變沖程機(jī)用軸移式配氣系統(tǒng)及切換特性研究

陳 麗 萍,崔 靖 晨

(大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院， 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

2/4沖程內(nèi)燃機(jī)(ICE)兼具傳統(tǒng)二沖程以及四沖程工作模式的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)轉(zhuǎn)速以及扭矩需求自動(dòng)選擇最佳的做功頻率[1]．研究表明，在高扭矩需求下運(yùn)行二沖程模式，在中小負(fù)荷工況下采用四沖程模式可以大幅提升內(nèi)燃機(jī)全工況范圍內(nèi)的性能，降低燃油消耗，減少溫室氣體排放[2]．由于同排量的二沖程汽油機(jī)的升功率比四沖程汽油機(jī)高50%～70%，同時(shí)扭矩高30%～50%[3]，因此在滿足需求的同時(shí)可降低內(nèi)燃機(jī)的排量與體積，此時(shí)運(yùn)行四沖程模式有利于進(jìn)一步降低燃油消耗，減少尾氣排放．此外，海內(nèi)外學(xué)者研究了傳統(tǒng)四沖程內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行二沖程模式下的換氣以及燃燒特性，認(rèn)為采用新型燃燒模式，更改氣門(mén)座結(jié)構(gòu)，使用增壓器等措施有利于改善內(nèi)燃機(jī)性能[4-5]．

由于內(nèi)燃機(jī)在2/4沖程模式下的換氣頻率不同，變沖程技術(shù)的應(yīng)用需要搭配一款合適的可變氣門(mén)系統(tǒng)．然而現(xiàn)有的可變氣門(mén)系統(tǒng)主要面向四沖程內(nèi)燃機(jī)，無(wú)法直接用于變沖程內(nèi)燃機(jī)，因此針對(duì)變沖程內(nèi)燃機(jī)開(kāi)發(fā)一款實(shí)用的可變氣門(mén)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有重要的研究意義．根據(jù)氣門(mén)運(yùn)動(dòng)是否受傳統(tǒng)凸輪型線的影響，現(xiàn)有的可變氣門(mén)系統(tǒng)分為有凸輪式可變氣門(mén)系統(tǒng)和無(wú)凸輪式可變氣門(mén)系統(tǒng)[6]．有凸輪式可變氣門(mén)系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)凸輪結(jié)構(gòu)，具有簡(jiǎn)單、可靠、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)．無(wú)凸輪式可變氣門(mén)系統(tǒng)主要利用電磁、電液或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制氣門(mén)正時(shí)與升程，具有靈活性高、調(diào)節(jié)范圍廣的優(yōu)勢(shì)，然而該類系統(tǒng)相對(duì)較復(fù)雜、響應(yīng)速度較慢，目前還未實(shí)用化[7]．因此，開(kāi)發(fā)一款短期內(nèi)實(shí)用化的配氣系統(tǒng)，有凸輪式可變氣門(mén)系統(tǒng)是最佳選擇．

本文針對(duì)擁有頂置雙凸輪軸式的2/4沖程內(nèi)燃機(jī)，開(kāi)發(fā)一款軸移式配氣系統(tǒng)(ASVS)，該系統(tǒng)有望滿足內(nèi)燃機(jī)在2/4沖程模式下的配氣需求．相對(duì)于不同模式下的氣門(mén)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，切換過(guò)程同樣重要．因此本文結(jié)合模型特點(diǎn)設(shè)計(jì)切換型線，搭建ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真模型，研究不同內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速下的切換響應(yīng)特性．

1 系統(tǒng)模型

1.1 軸移式切換機(jī)構(gòu)

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有有凸輪式可變氣門(mén)系統(tǒng)的研究，本文針對(duì)缸徑為115 mm的內(nèi)燃機(jī)搭建出軸移式變沖程配氣系統(tǒng)，詳見(jiàn)圖1．模型中關(guān)鍵零件的尺寸以及其他重要的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1．

