CN114357647B - 一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于设计方法，具体涉及一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法。一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法，其中，包括下述内容：步骤1：确定对象及参数；步骤2：发动机性能计算；步骤3：驱动凸轮型线优化计算；步骤4：最优驱动凸轮型线结果输出。本发明的显著效果是：利用本发明的方法可以对驱动凸轮型线进行主动寻优计算，可以达到(1)优化缸内的容积变化规律，(2)降低传热损失并提升等容度，(3)实现对热力循环的主动改造，(4)指示热效率由此提升。

Description

一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法

技术领域

本发明属于设计方法，具体涉及一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法。

背景技术

由于目前对发动机性能的不断追求，具有新型热功转换方式的发动机不断被研发出来。凸轮转盘发动机就是结合了对置活塞二冲程发动机与轴向活塞发动机的特点而研发出的一种新式发动机，由于其同时具有对置活塞二冲程发动机高热效率与高功率密度，以及轴向活塞发动机优良的NVH特性的优点，因此广泛受到研发人员的关注。

凸轮转盘发动机最先进的技术要点就是驱动凸轮转盘机构，活塞直接通过驱动凸轮转盘驱动，活塞位移规律可以根据驱动凸轮转盘的型线而改变，容积变化率由此随之改变。由于热功转换效果的提升主要是依靠容积变化率与燃烧放热率和传热率之间更合理的配合，从而降低传热损失并提升等容度，改善热力循环，实现指示热效率的提升。但是，由于等容度的提升和传热损失的降低总是相互抑制的，只有寻找到二者的平衡点，才可以使热功转换效果最大化，指示热效率得到最大幅度的提升。因此，迫切需要一种可以对驱动凸轮型线进行优化设计的方法，以此实现对热力循环的主动改造，最终实现指示热效率的提升。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法。

本发明是这样实现的：一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法，其中，包括下述内容：

步骤1：确定对象及参数；

步骤2：发动机性能计算；

步骤3：驱动凸轮型线优化计算；

步骤4：最优驱动凸轮型线结果输出。

如上所述的一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法，其中，所述的步骤1包括下述内容，

根据实际需要优化驱动凸轮型线发动机的类型和型号，选择类型和型号一致的发动机做为实验对象，选取Matlab数值计算软件作为发动机性能计算平台，向其中输入发动机缸径、冲程、压缩比、转速、空燃比及燃料热值常数参数，选取ModeFrontier优化计算软件作为驱动凸轮型线优化计算平台。

如上所述的一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法，其中，所述的步骤2包括下述内容，

(1)计算驱动凸轮型线

(2)计算倒拖缸温与缸压

倒拖缸温与缸压曲线利用闭式热力循环气体状态方程求解，计算函数如下：

p₀＝p₁*(V₁/V)^κ

T₀＝T₁*(V₁/V)^(κ-1)

其中，p₀为倒拖缸压，单位bar；T₀为倒拖缸温，单位K；p₁为压缩始点压力，单位bar；T₁为压缩始点温度，单位K；V₁为瞬时容积，其由瞬时活塞位移与相应压缩比下余隙高度的和，再乘以缸盖面积计算得到，单位m³；V为活塞处于下止点时缸内的总容积，单位m³； V₁/V为当前的压缩程度；κ为当前缸内状态下的比热比，为简化计算可以输入常数值，推荐取值为1.35，

(3)计算燃烧放热率与传热率

累计燃烧放热量Q_b与累计传热量Q_h均可选用任意一种成熟且参数化的计算公式进行计算，例如累计燃烧放热量可以使用三韦伯公式计算，累计传热量可以使用Woschni传热系数公式和牛顿冷却公式计算，单位均为kJ。

(4)计算燃烧导致的工质升温量

加入燃烧模型后导致的工质升温量，计算函数如下：

dT_c＝Q_c/(c_p*(m_s+m_b))

