是十分重要的，它被用于積累和管理技術數(shù)據，擺脫對某個技術人員的依賴，提高設計技術的繼承性，方便技術咨詢、數(shù)據查詢，利于設計流程管理。

2.4可靠性設計方法

可靠性設計也稱為概率設計，主要是利用應力強度干涉模型，求出零件的失效概率和可靠度?？煽慷仁橇慵煽啃栽O計的準則，以零件可靠度不低于規(guī)定值作為結構安全的判據。