米勒循環配氣機構建模及動力學分析

唐 競，陳諭潼，許恩永＊，王 庚，楊 銳

（1.東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005；2.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

為了提高發動機性能，米勒循環發動機在近些年來開始受到行業的關注。這是由于米勒循環在傳統發動機上的運用能夠在一定程度上提高了發動機的熱效率和燃油經濟性[1]。作為發動機必不可少的配氣機構，其在米勒循環發動機中必將起著重要作用。

發動機想要擁有良好的輸出動力，就必須擁有最佳的充氣效率，這就要求發動機配氣機構的設計合理性[2]。因此，配氣機構應具有良好的動態特性，即零件能夠平穩運行、噪聲小、輕磨損、振動低等，以滿足配氣機構壽命和可靠性要求[3]。

對于米勒循環的應用，GOTTSCHALK 等[4-6]對一臺小型增壓直噴汽油機采用EIVC 米勒循環，結果表明，米勒循環對發動機的排氣溫度和燃油經濟性均具有良好的改善。徐玉梁等[7-8]在一臺2.0 L 的發動機上應用米勒循環技術，對LIVC 控制策略進行實驗，結果表明，其燃油消耗率提高10.4 g/（kW·h）。由此可見，米勒循環的應用能夠在一定程度上提高發動機的動力性能[9]。

1 建立米勒循環單閥系模型

本研究對象是雙頂置凸輪軸式的汽油機上米勒循環的應用，并根據具體的實驗設備建立其對應的動力學模型，并對其動力學性能展開分析。

1.1 單閥系動力學模型建立

配氣機構是由多個單閥系按一定次序組成的，在保證米勒循環單閥系模型運行正確后，才可對米勒循環配氣機構進行動力學分析。米勒循環單閥系動力學模型，主要結構包括凸輪、平面挺柱、氣閥桿、氣閥面、氣門彈簧等，并加入了旋轉激勵模擬凸輪軸轉動，如圖1 所示。

圖1 單閥系動力學模型

1.2 單閥系參數設置

動力學模型需要考慮重要零部件的剛度，分別包括氣閥桿、氣閥面等。運用UG NX 軟件分別對各零部件進行建模，并在ANSYS 中進行有限元剛度分析。圖2 和圖3 分別為各零部件在100 N 作用力下的變形位移云圖，用力除以位移即可得到相關的零部件剛度，分別為1.38×105N/mm、1.34×105N/mm。

圖2 氣閥桿位移云圖

圖3 氣閥面位移云圖

1.3 米勒循環單閥系動力學分析

本研究主要是對進氣門早關36°曲軸轉角的米勒循環配氣機構進行動力學分析，以下是對米勒循環單閥系的動力學分析。

1.3.1 動力學升程、速度、加速度曲線

單閥系進、排氣門速度、加速度、升程曲線如圖4和圖5 所示。從曲線圖可以看出，進、排氣門的氣門升程光滑、無突變，說明無氣門反跳。落座速度均小于0.5 m/s2，在運行的允許范圍內。從進、排氣門的加速度曲線可以看出，進氣門在開啟、關閉階段均存在一定的波動，且進氣門加速度的波動比排氣門的波動大，這是受到各自的氣門升程曲線的影響。

圖4 單閥系進氣門速度、加速度、升程曲線

圖5 單閥系排氣門速度、加速、升程曲線

1.3.2 凸輪與挺柱接觸應力曲線

圖6、圖7 分別是單閥系進、排氣凸輪與挺柱間的接觸力曲線，從曲線中可以看出，兩個氣門的接觸力平穩，在凸輪工作段中接觸力沒有突變為0 的情況，說明進、排氣門的挺柱和凸輪均沒有出現飛脫現象。

圖6 原單閥系進氣門凸輪與挺柱接觸力

圖7 原單閥系排氣門凸輪與挺柱接觸力

2 米勒循環配氣機構動力學仿真分析

將米勒循環的凸輪型線導入動力學模型中進行仿真計算。

2.1 動力學升程、速度、加速度曲線

米勒循環配氣機構的進氣門升程曲線如圖8 所示。根據仿真結果，進、排氣門的升程曲線均平順光滑，沒有突起或突變，因此各氣門在開啟和關閉時均平穩良好，不存在氣門反跳的現象發生。進、排氣門的速度均未出現劇烈波動，但是在氣門落座時均存在微小波動。其中，進氣門的落座速度為214.868 mm/s，排氣門的落座速度為208.197 mm/s，均小于1000 mm/s，即各氣門的最大落座速度均滿足小于汽油機最大落座速度的推薦值，說明各氣門的運行平穩，不會產生較大沖擊和磨損。進、排氣門的加速度曲線都在開啟階段有著一定的波動，這是由于凸輪軸的扭曲變形影響產生的。

圖8 進氣門升程曲線

2.2 凸輪與挺柱接觸應力曲線

圖9 為進氣凸輪與挺柱的接觸應力曲線，進氣凸輪在工作段中接觸應力曲線未出現突變為0 的情況，即進氣凸輪不存在飛脫現象。進氣凸輪與挺柱的最大接觸應力為776.534 MPa，小于材料的最大許用應力950 MPa。

圖9 進氣凸輪接觸應力

3 結論

對米勒循環配氣機構的動力學研究可得到如下：

（1）進、排氣門落座后均無反跳，保證發動機的充氣效率。氣門落座平穩，不會產生極大的沖擊和噪聲；

（2）該米勒循環配氣機構的凸輪與挺柱不存在飛脫的情況發生，且接觸應力均小于許用限制，保證了凸輪與挺柱的使用壽命。

（3）氣門彈簧均未出現并圈現象，氣門彈簧工作平穩，能夠有效降低氣門彈簧的疲勞破壞。