某發動機凸輪型線優化仿真研究

問偉舟

(天津同步動力科技有限公司，天津 301600)

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某發動機凸輪型線優化仿真研究

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開展凸輪軸型線的設計研究，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濟性，給出凸輪軸建議選取方案，對減少試驗開發周期和工作量具有重要作用。

發動機；凸輪型線；仿真

0　引言

當前內燃機發展迅速，其性能指標也被要求一再提高，即動力性更強勁、更經濟節油。這就對發動機配氣機構提出了更高的要求，而配氣凸輪型線是配氣機構的核心部分，是影響發動機充氣效率、泵氣損失以及內EGR率的重要因素。因此，選擇合理的凸輪型線對于發動機動力性和經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化，并準確預測發動機性能、挖掘其最大潛力，從而根據自身需求對方案進行選擇，降低后期試驗開發周期和工作量。

1　阿特金森循環

文中的研究對象是由常規發動機做變型改動設計而來的阿特金森循環發動機。相比常規發動機，阿特金森循環具有進氣門開啟持續期較長的特點。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，進氣門才關閉；晚關進氣門將導致氣缸內氣體回流，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，阿特金森循環發動機的各項設計指標也應適當降低，即合理犧牲部分動力性以滿足開發目標要求、突出經濟性上的貢獻。相關pV變化可見圖1，該圖為阿特金森循環發動機與常規發動機pV對比圖，圖中1-2-3-4為傳統發動機奧托循環，6-2-3-5為阿特金森循環，陰影部分可理解為阿特金森循環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仿真優化設計之前，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果與試驗結果差值在4%、關鍵工況點(額定轉速、最大扭矩轉速、最小轉速)在2%以內是合格的。

圖2為發動機性能仿真模型標定結果。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，表明該模型標定準確，能夠滿足工程應用要求。

3　凸輪型線優化

結合阿特金森循環特點，即進氣門晚關、延長進氣持續期，保留原排氣門凸輪型線方案，運用DOE(多目標優化)軟件對進氣門凸輪型線進行優化，優化原則是動力性達到設計要求、經濟性盡可能降低。

優化結果如下：方案一,鎖止進氣門開啟角，延遲關閉角(角度為凸輪在某一時刻所對應的曲軸轉角)20°；方案二,鎖止進氣門開啟角，延遲關閉角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　進氣凸輪優化方案

4　計算結果

4.1外特性工況比較

兩套方案與原方案性能對比結果見圖4。不難發現:方案一外特性動力性與經濟性均達標，方案二外特性低轉速動力性不達標，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速下經濟性改善較為顯著。

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：(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兩工況不難發現：殘余廢氣系數為20%時，方案二比油耗較方案一降低約1.5%；殘余廢氣系數為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。

結果表明:在低速低負荷工況下，方案二較方案一經濟性更好，且兩方案受缸內不同殘余廢氣系數的影響程度非常接近。

5　結論

運用CAE仿真分析方法對阿特金森循環發動機的凸輪軸型線設計提出了兩種方案，分析結論如下：

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

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

(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濟性，給出凸輪軸建議選取方案，對減少試驗開發周期和工作量具有一定的指導作用。

【1】劉惟信.機械最優化設計[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化設計[J]．內燃機,2004，20(3)：5-6，20．

【3】張桂昌．柴油機配氣機構動力學分析及凸輪型線優化設計[D]．天津:天津大學,2009．

【4】趙琦,鄂衛波，楊新宇．低溫對發動機啟動的影響[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，主要研究方向為發動機仿真。E-mail：wwz132@163.com。