基于MATLAB的柴油機(jī)凸輪型線擬合優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

楊建坤

（中海油能源發(fā)展油田建設(shè)工程分公司，天津300452）

1 引 言

凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中非常重要的零件，而凸輪型線對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有很大的影響，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能是否優(yōu)越，排放性能是否完好，工作是否可靠，以及其振動(dòng)、噪聲條件是否能控制在較低的限度，常常與其配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理有密切的關(guān)系。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體布置結(jié)構(gòu)、目標(biāo)參數(shù)和綜合限定條件確定后，配氣機(jī)構(gòu)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已在很大程度上受到了邊界條件的制約，配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)相應(yīng)地轉(zhuǎn)移到凸輪型線的設(shè)計(jì)上來。筆者利用MATLAB 軟件，通過編寫相應(yīng)程序?qū)M(jìn)口柴油機(jī)的凸輪型線進(jìn)行擬合的方法，為發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪型線的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供了高效、低成本開發(fā)的有利條件。

2 配氣凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法

利用一種高次方凸輪基本段的擬合方法，在利用三次插值樣條函數(shù)以及回彈法等的基礎(chǔ)上，對(duì)完成了的經(jīng)光順的挺柱升程表利用高次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)原型發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣門挺柱升程表，利用MATLAB 軟件，通過編寫程序來對(duì)這些離散的數(shù)值進(jìn)行擬合，擬合完成后找出原型機(jī)挺柱升程所滿足的數(shù)值規(guī)律，隨后在此基礎(chǔ)上對(duì)原型機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 配氣凸輪型線優(yōu)化前后的動(dòng)力學(xué)分析

某進(jìn)口柴油發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)采用下置凸輪軸式2 氣門機(jī)構(gòu)，為了改變?cè)蜋C(jī)HC 和NOx 排放過高的現(xiàn)象，對(duì)原型機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)比如表1 所示。

通過MATLAB 軟件編寫了相應(yīng)的程序，對(duì)原型發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱升程值和所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行了擬合，并對(duì)優(yōu)化后和優(yōu)化前發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門挺柱升程、速度、加速度所對(duì)應(yīng)的凸輪軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行了對(duì)比分析，優(yōu)化前后的進(jìn)排氣門挺柱升程與凸輪軸轉(zhuǎn)角關(guān)系，對(duì)比結(jié)果見圖1，優(yōu)化前后進(jìn)排氣挺柱速度與凸輪軸轉(zhuǎn)角關(guān)系對(duì)比結(jié)果見圖2，優(yōu)化前后進(jìn)排氣挺柱加速度與凸輪軸轉(zhuǎn)角關(guān)系對(duì)比結(jié)果見圖3。

表1 優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)比表

圖1 優(yōu)化前、后進(jìn)排氣挺柱升程與凸輪軸轉(zhuǎn)角關(guān)系對(duì)比圖

圖2 優(yōu)化前、后進(jìn)氣挺柱速度與凸輪軸轉(zhuǎn)角關(guān)系對(duì)比圖

圖3 優(yōu)化前、后進(jìn)氣挺柱加速度與凸輪軸轉(zhuǎn)角關(guān)系對(duì)比圖

4 結(jié) 論

筆者利用MATLAB 語言編制了發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪擬合及優(yōu)化設(shè)計(jì)的相應(yīng)程序，通過這個(gè)程序不僅可以對(duì)曲線進(jìn)行擬合，而且能夠?qū)ζ溥M(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得出了升程、速度和加速度曲線，用圖形顯示了改變前后的升程、速度和加速度的變化情況。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的對(duì)比分析，我們知道優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)的最大速度和最大加速度與原型機(jī)相比較沒有改變，這就使得優(yōu)化后的配氣機(jī)構(gòu)能夠與原型機(jī)的其他系統(tǒng)相匹配，較好地反應(yīng)了優(yōu)化后配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性，這為今后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及制造提供了重要的理論依據(jù)。

［1］ 尚漢冀，內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)－設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1988.

［2］ 浦耿強(qiáng)，蔣國英，白羽.高速發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)凸輪設(shè)計(jì)［J］.汽車科技，1998，145（4）：1-2.

［3］ 洪家娣，洪振邦.高速凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.華東交大學(xué)報(bào)，1993（3）：31-32.