其中dT_c为由于燃烧所导致的升温量，单位K；Q_c为累计燃烧放热量，其可选用任意一种成熟且参数化的计算模型进行计算，例如使用三韦伯公式计算，单位为kJ；c_p为定压比热容，单位kJ/(kg*K)，为简化计算可以输入常数值，推荐取值为1.080kJ/(kg*K)；m_s为循环进气质量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入；m_b为累计已燃气质量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入，

(5)计算传热导致的降温量

加入传热模型后导致的工质降温量，计算函数如下：

dT_h＝Q_h/(c_p*(m_s+m_b))

其中dT_h为由于传热所导致的降温量，单位K；Q_h为累计传热量，其可选用任意一种成熟且参数化的计算模型进行计算，例如使用 Woschni传热系数公式和牛顿冷却公式计算，单位为kJ；c_p为定压比热容，单位kJ/(kg*K)，为简化计算可以输入常数值，推荐取值为1.080kJ/(kg*K)；m_s为循环进气质量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入；m_b为累计已燃气质量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入，

(6)计算实际缸温与缸压

实际缸温曲线T利用倒拖缸温曲线T₀与由于燃烧与传热共同导致的综合温度变化量dT_c与dT_h叠加计算得到，单位均为K，计算公式如下：

T＝T₀+dT_c-dT_h

实际缸压曲线p可以直接利用气体状态方程p＝ρRT计算得到，其中R为气体状态常数，单位kJ/(kg*K)，推荐取值为287kJ/(kg*K)；缸内工质的瞬时密度ρ＝(m_s+m_b)/V，单位kg/m³，其中m_s为循环进气质量，单位kg，m_b为累计已燃气质量，单位kg，V为气缸瞬时全部容积，单位m³，各参数值均需根据机型和工况直接输入，

(7)计算发动机指示热效率

指示热效率计算函数如下：

η_in＝Q_w/Q_f

其中η_in为指示热效率，单位％；Q_w为循环做功量，单位kJ，其可以利用缸压关于容积的积分计算得到，如下所示：

其中p为实际缸压，单位Pa；

为任意曲轴转角处的气缸总容积，积分始点V(-90)和积分终点V(90)分别为曲轴转角始点-90°CA和曲轴转角终点90°CA处的气缸总容积，单位均为m³，

Q_f为循环加热量，单位kJ，其可以利用循环喷油量与燃料热值的乘积计算得到，如下所示：

Q_f＝m_f*H_u

其中，m_f为循环喷油量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入；H_u为选用燃料的质量低位热值，单位kJ/kg。

如上所述的一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法，其中，所述的步骤2的(1)包括下述内容，

选择理论和可导任意一种作为驱动凸轮型线的计算方法，其中

理论驱动凸轮型线计算函数利用分段五项式叠加表达法计算，

其中，分段指此驱动凸轮型线以传统定义的TDCF燃烧上止点为对称轴，其两侧均可以实现不同的五项式叠加计算函数，

其中，五项式叠加表达法则指利用四个指数及系数均可调节的指数函数式与一个可实现角速度加速及型线平顶的余弦函数式相加构成，

以下所述均以传统定义的TDCF燃烧上止点为0°CA点，左侧是从-90°CA起始，右侧则以90°CA终止，具体计算函数如下：

①传统定义TDCF点左侧型线函数：

其中M的计算方法：

如果

且

称为曲线位移加速段：

如果

且

称为曲线位移不变段：

M＝C5+C6

②传统定义TDCF点右侧型线函数：

其中M的计算方法：

如果

且

称为曲线位移加速段：

如果

且

称为曲线位移不变段：

M＝C11+C12

上述式中dis为驱动凸轮型线升程，等同于活塞位移，单位mm；stroke 为冲程，单位mm；

为曲轴转角，单位°CA；CA为每循环曲轴转角度数的一半，此研究的转盘发动机中CA＝90°CA；C1～4与C7～10， B1～4与B7～10分别为传统定义TDCF燃烧上止点左右两侧各四项指数函数式中的系数和指数；M为余弦函数式，其中omega1与omega2 均为余弦曲线角速度的加速因子；由于角速度被加速后，周期变短，因此必须将其分为可用的曲线位移加速段和强制位移不变段；C5和 C6，C11和C12为两对常数系数，若C5<C6或者C11<C12就可以使活塞位移曲线出现小于0的一段，再将其强制等于0就可以生成一段位移滞留在上止点的“位移停滞阶段”，上述所有系数均作为驱动凸轮型线的优化变量，