圖1 軸移式變沖程內(nèi)燃機(jī)配氣系統(tǒng)Fig.1 ASVS for the variable stroke ICE

表1 關(guān)鍵零件參數(shù)Tab.1 Parameters of the crucial components

圖1為包含進(jìn)氣凸輪軸10的配氣系統(tǒng)，排氣側(cè)的系統(tǒng)無(wú)明顯區(qū)別于圖示模型．圖示模型中，進(jìn)氣凸輪軸10與進(jìn)氣凸輪軸套1采用花鍵連接，進(jìn)氣凸輪軸10上的定位裝置(復(fù)位彈簧16和鋼球15)與限位塊9(固定于機(jī)體上)共同作用以限制進(jìn)氣凸輪軸10與進(jìn)氣凸輪軸套1的軸向相對(duì)位置．因此隨進(jìn)氣凸輪軸10的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)氣凸輪軸套1同步旋轉(zhuǎn)且無(wú)軸向移動(dòng)．進(jìn)氣凸輪軸套1上有4個(gè)凸輪葉片(2/4沖程各2個(gè))，但只有2個(gè)凸輪葉片與搖臂2上的滾輪11接觸，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)2個(gè)氣門(mén)運(yùn)動(dòng)．圖1所示為二沖程凸輪葉片驅(qū)動(dòng)氣門(mén)，當(dāng)需要切換到四沖程模式時(shí)，限位塊9上的右側(cè)電磁閥8被激勵(lì)并伸出金屬銷14．隨進(jìn)氣凸輪軸10的旋轉(zhuǎn)，金屬銷14與進(jìn)氣凸輪軸套1右側(cè)的切換槽接觸，克服復(fù)位彈簧16與摩擦力的阻力后迫使進(jìn)氣凸輪軸套1沿軸向向右移動(dòng)．當(dāng)限位塊9的另一端面與進(jìn)氣凸輪軸套1接觸，同時(shí)鋼球15從傾斜槽17右側(cè)轉(zhuǎn)入左側(cè)時(shí)，進(jìn)氣凸輪軸套1被固定于新的位置，此時(shí)四沖程凸輪葉片與滾輪11接觸．切換完成時(shí)，金屬銷14將縮回初始狀態(tài)．當(dāng)需要再次切換到二沖程模式時(shí)，左側(cè)電磁閥8被激勵(lì)，進(jìn)氣凸輪軸套1以及其他零件的運(yùn)動(dòng)將按上述過(guò)程原路返回．

由于做功頻率不同，傳統(tǒng)二沖程內(nèi)燃機(jī)與四沖程內(nèi)燃機(jī)的傳動(dòng)比不同．為了避免在切換過(guò)程中改變傳動(dòng)方式，本文修改了二沖程凸輪葉片，即該葉片由傳統(tǒng)的一個(gè)凸起變?yōu)閮蓚€(gè)凸起．此時(shí)，在傳動(dòng)比為2∶1的情況下運(yùn)行二沖程模式，氣門(mén)將在曲軸旋轉(zhuǎn)一圈內(nèi)開(kāi)啟一次．這樣，通過(guò)更改不同的凸輪葉片就可變換不同模式的氣門(mén)運(yùn)動(dòng)曲線．為了避免切換過(guò)程出現(xiàn)不正常的干涉與沖擊，切換過(guò)程需要在4個(gè)凸輪葉片的公共基圓段進(jìn)行．

與凸輪型線決定氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)類似，切換槽空間曲線(簡(jiǎn)稱切換型線)影響切換時(shí)進(jìn)氣凸輪軸套軸向位移的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)．目前的軸移式可變氣門(mén)升程(ASVVL)系統(tǒng)，例如奧迪AVS機(jī)構(gòu)[8]，主要用于四沖程內(nèi)燃機(jī)上．本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有望滿足2/4沖程內(nèi)燃機(jī)的配氣需求，并在以下幾個(gè)方面有別于ASVVL系統(tǒng)．如圖2所示，目前ASVVL 系統(tǒng)采用大小凸輪，小凸輪的凸輪型線完全包含在大凸輪型線內(nèi)，因此公共基圓段取決于大凸輪型線的持續(xù)期，公共基圓段長(zhǎng)；而ASVS中二沖程與四沖程凸輪型線相互交錯(cuò)，公共基圓段受限于二沖程凸輪型線，公共基圓段短．換言之，二沖程凸輪型線的持續(xù)期與切換型線的持續(xù)期相互制約．為追求二沖程模式下更好的換氣性能和氣門(mén)的動(dòng)態(tài)性能而增大二沖程凸輪型線的持續(xù)期將縮短切換持續(xù)期，進(jìn)而影響切換過(guò)程的動(dòng)力學(xué)性能，降低整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和最高允許轉(zhuǎn)速．合理分配氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期以及切換持續(xù)期是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大重點(diǎn)，而ASVVL系統(tǒng)的公共基圓段長(zhǎng)則無(wú)須關(guān)注此點(diǎn)．

(a) ASVVL系統(tǒng)

