基于Boost仿真的某汽油機(jī)凸輪型線優(yōu)化

常耀紅，季明微，邢國雨，鐘磊

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基于Boost仿真的某汽油機(jī)凸輪型線優(yōu)化

常耀紅，季明微，邢國雨，鐘磊

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對(duì)某款汽油機(jī)進(jìn)行性能提升和低端動(dòng)力性潛力發(fā)掘，開展凸輪軸型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究；運(yùn)用CAE仿真軟件優(yōu)化凸輪軸型線，比較各方案對(duì)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等方面的影響，預(yù)測各方案的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，給出凸輪軸建議方案，對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和減少試驗(yàn)開發(fā)周期及工作量具有重要指導(dǎo)作用。

汽油機(jī)；凸輪型線；仿真

引言

近幾年內(nèi)燃機(jī)水平高速發(fā)展，在性能指標(biāo)上追求更強(qiáng)勁的動(dòng)力性和更實(shí)惠的經(jīng)濟(jì)性。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)中，如何進(jìn)一步提高性能一直是熱門研究課題。發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的核心組成部分包括凸輪、氣門、閥系運(yùn)動(dòng)件等，其中凸輪軸是驅(qū)動(dòng)氣門工作的動(dòng)力件，其直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率、泵氣損失以及內(nèi)EGR率。因此，選擇合理的凸輪型線對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性性能有著極為重要的作用[1-3]。

運(yùn)用CAE仿真分析方法設(shè)計(jì)開發(fā)凸輪方案，發(fā)掘發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的潛力，降低后期試驗(yàn)開發(fā)周期和工作量，是可實(shí)現(xiàn)且可信的。本文依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化方向?qū)ν馆喰途€進(jìn)行設(shè)計(jì)，并給出優(yōu)化方案。

1 仿真模型標(biāo)定

仿真預(yù)測的基礎(chǔ)是仿真模型的準(zhǔn)確度和真實(shí)物理狀態(tài)還原度。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真而言，模型仿真數(shù)值與臺(tái)架測試數(shù)據(jù)差值應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)（4%以內(nèi)），而某些精準(zhǔn)度較高的模型各項(xiàng)參數(shù)均控制在2%以內(nèi)。因此，仿真模型的標(biāo)定是非常必要且及其重要的[4]。

圖1所示為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、功率、比油耗曲線。紅色曲線為仿真數(shù)據(jù)、綠色曲線為試驗(yàn)測試值，兩者趨勢及曲線波峰波谷基本一致。數(shù)值上差值小于4%，因此判定該模型標(biāo)定準(zhǔn)確，能可用于后期性能預(yù)測和多個(gè)方案對(duì)比分析。

2 凸輪型線優(yōu)化

本文凸輪優(yōu)化目標(biāo)是以提高低端動(dòng)力性為主，同時(shí)盡可能降低油耗。利用軟件對(duì)凸輪型線參數(shù)進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，具體方案如下進(jìn)氣門關(guān)閉側(cè)縮小10°、開啟側(cè)保持不變，排氣門開啟側(cè)增加10°、關(guān)閉側(cè)保持不變。

圖1 仿真模型標(biāo)定結(jié)果

圖2 凸輪優(yōu)化方案

3 計(jì)算結(jié)果

優(yōu)化方案與原方案性能對(duì)比結(jié)果見圖3（紅色曲線為原方案發(fā)動(dòng)機(jī)性能、綠色曲線為凸輪優(yōu)化方案發(fā)動(dòng)機(jī)性能）。從結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后凸輪軸方案發(fā)動(dòng)機(jī)性能在中低轉(zhuǎn)速下動(dòng)力性改善較為顯著。其中，轉(zhuǎn)速1000rpm工況，優(yōu)化方案較原方案扭矩提高約19N.m，提升比例約8%。

從仿真結(jié)果來看，優(yōu)化后的凸輪型線能夠滿足提升低端性能動(dòng)力性的設(shè)計(jì)開發(fā)目標(biāo)。

圖3 不同凸輪型線發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論

（1）針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低端性能提升的目標(biāo)，通過運(yùn)用CAE仿真分析方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸型線優(yōu)化，達(dá)到設(shè)計(jì)開發(fā)預(yù)期目標(biāo)。

（2）優(yōu)化后的凸輪型線雖然滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升需求，但凸輪軸變化可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)閥系運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)發(fā)生改變，需要進(jìn)一步校核該凸輪軸方案是否能夠滿足工程應(yīng)用。

（3）優(yōu)化方案雖然帶來了中低轉(zhuǎn)速動(dòng)力性提升，但是同時(shí)增加了整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)域的油耗。

（4）本文仿真預(yù)測了發(fā)動(dòng)機(jī)不同凸輪軸方案動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，給出凸輪軸建議方案，對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和減少試驗(yàn)開發(fā)周期及工作量具有重要指導(dǎo)作用。

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

[2] 肖合林,李小毅[J]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(dòng)力學(xué)分析及凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].天津大學(xué).2009.

[4] 趙琦等.低溫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響[J].柴油機(jī). 2003.34(2).

Based on BOOST cam engine optimization simulation

Chang Yaohong, Ji Mingwei, Xing Guoyu, Zhong Lei

( Anhui Jiang huai Automobile group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

In order to investigation gasoline engine with Atkinson Cycle, this paper develops the design of cam, Using AVL- Boost software to build thermodynamic analysis model, predicts and contrast the effection of all cases on WOT, part load，Start behavior and turbocharger matching, then suggests the appropriate cam case.

Gasoline engine; cam profile; simulation

B

1671-7988(2018)24-41-02

U464.171

B

1671-7988(2018)24-41-02

U464.171

常耀紅（1983-），男，就職于安徽江淮汽車技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.013