可导驱动凸轮型线是在上述理论驱动凸轮型线计算函数的基础上进行了可导化改进，在原始分段五项式叠加表达法基础上，通过离散化的方式，磨平型线不可导位置处的棱角，再利用改进埃尔米特分段插值法进行预平顺处理，以此提升后续更高阶函数拟合的稳健性，之后，利用8阶傅里叶拟合方法对预处理后的型线进行拟合，此时型线已成为无限阶可导的型线，最后，利用平移、拉伸和平顺程序，平顺曲线中具有震荡的区域，并将冲程约束，至此得到无限阶可导且平顺的驱动凸轮型线，本领域技术人员可以使用MATLAB实现上述功能。

如上所述的一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法，其中，所述的步骤3包括

利用优化计算软件ModeFrontier建立驱动凸轮型线优化计算平台，建立与Matlab发动机性能计算平台中驱动凸轮型线函数待定系数变量名相同的优化参数输入模块、指示热效率最高的优化目标模块、优化算法模块以及Matlab发动机性能计算平台的计算调用模块，此优化计算平台可以调用发动机性能计算平台对各种驱动凸轮型线函数待定系数组合时的指示热效率进行实时求解，利用优化算法进行以驱动凸轮型线待定系数为优化变量，以指示热效率最高为优化目标的主动寻优计算。

如上所述的一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法，其中，所述的步骤4包括

将步骤3的结果输出，根据步骤2选择的待优化型线类型为理论或可导输出最高指示热效率时的相应驱动凸轮型线。

本发明的显著效果是：利用本发明的方法可以对驱动凸轮型线进行主动寻优计算，可以达到(1)优化缸内的容积变化规律，(2)降低传热损失并提升等容度，(3)实现对热力循环的主动改造，(4)指示热效率由此提升。

附图说明

图1为凸轮转盘发动机工作原理示意图

图2为驱动凸轮型线优化计算流程图。

图3为可导驱动凸轮型线改进流程图。

图4为ModeFrontier软件中优化计算操作界面。

图5为理论最优驱动凸轮型线和曲柄连杆机构控制的活塞位移曲线对比。

图6为可导最优驱动凸轮型线和曲柄连杆机构控制的活塞位移曲线对比。

图7为理论最优驱动凸轮型线和曲柄连杆机构控制的缸内能量流动关系。

其中：①代表动力输出轴，②代表排气侧驱动凸轮，③代表排气侧活塞，④代表气缸，⑤代表进气侧活塞，⑥代表进气侧驱动凸轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于更好地解释本发明，并不用于限制本发明。

一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法，包括下述步骤：

步骤1：确定对象及参数

根据实际需要优化驱动凸轮型线发动机的类型和型号，选择类型和型号一致的发动机做为实验对象。选取Matlab数值计算软件作为发动机性能计算平台，向其中输入发动机缸径、冲程、压缩比、转速、空燃比及燃料热值常数参数。选取ModeFrontier优化计算软件作为驱动凸轮型线优化计算平台。

