现代内燃机设计技术的发展

0 引言

自21世纪以来，汽车技术日新月异地发展，同时“能源与环保”成为全球化的焦点问题，在这种新的形势下，各国对汽车内燃机的要求不断变化，“节能减排”成为车用内燃机的新主题和重要的技术方向，这不仅要求内燃机为汽车提供强劲的动力，还要求内燃机保持较低的油耗以及对环境的危害降低到最低限度。因此，车用内燃机技术与时俱进，不断进行技术革新，许多先进的新结构、新材料、新工艺、新的加工方法得以应用，促进了内燃机设计理论与技术的发展。

1 新结构、新材料、新技术、新工艺的应用

（1）结构：如新型燃烧室结构（GDI燃烧室、HCCI燃烧室、稀薄燃烧室）、多气门结构、可变配气相位与可变进气技术、可变增压器、顶置凸轮机构，等等。

（2）新技术：如缸内直喷技术、混合动力技术、汽油电控多点喷射、柴油机高压共轨喷射、可变压缩比，等等。

（3）新工艺：如以铸代锻、压力铸造、表面处理技术。

（4）新材料：如活塞环、进气管、齿轮、风扇（高分子塑料）、活塞（复合材料）、缸套、轴瓦（新配方金属）、油底壳（三明治夹层、高分子涂层）等，主要目的是减轻质量，减小阻力，减小磨损，隔振，降噪。

2 现代设计与分析方法

2.1虚拟现实技术（VR，virtual reality）

由于计算机技术和计算方法的迅猛发展，现代内燃机设计方法有了长足的进步和本质的改变。传统的内燃机设计方法主要是依靠“图板十经验十发动机台架”的设计方法，周期长，开发成本高，难以适应当今社会的要求。同时，计算机软、硬件技术的巨大进步和相关基础理论如有限元分析（FEA）、计算流体力学（CFD）等的研究为计算机辅助设计（CAD）的发展和应用提供了必要的前提条件和坚实的基础。

在现代计算机技术和通信网络技术基础上产生的虚拟现实技术正在渗入汽车工业的各个领域，如汽车的虚拟造型、虚拟设计、虚拟工艺制造、虚拟试验、虚拟装配等，不仅为汽车开发人员创造了更为自由的工作环境，而且，从根本上动摇了一系列被视为经典的汽车产品开发理论和原则。虚拟现实技术的推广和应用将使汽车工业的思想观念、开发方式、部件供应、组织形式、市场竞争及人才培训方面产生全方位的创新和变革。

虚拟现实技术是近年发展起来的高级计算机技术，是建立在计算机图形学、仿真学、并行技术、人工智能、多媒体技术及高性能计算机系统等技术基础之上的。

全球虚拟现实技术的发展方兴未艾，美、日等发达国家及欧洲地区预备将该项技术作为竞争未来市场的关键手段。对汽车工业而言，虚拟现实既是一个最新的技术开发方法，更是一个复杂的仿真工具，它旨在建立一种人工环境．人们可以在这种环境中以一种“自然”的方式从事驾驶、操作和设计等实时活动。

虚拟现实技术也可以广泛用于汽车设计、试验和培训等方面。美国通用公司是全球汽车界最早利用虚拟现实技术的公司之一。它采用的虚拟现实软件具有3个图形流水线部件，可分别投影在设计师的左边、前面和地面上的大屏幕上，另外一台单独的桌面系统有时用做右面的第四面墙，设计师借助于该软件就能设计一辆惟妙惟肖的汽车。在戴姆勒—克莱斯勒公司耗资巨大的梅赛德斯汽车设计中心里，设计人员可在该中心提供的“虚拟现实中心”的虚拟环境中进行工作，车身设计师可以在这里检查车体的线条和轮廓，检测车身表面的光洁度，分析汽车的空气动力学性能等。通用和戴姆勒股份公司转让给美国瑟伯勒斯资本管理公司后，戴姆勒一克莱斯勒公司正式更名为戴姆勒股份公司）采用虚拟现实技术开发一种新车型的时间从1年以上缩短到2个月左右，开发成本最多可降到原先的1/10，而按常规，单单就车型开发时间看，新款汽车的设计至少需要12～18个月。

虚拟设计技术（VD，virtual design）是利用虚拟现实技术开发新产品的重要技术。在设计初期，可直接在虚拟环境（计算机环境）中创建产品模型，即虚拟样机（VP，virtual prototyping），并将其置于虚拟环境中进行试验。这样不仅可以使产品的结构和功能得到模拟，人、机交互性能也能得到测试，使产品缺陷在最初的设计阶段就能被及时发现并加以改进，从而可以作出前瞻性的决策和优化实施方案。

虚拟现实技术渗入到不断发展的CAD、CAM（计算机辅助制造）、CAS（计算机辅助造型）、CAT（计算机辅助试验）、CAE（计算机辅助工程分析）等各个领域，并形成一个具有集成性的并行工程的网络。虚拟设计技术结合了计算机辅助设计技术、计算机辅助工程分析技术和应用工程软件仿真计算技术，提高了现代内燃机的设计效率，压缩了产品的开发周期。

