某發(fā)動機(jī)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)

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某發(fā)動機(jī)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(jī)的開發(fā)開展凸輪軸型線的設(shè)計(jì)研究，運(yùn)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(fù)荷工況等的性能，預(yù)測各方案的動力性和經(jīng)濟(jì)性，給出凸輪軸建議選取方案，對減少試驗(yàn)開發(fā)周期和工作量具有重要作用。

發(fā)動機(jī)；凸輪型線；仿真

0　引言

當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)發(fā)展迅速，其性能指標(biāo)也被要求一再提高，即動力性更強(qiáng)勁、更經(jīng)濟(jì)節(jié)油。這就對發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)提出了更高的要求，而配氣凸輪型線是配氣機(jī)構(gòu)的核心部分，是影響發(fā)動機(jī)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(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)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(jìn)行優(yōu)化，并準(zhǔn)確預(yù)測發(fā)動機(jī)性能、挖掘其最大潛力，從而根據(jù)自身需求對方案進(jìn)行選擇，降低后期試驗(yàn)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(jī)做變型改動設(shè)計(jì)而來的阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)。相比常規(guī)發(fā)動機(jī)，阿特金森循環(huán)具有進(jìn)氣門開啟持續(xù)期較長的特點(diǎn)。在吸氣沖程末期、壓縮沖程初期，活塞運(yùn)動到下止點(diǎn)向上某一位置處，進(jìn)氣門才關(guān)閉；晚關(guān)進(jìn)氣門將導(dǎo)致氣缸內(nèi)氣體回流，相當(dāng)于減少了一部分油氣混合物；在相同工況下，空燃比一定時(shí)，進(jìn)氣量減少，燃油量也相應(yīng)減少。因此，阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)也應(yīng)適當(dāng)降低，即合理犧牲部分動力性以滿足開發(fā)目標(biāo)要求、突出經(jīng)濟(jì)性上的貢獻(xiàn)。相關(guān)pV變化可見圖1，該圖為阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)與常規(guī)發(fā)動機(jī)pV對比圖，圖中1-2-3-4為傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)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(biāo)定

在進(jìn)行CAE仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，須確保仿真模型本身的準(zhǔn)確性，保證該模型能夠滿足工程應(yīng)用要求。對于熱力學(xué)仿真分析而言，汽油機(jī)分析模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差值在4%、關(guān)鍵工況點(diǎn)(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(jī)性能仿真模型標(biāo)定結(jié)果。其中，黑色曲線為試驗(yàn)測量值，綠色曲線為模型標(biāo)定計(jì)算值。比較試驗(yàn)和計(jì)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(biāo)定準(zhǔn)確，能夠滿足工程應(yīng)用要求。

3　凸輪型線優(yōu)化

結(jié)合阿特金森循環(huán)特點(diǎn)，即進(jìn)氣門晚關(guān)、延長進(jìn)氣持續(xù)期，保留原排氣門凸輪型線方案，運(yùn)用DOE(多目標(biāo)優(yōu)化)軟件對進(jìn)氣門凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化原則是動力性達(dá)到設(shè)計(jì)要求、經(jīng)濟(jì)性盡可能降低。

優(yōu)化結(jié)果如下：方案一,鎖止進(jìn)氣門開啟角，延遲關(guān)閉角(角度為凸輪在某一時(shí)刻所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)20°；方案二,鎖止進(jìn)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(biāo)為氣門升程(單位mm)、橫坐標(biāo)為氣門升程各時(shí)刻對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(單位deg·CRA)(紅色曲線為排氣門氣門升程、藍(lán)色實(shí)線為原氣門升程方案、兩條藍(lán)色虛線分別為方案一和方案二)。

表1　進(jìn)氣凸輪優(yōu)化方案

4　計(jì)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(jì)性均達(dá)標(biāo)，方案二外特性低轉(zhuǎn)速動力性不達(dá)標(biāo)，因此從外特性工況上考慮應(yīng)選用方案一；同時(shí)兩方案在中高轉(zhuǎn)速下經(jīng)濟(jì)性改善較為顯著。

4.2部分負(fù)荷工況比較

因部分負(fù)荷工況非常復(fù)雜，文中重點(diǎn)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(diǎn)選取依據(jù)：(2 000 r/min)/0.2 MPa為低速低負(fù)荷的城市道路工況；(2 000 r/min)/1.5 MPa為比油耗最小值時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(fù)荷時(shí)，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(dāng)，如圖6所示。

結(jié)果表明:在低速低負(fù)荷工況下，方案二較方案一經(jīng)濟(jì)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(yùn)用CAE仿真分析方法對阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)的凸輪軸型線設(shè)計(jì)提出了兩種方案，分析結(jié)論如下：

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

(2)低速低負(fù)荷工況時(shí)，進(jìn)氣門延遲關(guān)閉時(shí)刻和增加開啟持續(xù)期將會使發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(fù)荷工況等方面的影響，預(yù)測各方案的動力性和經(jīng)濟(jì)性，給出凸輪軸建議選取方案，對減少試驗(yàn)開發(fā)周期和工作量具有一定的指導(dǎo)作用。

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

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

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

【4】趙琦,鄂衛(wèi)波，楊新宇．低溫對發(fā)動機(jī)啟動的影響[J].柴油機(jī),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?yàn)榘l(fā)動機(jī)仿真。E-mail：wwz132@163.com。