步骤2：发动机性能计算

(1)计算驱动凸轮型线

驱动凸轮型线分为理论和可导两种，理论驱动凸轮型线可用于理论研究，可导驱动凸轮型线可用于实际工程应用，用户可以根据实际需要在两种型线之间选择。计算函数分别如下：

理论驱动凸轮型线计算函数利用分段五项式叠加表达法计算。

其中，分段指此驱动凸轮型线以传统定义的TDCF燃烧上止点为对称轴，其两侧均可以实现不同的五项式叠加计算函数。

其中，五项式叠加表达法则指利用四个指数及系数均可调节的指数函数式与一个可实现角速度加速及型线平顶的余弦函数式相加构成。

以下所述均以传统定义的TDCF燃烧上止点为0°CA点，左侧是从-90°CA起始，右侧则以90°CA终止，具体计算函数如下：

①传统定义TDCF点左侧型线函数：

其中M的计算方法：

如果

且

称为曲线位移加速段：

如果

且

称为曲线位移不变段：

M＝C5+C6

②传统定义TDCF点右侧型线函数：

其中M的计算方法：

如果

且

称为曲线位移加速段：

如果

且

称为曲线位移不变段：

M＝C11+C12

上述式中dis为驱动凸轮型线升程，等同于活塞位移，单位mm；stroke 为冲程，单位mm；

为曲轴转角，单位°CA；CA为每循环曲轴转角度数的一半，此研究的转盘发动机中CA＝90°CA；C1～4与C7～10， B1～4与B7～10分别为传统定义TDCF燃烧上止点左右两侧各四项指数函数式中的系数和指数；M为余弦函数式，其中omega1与omega2 均为余弦曲线角速度的加速因子；由于角速度被加速后，周期变短，因此必须将其分为可用的曲线位移加速段和强制位移不变段；C5和 C6，C11和C12为两对常数系数，若C5<C6或者C11<C12就可以使活塞位移曲线出现小于0的一段，再将其强制等于0就可以生成一段位移滞留在上止点的“位移停滞阶段”。上述所有系数均作为驱动凸轮型线的优化变量。

可导驱动凸轮型线是在上述理论驱动凸轮型线计算函数的基础上进行了可导化改进。在原始分段五项式叠加表达法基础上，通过离散化的方式，磨平型线不可导位置处的棱角，再利用改进埃尔米特分段插值法进行预平顺处理，以此提升后续更高阶函数拟合的稳健性。之后，利用8阶傅里叶拟合方法对预处理后的型线进行拟合，此时型线已成为无限阶可导的型线。最后，利用平移、拉伸和平顺程序，平顺曲线中具有震荡的区域，并将冲程约束，至此得到无限阶可导且平顺的驱动凸轮型线。本领域技术人员可以使用MATLAB实现上述功能。

上述除冲程需要根据选择机型人工输入外，其余参数均为优化变量，ModeFrontier优化计算平台可以利用优化算法，根据优化目标主动输入不断接近最优的参数值组合，不再需要人工手动输入和干预。

(2)计算倒拖缸温与缸压

倒拖缸温与缸压曲线利用闭式热力循环气体状态方程求解，计算函数如下：

p₀＝p₁*(V₁/V)^κ

T₀＝T₁*(V₁/V)^(κ-1)

其中，p₀为倒拖缸压，单位bar；T₀为倒拖缸温，单位K；p₁为压缩始点压力，单位bar；T₁为压缩始点温度，单位K；V₁为瞬时容积，其由瞬时活塞位移与相应压缩比下余隙高度的和，再乘以缸盖面积计算得到，单位m³；V为活塞处于下止点时缸内的总容积，单位m³； V₁/V为当前的压缩程度；κ为当前缸内状态下的比热比，为简化计算可以输入常数值，推荐取值为1.35。

(3)计算燃烧放热率与传热率

累计燃烧放热量Q_b与累计传热量Q_h均可选用任意一种成熟且参数化的计算模型进行计算，例如累计燃烧放热量可以使用三韦伯公式计算，累计传热量可以使用Woschni传热系数公式和牛顿冷却公式计算，单位均为kJ。

(4)计算燃烧导致的工质升温量

加入燃烧模型后导致的工质升温量，计算函数如下：

dT_c＝Q_c/(c_p*(m_s+m_b))

其中dT_c为由于燃烧所导致的升温量，单位K；Q_c为累计燃烧放热量，其可选用任意一种成熟且参数化的计算模型进行计算，例如使用三韦伯公式计算，单位为kJ；c_p为定压比热容，单位kJ/(kg*K)，为简化计算可以输入常数值，推荐取值为1.080kJ/(kg*K)；m_s为循环进气质量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入；m_b为累计已燃气质量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入。