内燃机作为一种十分复杂的热力发动机，针对其的设计过程涉及运动学、动力学、热、力、噪声等问题，而CAD/CAE技术在其中可以充分发挥优势、有的放矢地解决问题。随着市场竞争日益激烈，越来越多的生产厂家、企业、研发机构为了提高工程及产品的设计质量，降低研究开发成本，缩短开发周期，推出优秀的创新产品，从而尽快地占领更多的市场，将C,AD/CAE技术作为实现工程及产品创新的有力工具和重要的技术支撑，因此，CAD/CAE技术广泛应用于内燃机设计制造过程中。

虚拟现实技术在现代内燃机的开发设计过程中的主要应用如下：

（1）对发动机产品进行需求分析，明确产品设计的技术要求，进行产品概念设计。

（2）运用CAD技术进行零件造型设计。早期的CAD就是单纯的二维绘图，在内燃机行业中最早使用的是AutoCAD、CAXA，它们是真正的电子图板，随着软件业、计算机技术的蓬勃发展，大量三维CAD软件层出不穷，如UG、Pro/E、SolidWorks、CATIA等，它们卓越的参数化设计和基于特征的设计功能受到广大内燃机设计工作人员的青睐。这些现代CAD软件可以完成复杂的发动机零件的三维实体造型。零件造型完成后，利用三维CAD软件完成的三维发动机整体图软件的渲染模块对零件进行材质、色彩、环境、光泽等真实感显示。

（3）虚拟装配。先对已造型的零件进行相邻各相关件色彩搭配的渲染，再通过约束关系或无约束的精确定位方式进行部件装配及发动机整机装配，并对装配件进行干涉检查。若有干涉，可以修改零件尺寸和形状，直至干涉检查至合格为止。装配后，可对已虚拟装配的发动机进行机构运动模拟，显示机构运动的效果。

（4）CAE分析。在完成零件的三维造型后，利用CAE软件对发动机中的运动机构进行静力分析、动力分析（如汽车发动振动特性分析、排气管的动力响应分析等）、屈曲分析、强度分析、疲劳寿命分析、热传导分析、设计灵敏度及优化分析等。若对初步设计的虚拟发动机进行有限元分析，发现不合要求，则重新转入步骤(1)，直至合格为止。

CAE是用计算机辅助进行复杂工程和产品的结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计，是一种近似数值分析方法。CAE技术在现代内燃机设计中发挥着至关重要的作用，运用CAE技术，可以对发动机的结构进行有限元分析，对发动机中的运动部件进行动力学仿真计算，对发动机的流动、燃烧过程进行分析。

CAE技术在内燃机设计中的主要应用有：

（1）结构强度分析。结构强度是保证内燃机工作安全性、可靠性的重要指标，因此结构强度分析应用最为广泛。它可以判断内燃机结构在工作载荷作用下是否安全，哪些部位会发生应力集中，哪些部位强度不足，以此来改进设计。

（2）动力学仿真分析。动力学仿真基于多体动力学理论，可在研究阶段预测内燃机运动机构甚至整车的动力学性能，对这些性能进行优化，以达到提高产品性能的目的。

（3）其他分析。结构优化设计、模态分析、疲劳分析、热分析、噪声分析等也都是内燃机设计中经常要进行的仿真内容，绝大多数的大型有限元软件都能做以上分析。

设计的零件在经过CAE软件分析合格后，可利用CAM技术对零件进行加工及相关处理。CAM的核心是计算机数值控制（简称数控），是将计算机应用于生产制造过程或系统。CAM技术已经成为CAX（CAD、CAE、CAM等）体系的重要组成部分，可以直接在CAD系统上建立起来的参数化、全相关的三维几何模型（实体+曲面）上进行加工编程．生成正确的加工轨迹。运用CAM软件可以对零件进行加工工艺分析，根据零件加工面的形状特征确定工艺方案，选择机床和工艺装备及切削用量，确定加工工艺路线及工艺规程，同时还可生成加工刀具轨迹并对轨迹进行实时或快速仿真校验，对选定的数控设备进行后置处理。

在完成设计零件的虚拟制造后，可进行用户评价虚拟发动机样机环节，用户在专业技术人员的协助下检测发动机性能，对其做出公正的评价。设计人员结合用户的意见，对产品进行部分或全部的修改，重新转入步骤（1）（对发动机产品进行需求分析，明确产品设计的技术要求，进行产品概念设计），直至用户满意。

2.2优化设计

内燃机的优化设计是指结构形状优化，以质量最轻、应力最小、变形最小或阻力最小等为优化目标，多采用线性规划法、复合形法、惩罚函数法、遗传算法等。

2.3工程数据库

工程数据库对于内燃机产品设计是十分重要的，它被用于积累和管理技术数据，摆脱对某个技术人员的依赖，提高设计技术的继承性，方便技术咨询、数据查询，利于设计流程管理。

2.4可靠性设计方法

可靠性设计也称为概率设计，主要是利用应力强度干涉模型，求出零件的失效概率和可靠度。可靠度是零件可靠性设计的准则，以零件可靠度不低于规定值作为结构安全的判据。