問偉舟

(天津同步動力科技有限公司，天津 301600)

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某發(fā)動機凸輪型線優(yōu)化仿真研究

問偉舟

(天津同步動力科技有限公司，天津 301600)

針對某款汽油機的開發(fā)開展凸輪軸型線的設(shè)計研究，運用CAE仿真軟件分析凸輪軸型線方案，比較各方案下外特性工況、部分負荷工況等的性能，預測各方案的動力性和經(jīng)濟性，給出凸輪軸建議選取方案，對減少試驗開發(fā)周期和工作量具有重要作用。

發(fā)動機；凸輪型線；仿真

0　引言

當前內(nèi)燃機發(fā)展迅速，其性能指標也被要求一再提高，即動力性更強勁、更經(jīng)濟節(jié)油。這就對發(fā)動機配氣機構(gòu)提出了更高的要求，而配氣凸輪型線是配氣機構(gòu)的核心部分，是影響發(fā)動機充氣效率、泵氣損失以及內(nèi)EGR率的重要因素。因此，選擇合理的凸輪型線對于發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性性能有著重要作用[1-3]。

利用CAE仿真方法可對凸輪型線進行優(yōu)化，并準確預測發(fā)動機性能、挖掘其最大潛力，從而根據(jù)自身需求對方案進行選擇，降低后期試驗開發(fā)周期和工作量。

1　阿特金森循環(huán)

文中的研究對象是由常規(guī)發(fā)動機做變型改動設(shè)計而來的阿特金森循環(huán)發(fā)動機。相比常規(guī)發(fā)動機，阿特金森循環(huán)具有進氣門開啟持續(xù)期較長的特點。在吸氣沖程末期、壓縮沖程初期，活塞運動到下止點向上某一位置處，進氣門才關(guān)閉；晚關(guān)進氣門將導致氣缸內(nèi)氣體回流，相當于減少了一部分油氣混合物；在相同工況下，空燃比一定時，進氣量減少，燃油量也相應減少。因此，阿特金森循環(huán)發(fā)動機的各項設(shè)計指標也應適當降低，即合理犧牲部分動力性以滿足開發(fā)目標要求、突出經(jīng)濟性上的貢獻。相關(guān)pV變化可見圖1，該圖為阿特金森循環(huán)發(fā)動機與常規(guī)發(fā)動機pV對比圖，圖中1-2-3-4為傳統(tǒng)發(fā)動機奧托循環(huán)，6-2-3-5為阿特金森循環(huán)，陰影部分可理解為阿特金森循環(huán)額外的活塞行程及其利用的能量。

2　仿真模型標定

在進行CAE仿真優(yōu)化設(shè)計之前，須確保仿真模型本身的準確性，保證該模型能夠滿足工程應用要求。對于熱力學仿真分析而言，汽油機分析模型的計算結(jié)果與試驗結(jié)果差值在4%、關(guān)鍵工況點(額定轉(zhuǎn)速、最大扭矩轉(zhuǎn)速、最小轉(zhuǎn)速)在2%以內(nèi)是合格的。

圖2為發(fā)動機性能仿真模型標定結(jié)果。其中，黑色曲線為試驗測量值，綠色曲線為模型標定計算值。比較試驗和計算的BMEP、功率、比油耗和扭矩等，差值均在4%以內(nèi)，表明該模型標定準確，能夠滿足工程應用要求。

3　凸輪型線優(yōu)化

結(jié)合阿特金森循環(huán)特點，即進氣門晚關(guān)、延長進氣持續(xù)期，保留原排氣門凸輪型線方案，運用DOE(多目標優(yōu)化)軟件對進氣門凸輪型線進行優(yōu)化，優(yōu)化原則是動力性達到設(shè)計要求、經(jīng)濟性盡可能降低。

優(yōu)化結(jié)果如下：方案一,鎖止進氣門開啟角，延遲關(guān)閉角(角度為凸輪在某一時刻所對應的曲軸轉(zhuǎn)角)20°；方案二,鎖止進氣門開啟角，延遲關(guān)閉角30°，具體可見表1。圖3為氣門升程方案,縱坐標為氣門升程(單位mm)、橫坐標為氣門升程各時刻對應的曲軸轉(zhuǎn)角(單位deg·CRA)(紅色曲線為排氣門氣門升程、藍色實線為原氣門升程方案、兩條藍色虛線分別為方案一和方案二)。