(5)计算传热导致的降温量

加入传热模型后导致的工质降温量，计算函数如下：

dT_h＝Q_h/(c_p*(m_s+m_b))

其中dT_h为由于传热所导致的降温量，单位K；Q_h为累计传热量，其可选用任意一种成熟且参数化的计算模型进行计算，例如使用三韦伯公式计算，单位为kJ；c_p为定压比热容，单位kJ/(kg*K)，为简化计算可以输入常数值，推荐取值为1.080kJ/(kg*K)；m_s为循环进气质量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入；m_b为累计已燃气质量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入。

(6)计算实际缸温与缸压

实际缸温曲线T利用倒拖缸温曲线T₀与由于燃烧与传热共同导致的综合温度变化量dT_c与dT_h叠加计算得到，单位均为K，计算公式如下：

T＝T₀+dT_c-dT_h

实际缸压曲线p可以直接利用气体状态方程p＝ρRT计算得到。其中R为气体状态常数，单位kJ/(kg*K)，推荐取值为287kJ/(kg*K)；缸内工质的瞬时密度ρ＝(m_s+m_b)/V，单位kg/m³，其中m_s为循环进气质量，单位kg，m_b为累计已燃气质量，单位kg，V为气缸瞬时全部容积，单位m³，各参数值均需根据机型和工况直接输入。

(7)计算发动机指示热效率

指示热效率计算函数如下：

η_in＝Q_w/Q_f

其中η_in为指示热效率，单位％；Q_w为循环做功量，单位kJ，其可以利用缸压关于容积的积分计算得到，如下所示：

其中p为实际缸压，单位Pa；

为任意曲轴转角处的气缸总容积，积分始点V(-90)和积分终点V(90)分别为曲轴转角始点-90°CA和曲轴转角终点90°CA处的气缸总容积，单位均为m³。

Q_f为循环加热量，单位kJ，其可以利用循环喷油量与燃料热值的乘积计算得到，如下所示：

Q_f＝m_f*H_u

其中，m_f为循环喷油量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入；H_u为选用燃料的质量低位热值，单位kJ/kg。

步骤3：驱动凸轮型线优化计算

利用优化计算软件ModeFrontier建立驱动凸轮型线优化计算平台，建立与Matlab发动机性能计算平台中驱动凸轮型线函数待定系数变量名相同的优化参数输入模块、指示热效率最高的优化目标模块、优化算法模块以及Matlab发动机性能计算平台的计算调用模块。此优化计算平台可以调用发动机性能计算平台对各种驱动凸轮型线函数待定系数组合时的指示热效率进行实时求解，利用优化算法进行以驱动凸轮型线待定系数为优化变量，以指示热效率最高为优化目标的主动寻优计算。

步骤4最优驱动凸轮型线结果输出

将步骤3的结果输出，根据步骤2选择的待优化型线类型为理论或可导输出最高指示热效率时的相应驱动凸轮型线。

下面给出一个实际的例子。

步骤1：确定对象及参数

在本实施例中研究对象为一台1.1L四缸凸轮转盘压燃发动机，其工作原理如附图1所示，缸径为65mm，单侧活塞冲程为42mm，总冲程为84mm，压缩比为18，研究转速为1800rpm，燃料选择柴油，质量低位热值为44000kJ/kg，空燃比为22.88。

步骤2：发动机性能计算

本实施例在Matlab编程软件中建立了发动机热力学计算函数，建立流程如附图2所示，详细解释如下：

(1)计算驱动凸轮型线

分别建立理论和可导驱动凸轮型线计算函数，用户可以根据实际需要选择型线类型。理论驱动凸轮型线计算函数利用分段五项式叠加表达法计算。可导驱动凸轮型线是在上述理论驱动凸轮型线计算函数的基础上进行了包含离散、拟合、平顺的可导化改进，具体步骤如附图3所示。

