微型汽車發動機凸輪型線仿真優化設計及應用研究

藍志寶 楊連波 張光亞 李榮富

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

1 前言

由于微型汽車客戶群的特殊性，決定了其發動機的最常用轉速范圍是在中低速，因此開發微型汽車發動機需重點關注該速度區域的性能。配氣機構直接影響到氣缸充量，而凸輪的輪廓形狀又決定了配氣機構設計的優劣，良好的凸輪型線要求其既能使汽油機具有良好的充氣性能又能保證配氣機構平穩、可靠地工作[1]。凸輪型線的選擇是比較困難的事情，以前需要做大量的試驗來選型，這樣既費時費力又增加成本。運用CAE方法，可以方便地找出最優的凸輪型線范圍，減少了試驗次數，同時降低了開發周期和成本[2]。

2 凸輪型線對發動機性能的影響

凸輪型線影響發動機性能主要有兩個方面，一是氣門開啟和關閉的時刻，包括固定氣門正時和可變氣門正時；二是凸輪的升程和工作包角等形狀參數[3]。發動機在高速運行時，由于氣流流速大，這時就需要較長的氣門開啟時間來充分利用氣流慣性；而在低速時氣流慣性小，長時間的氣門開啟反而會由于活塞的上行使部分新鮮氣體被擠出氣缸，產生回流[4，5]。由圖1可知，轉速為1000 r/min在氣門關閉時有明顯的回流，而轉速為6000 r/min時回流很小。

3 凸輪型線模擬選型

模擬優化設計凸輪型線是性能模擬和動力學模擬交互循環的過程，其流程如圖2所示。

3.1 建立基礎模擬模型

應用AVL-BOOST軟件建立發動機原型機的整機性能模型（圖3），其包括進氣系統、進氣歧管、氣缸、排氣歧管和排氣系統的環境參數、管路尺寸、壁溫、升程和流量系數、燃燒參數等數據。應用Excite-TD軟件建立單閥系動力學模型 （圖4），并設置10個單元的質量、剛度、阻尼等參數進行模擬計算。

根據試驗結果調整相應參數使模擬結果與試驗結果的差別在允許誤差范圍以內，即扭矩、功率、油耗等一般的性能參數要求在5%誤差范圍以內，重要的性能參數如充氣效率要在2%誤差范圍以內。如圖5所示，扭矩和充氣效率的模擬和試驗誤差都在允許范圍以內，該發動機整機性能模型可以作為優化分析的基礎模型。

良好的動力學和運動學性能可以保證配氣機構穩定持續地工作，因此閥系在運行過程中必須滿足動力學和運動學的評價標準，見表1所列。

閥系運動學和動力學的模擬分析結果如圖6和表2所示。從圖6和表2中可以看出，各項參數結果都在動力學和運動學的評價標準允許范圍以內。

表1 閥系動力學和運動學評價標準

表2 運動學模擬結果

3.2 凸輪型線選型

本次選型只考慮縮減進氣凸輪型線的工作包角，分別在原型線基礎上縮減4%、6%和8%，并與原型線相互組合，共產生3條對稱型線和6條不對稱型線。低速性能的提高必然導致高速性能的下降，因此平衡高速和低速的性能，最終選擇其中6條型線進行動力學評價及優化。選擇的凸輪型線及扭矩性能結果如圖7所示。

3.3 動力學優化

根據表1的標準評價這6條型線的運動學及單閥系動力學，并優化使其滿足評價標準。優化方法采用ISAC方法（氣門分段加速度函數）。ISAC可用任意函數自由搭配，如多項式、正余弦、線性連接、圓弧連接等函數，其中多項式和正弦函數可以非常方便地定義正加速度段，正弦函數和正弦函數連接適合桃尖處的接合，圓弧函數能保證加速度曲線連續過渡[6，7]。表3為優化其中一條型線時采用ISAC方法的開啟側函數搭配。

表3 開啟側函數搭配

從表4可以看出，所有的模擬結果都滿足表1所列的運動學和動力學標準。豐滿度較大雖對充氣性能有利，但過大的豐滿度會使機構的可靠性和穩定性變差。

表4 優化后的運動學及動力學結果

3.4 性能模擬對比

將滿足運動學及動力學評價標準的6條型線進行整機性能模擬分析，發現優化型線后的發動機扭矩性能不如未優化型線的發動機扭矩性能，這是因為雖然凸輪工作包角的減小提高了發動機的低速性能，但為了滿足運動學和動力學的要求減小了型線的豐滿度，從而發動機性能隨之降低。型線1的豐滿度最大，模擬結果也顯示型線1的高速和低速性能最平衡，但考慮到試驗與模擬的差異性，選擇如圖8中3條型線進行試驗選型。

4 試驗驗證

試驗選型時，可變進氣歧管選型和凸輪型線選型同時進行，因此試驗結果與模擬結果在某些轉速相差較大，但趨勢相同。對比試驗結果（圖9），平衡高速和低速的性能，認為型線1的性能最好。

5 結束語

分別運用性能模擬方法和動力學分析方法選出最優的凸輪型線，考慮到試驗與模擬的差異性，最終選擇3條型線進行試驗選型。試驗結果表明，模擬所選擇的最優凸輪型線能夠明顯提高發動機中低速性能，達到了目標要求，驗證了模擬選型的準確性和可靠性。裝有最優型線的發動機已經應用于現有車型，動力提高顯著。

1 吳兆漢，汪長民，林桐藩，方球.內燃機設計，北京，北京理工大學出版社，1990.

2 喬軍，李國祥.WD618.42柴油機配氣凸輪型線的改進設計，內燃機工程，2006，27（5）：50～53.

3 曹曉輝，姜樹李，郭晨海，呂杏梅.內燃機配氣機構的動力學虛擬仿真研究.內燃機工程，2009，30（2）：65～68.

4 付廣琦，康秀玲，等.高速柴油機頂置式凸輪配氣機構的動力學計算.內燃機學報，2000，18（2）：113～116.

5 楊靖，馮仁華，鄧幫林，樊明明.汽油機凸輪型線改進設計.湖南大學學報，2009，36（11）：21～26.

6 劉剛，周校平，管斌，王真，黃震.配氣機構凸輪-挺柱接觸應力的數值模擬.車用發動機，2009（1）：12～15.

7 呂林，王勇波.車用發動機配氣機構運動學和動力學分析.武漢理工大學學報，2006，30（6）：1011～1014.