表1　進氣凸輪優(yōu)化方案

4　計算結(jié)果

4.1外特性工況比較

兩套方案與原方案性能對比結(jié)果見圖4。不難發(fā)現(xiàn):方案一外特性動力性與經(jīng)濟性均達標，方案二外特性低轉(zhuǎn)速動力性不達標，因此從外特性工況上考慮應選用方案一；同時兩方案在中高轉(zhuǎn)速下經(jīng)濟性改善較為顯著。

4.2部分負荷工況比較

因部分負荷工況非常復雜，文中重點選取工況(2 000 r/min)/0.2 MPa和(2 000 r/min)/1.5 MPa做對比分析。工況點選取依據(jù)：(2 000 r/min)/0.2 MPa為低速低負荷的城市道路工況；(2 000 r/min)/1.5 MPa為比油耗最小值時的工況。

比較(2 000 r/min)/0.2 MPa兩工況不難發(fā)現(xiàn)：殘余廢氣系數(shù)為20%時，方案二比油耗較方案一降低約1.5%；殘余廢氣系數(shù)為30%時，方案二比油耗較方案一降低約1.9%。方案一在殘余廢氣系數(shù)20%的工況時比在30%工況是比油耗降低約2.6%，而方案二降低約2.9%，如圖5所示。

同樣比較(2 000 r/min)/1.5 MPa兩工況：高負荷時，殘余廢氣系數(shù)對比油耗影響較小，兩種方案比油耗水平相當，如圖6所示。

結(jié)果表明:在低速低負荷工況下，方案二較方案一經(jīng)濟性更好，且兩方案受缸內(nèi)不同殘余廢氣系數(shù)的影響程度非常接近。

5　結(jié)論

運用CAE仿真分析方法對阿特金森循環(huán)發(fā)動機的凸輪軸型線設(shè)計提出了兩種方案，分析結(jié)論如下：

(1)外特性工況時，方案一動力性和經(jīng)濟性指標均達到設(shè)計要求，方案二低轉(zhuǎn)速工況動力性不滿足設(shè)計要求，且增壓器匹配效果不及方案一。

(2)低速低負荷工況時，進氣門延遲關(guān)閉時刻和增加開啟持續(xù)期將會使發(fā)動機經(jīng)濟性更好，且受缸內(nèi)不同殘余廢氣系數(shù)的影響非常小。

(3)運用CAE仿真軟件分析凸輪軸型線方案，比較各方案在外特性工況、部分負荷工況等方面的影響，預測各方案的動力性和經(jīng)濟性，給出凸輪軸建議選取方案，對減少試驗開發(fā)周期和工作量具有一定的指導作用。

【1】劉惟信.機械最優(yōu)化設(shè)計[M]．2版.北京：清華大學出版社，1994:39-226，280-287．

【2】肖合林，李小毅.氣油機凸輪型線的計算機優(yōu)化設(shè)計[J]．內(nèi)燃機,2004，20(3)：5-6，20．

【3】張桂昌．柴油機配氣機構(gòu)動力學分析及凸輪型線優(yōu)化設(shè)計[D]．天津:天津大學,2009．

【4】趙琦,鄂衛(wèi)波，楊新宇．低溫對發(fā)動機啟動的影響[J].柴油機,2003,34(2):34-35.

Simulation Research on Engine Cam Profile Optimization

WEN Weizhou

(Tianjin Synchrotron Power Technology Co., Ltd., Tianjin 301600,China)

In order to develop gasoline engine, the design of cam was researched. Using AVL-Boost software, the external characteristic condition performance and sect1ial load condition performance of the gasoline engine were analyzed under two camshaft profile schemes. The power performance and fuel economy were predicted. Appropriate cam case was suggested. It is of great significance for reducing developing cycle and workload.

Engine; Cam profile; Simulation

2015-05-25

問偉舟，男，本科，主要研究方向為發(fā)動機仿真。E-mail：wwz132@163.com。