(2)计算倒拖缸温与缸压

利用闭式热力循环气体状态方程求解倒拖缸温与缸压曲线。

(3)计算燃烧放热率与传热率

累计燃烧放热量Q_b利用已有的三Wiebe放热率函数计算，累计传热量Q_h则利用牛顿冷却公式计算，其中的传热系数利用已有的 Woschni传热系数公式计算。用户可以根据实施例需要更换计算函数。

(4)计算燃烧导致的工质升温量

利用温度-能量方程计算加入燃烧模型后导致的工质升温量，其中累计燃烧放热量利用已选用的三Wiebe放热率函数计算。

(5)计算传热导致的降温量

利用温度-能量方程计算加入传热模型后导致的工质降温量，其中累计传热量利用牛顿冷却公式和Woschni传热系数公式计算

(6)计算实际缸温与缸压

实际缸温曲线T利用倒拖缸温曲线T₀与由于燃烧与传热共同导致的综合温度变化量dT_c与dT_h叠加计算得到。实际缸压曲线p可以直接利用气体状态方程p＝ρRT计算得到。

(7)计算发动机指示热效率

指示热效率利用循环净功除以循环加热量计算，循环净功等于缸压关于容积的积分，循环加热量为循环喷油量与热值的乘积。

步骤3：驱动凸轮型线优化计算

利用优化计算软件ModeFrontier建立驱动凸轮型线优化计算平台，操作界面如附图4所示。此平台调用Matlab热力学计算函数对各个驱动凸轮型线待定系数组合时的指示热效率进行实时求解，利用 NSGA-Ⅱ型遗传优化算法进行以型线函数中各待定系数为优化变量，以指示热效率最高为优化目标的主动寻优计算。

步骤4最优驱动凸轮型线结果输出

根据步骤1所选择的理论或可导待优化驱动凸轮型线类型，分别得到如附图5和6所示的理论和可导最优驱动凸轮型线控制下的活塞位移曲线。

为了更好地说明最优型线的特征分别将二者与传统曲柄连杆机构控制下的活塞位移曲线进行对比。由附图5和6中可以看出，与曲柄连杆机构相比，理论和可导最优驱动凸轮型线特征相近，只是后者无限阶可导。理论和可导最优驱动凸轮型线均具有以下特征：与曲柄连杆机构相比，在压缩过程中活塞位移速度呈现出前期减慢，后期加速的特征，并且活塞早于传统设定的TDCF点就到达上止点，也晚于 TDFC点才离开上止点，因此在TDCF点两侧均出现了一段活塞保持在上止点处的位移停滞阶段，从而实现了定容状态，而在膨胀过程中则呈现出前期加速，后期减慢的特征。

优化后的驱动凸轮型线所具有的压缩与膨胀加速特征，缩短了高温工质存在的时长，如附图7所示，将传热损失能量占循环加热量的比例降低了1.51％。顶端区域所具有的位移停滞阶段，将主要的燃烧过程与压缩和膨胀过程分离开，实现了定容燃烧，不仅降低了上止点位置处压缩阶段的压力，降低了压缩耗功，还抬升了膨胀阶段的压力，促进了膨胀做功，如附图7所示，将循环烧加热量转换为内能的能量比例降低了0.98％。在二者共同作用下，循环加热量转化为做功的能量比例增大了2.49％，指示热效率得到同等幅度的提升。

需要注意，最优驱动凸轮型线的特征与发动机转速、压缩比以及燃烧放热率紧密关联，随着上述运行条件的改变，最优驱动凸轮型线也是随之改变的，因此本实施例仅是对于一种运行条件下的驱动凸轮型线优化设计进行了示例说明，本发明公开的是一种驱动凸轮型线的通用设计方法，并不是一种通用的型线设计方案。

本发明中公开的一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法，充分利用了转盘发动机驱动凸轮型线容易控制的优势，通过对驱动凸轮型线的优化设计，优化容积变化规律，同时实现了传热损失的降低与等容度的提升，热力循环得到主动改造，指示热效率由此提升。

上述实施例仅为本发明的一种应用场景，本发明并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法，其特征在于，包括下述内容：

步骤1：确定对象及参数；

步骤2：发动机性能计算；所述的步骤2包括下述内容，

(1)计算驱动凸轮型线

(2)计算倒拖缸温与缸压

倒拖缸温与缸压曲线利用闭式热力循环气体状态方程求解，计算函数如下：

p₀＝p₁*(V₁/V)^κ

T₀＝T₁*(V₁/V)^(κ-1)

其中，p₀为倒拖缸压，单位bar；T₀为倒拖缸温，单位K；p₁为压缩始点压力，单位bar；T₁为压缩始点温度，单位K；V₁为瞬时容积，其由瞬时活塞位移与相应压缩比下余隙高度的和，再乘以缸盖面积计算得到，单位m³；V为活塞处于下止点时缸内的总容积，单位m³；V₁/V为当前的压缩程度；κ为当前缸内状态下的比热比，为简化计算可以输入常数值，推荐取值为1.35，

(3)计算燃烧放热率与传热率

累计燃烧放热量Q_b与累计传热量Q_h均可选用任意一种成熟且参数化的计算模型进行计算，单位均为kJ，

(4)计算燃烧导致的工质升温量

加入燃烧模型后导致的工质升温量，计算函数如下：

dT_c＝Q_c/(c_p*(m_s+m_b))

其中dT_c为由于燃烧所导致的升温量，单位K；Q_c为累计燃烧放热量，其可选用任意一种成熟且参数化的计算模型进行计算，单位为kJ；c_p为定压比热容，单位kJ/(kg*K)，为简化计算可以输入常数值，推荐取值为1.080kJ/(kg*K)；m_s为循环进气质量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入；m_b为累计已燃气质量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入，

(5)计算传热导致的降温量

加入传热模型后导致的工质降温量，计算函数如下：

dT_h＝Q_h/(c_p*(m_s+m_b))

其中dT_h为由于传热所导致的降温量，单位K；Q_h为累计传热量，其可选用任意一种成熟且参数化的计算模型进行计算，单位为kJ；c_p为定压比热容，单位kJ/(kg*K)，为简化计算可以输入常数值，推荐取值为1.080kJ/(kg*K)；m_s为循环进气质量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入；m_b为累计已燃气质量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入，

(6)计算实际缸温与缸压

实际缸温曲线T利用倒拖缸温曲线T₀与由于燃烧与传热共同导致的综合温度变化量dT_c与dT_h叠加计算得到，单位均为K，计算公式如下：

T＝T₀+dT_c-dT_h

实际缸压曲线p可以直接利用气体状态方程p＝ρRT计算得到，其中R为气体状态常数，单位kJ/(kg*K)，推荐取值为287kJ/(kg*K)；缸内工质的瞬时密度ρ＝(m_s+m_b)/V，单位kg/m³，其中m_s为循环进气质量，单位kg，m_b为累计已燃气质量，单位kg，V为气缸瞬时全部容积，单位m³，各参数值均需根据机型和工况直接输入，

(7)计算发动机指示热效率

指示热效率计算函数如下：

η_in＝Q_w/Q_f

其中η_in为指示热效率，单位％；Q_w为循环做功量，单位kJ，其可以利用缸压关于容积的积分计算得到，如下所示：

其中p为实际缸压，单位Pa；

为任意曲轴转角处的气缸总容积，积分始点V(-90)和积分终点V(90)分别为曲轴转角始点-90°CA和曲轴转角终点90°CA处的气缸总容积，单位均为m³，

Q_f为循环加热量，单位kJ，其可以利用循环喷油量与燃料热值的乘积计算得到，如下所示：

Q_f＝m_f*H_u

其中，m_f为循环喷油量，单位kg，需要根据机型和工况直接输入；H_u为选用燃料的质量低位热值，单位kJ/kg；

步骤3：驱动凸轮型线优化计算；所述的步骤3包括

利用优化计算软件ModeFrontier建立驱动凸轮型线优化计算平台，建立与Matlab发动机性能计算平台中驱动凸轮型线函数待定系数变量名相同的优化参数输入模块、指示热效率最高的优化目标模块、优化算法模块以及Matlab发动机性能计算平台的计算调用模块，此优化计算平台可以调用发动机性能计算平台对各种驱动凸轮型线函数待定系数组合时的指示热效率进行实时求解，利用优化算法进行以驱动凸轮型线待定系数为优化变量，以指示热效率最高为优化目标的主动寻优计算；

步骤4：最优驱动凸轮型线结果输出；步骤4包括

将步骤3的结果输出，根据步骤2选择的待优化型线类型为理论或可导输出最高指示热效率时的相应驱动凸轮型线。

2.如权利要求1所述的一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法，其特征在于：所述的步骤1包括下述内容，

根据实际需要优化驱动凸轮型线发动机的类型和型号，选择类型和型号一致的发动机做为实验对象，选取Matlab数值计算软件作为发动机性能计算平台，向其中输入发动机缸径、冲程、压缩比、转速、空燃比及燃料热值常数参数，选取ModeFrontier优化计算软件作为驱动凸轮型线优化计算平台。

3.如权利要求1所述的一种凸轮驱动发动机高热效率型线设计方法，其特征在于：所述的步骤2的(1)包括下述内容，

选择理论和可导任意一种作为驱动凸轮型线的计算方法，其中

理论驱动凸轮型线计算函数利用分段五项式叠加表达法计算，

其中，分段指此驱动凸轮型线以传统定义的TDCF燃烧上止点为对称轴，其两侧均可以实现不同的五项式叠加计算函数，

其中，五项式叠加表达法则指利用四个指数及系数均可调节的指数函数式与一个可实现角速度加速及型线平顶的余弦函数式相加构成，

以下所述均以传统定义的TDCF燃烧上止点为0°CA点，左侧是从-90°CA起始，右侧则以90°CA终止，具体计算函数如下：

①传统定义TDCF点左侧型线函数：

其中M的计算方法：

如果

且

称为曲线位移加速段：

如果

且

称为曲线位移不变段：

M＝C5+C6

②传统定义TDCF点右侧型线函数：

其中M的计算方法：

如果

且

称为曲线位移加速段：

如果

且

称为曲线位移不变段：

M＝C11+C12

上述式中dis为驱动凸轮型线升程，等同于活塞位移，单位mm；stroke为冲程，单位mm；

为曲轴转角，单位°CA；CA为每循环曲轴转角度数的一半，此研究的转盘发动机中CA＝90°CA；C1～4与C7～10，B1～4与B7～10分别为传统定义TDCF燃烧上止点左右两侧各四项指数函数式中的系数和指数；M为余弦函数式，其中omega1与omega2均为余弦曲线角速度的加速因子；由于角速度被加速后，周期变短，因此必须将其分为可用的曲线位移加速段和强制位移不变段；C5和C6，C11和C12为两对常数系数，若C5<C6或者C11<C12就可以使活塞位移曲线出现小于0的一段，再将其强制等于0就可以生成一段位移滞留在上止点的“位移停滞阶段”，上述所有系数均作为驱动凸轮型线的优化变量，

可导驱动凸轮型线是在上述理论驱动凸轮型线计算函数的基础上进行了可导化改进，在原始分段五项式叠加表达法基础上，通过离散化的方式，磨平型线不可导位置处的棱角，再利用改进埃尔米特分段插值法进行预平顺处理，以此提升后续更高阶函数拟合的稳健性，之后，利用8阶傅里叶拟合方法对预处理后的型线进行拟合，此时型线已成为无限阶可导的型线，最后，利用平移、拉伸和平顺程序，平顺曲线中具有震荡的区域，并将冲程约束，至此得到无限阶可导且平顺的驱动凸轮型线，本领域技术人员可以使用MATLAB实现上述功能。

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