(b) ASVS

根據(jù)氣門(mén)相位及升程要求，同時(shí)考慮氣門(mén)間隙以及零件彈性變形等，凸輪型線的開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)刻見(jiàn)表2．切換時(shí)刻按2/4沖程凸輪型線的公共基圓段計(jì)算．結(jié)合正時(shí)表可知，切換最早和最晚時(shí)刻曲軸轉(zhuǎn)角分別為716° CA、120° CA，切換最長(zhǎng)持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為124° CA．切換持續(xù)期短暫，而切換距離為凸輪葉片的厚度10 mm，因此設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)性能較好的切換型線具有挑戰(zhàn)性．

表2 正時(shí)表Tab.2 Timing table

分析模型特點(diǎn)有利于設(shè)計(jì)好的切換型線，提高切換性能．當(dāng)ASVS在切換初期，復(fù)位彈簧起阻礙作用，并且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中復(fù)位彈簧逐漸被壓縮，阻礙力逐漸增強(qiáng)．當(dāng)鋼球越過(guò)傾斜槽中間突起時(shí)，復(fù)位彈簧對(duì)進(jìn)氣凸輪軸套的作用力瞬間反向，以較大的復(fù)位彈簧力推動(dòng)進(jìn)氣凸輪軸套完成切換．此時(shí)，進(jìn)氣凸輪軸套易與金屬銷脫離．本文按切換位移是否大于5 mm為準(zhǔn)則，將切換型線分為切換前期與切換后期．鑒于上述易飛脫的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)切換型線時(shí)以降低切換前期接觸力為目標(biāo)，同時(shí)避免進(jìn)氣凸輪軸套與金屬銷反復(fù)接觸和沖擊．

切換型線的前三階導(dǎo)數(shù)連續(xù)可以避免金屬銷與凸輪軸套接觸時(shí)的軟沖擊．由于一階導(dǎo)數(shù)(切換速度)關(guān)系慣性體上的離心力，二階導(dǎo)數(shù)(切換加速度)與慣性力成正比，三階導(dǎo)數(shù)(躍度)與系統(tǒng)的振動(dòng)有密切聯(lián)系，因此上述曲線越穩(wěn)定、峰值越小，切換動(dòng)力學(xué)性能越好，一般要求切換躍度峰值小于1 000 mm/rad3．

綜上所述，本文設(shè)計(jì)切換型線的理念：在保證切換后期三階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的情況下，以降低切換前期的各階導(dǎo)數(shù)峰值為目的，提高切換前期的動(dòng)力學(xué)性能．

1.2 動(dòng)力學(xué)仿真模型

本文利用CREO軟件設(shè)計(jì)并組裝ASVS，通過(guò)ADAMS軟件內(nèi)的ProE接口模塊導(dǎo)入創(chuàng)建好的模型．各個(gè)零件的材料屬性均選用steel，通過(guò)設(shè)置運(yùn)動(dòng)副(圖3)并施加重力來(lái)模擬切換過(guò)程的動(dòng)力學(xué)性能．在凸輪軸旋轉(zhuǎn)副上施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)以模擬不同內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速(n)．此外，復(fù)位彈簧的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1．

圖3 ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真模型Fig.3 ADAMS dynamic simulation model

由于接觸分析屬于非線性范疇，為了提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及計(jì)算效率，本文采用IMPACT 法求解接觸力，接觸設(shè)置見(jiàn)表3．

表3 ADAMS中的接觸設(shè)置Tab.3 Contact setting in ADAMS

2 結(jié)果與分析

2.1 切換型線設(shè)計(jì)

圖4為本文利用多項(xiàng)式函數(shù)設(shè)計(jì)的切換型線，即切換槽在進(jìn)氣凸輪軸套軸向上的偏移量(切換位移)隨凸輪旋轉(zhuǎn)角度的變化曲線，以及其對(duì)角度的前三階導(dǎo)數(shù)．圖示各階導(dǎo)數(shù)單位為弧度制，以方便與經(jīng)驗(yàn)值對(duì)標(biāo)．

由設(shè)計(jì)位移曲線可知，切換型線在53°內(nèi)的切換距離為10 mm，滿足設(shè)計(jì)要求．圖示切換速度曲線呈明顯的斜三角形，而加速度曲線的正值穩(wěn)定于較低水平(60 mm/rad2)，有利于降低切換前期金屬銷與進(jìn)氣凸輪軸套之間的接觸力．由切換躍度曲線可知，切換前期的波動(dòng)和峰值明顯小于切換后期，符合前述切換型線設(shè)計(jì)理念，并且其峰值在允許范圍內(nèi)．

圖4 切換型線Fig.4 Shifting profiles

2.2 進(jìn)氣凸輪軸套動(dòng)力學(xué)曲線

在不同內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速下，對(duì)ASVS模擬兩次切換過(guò)程，由二沖程模式切換為四沖程模式，并在下一個(gè)循環(huán)時(shí)切換到二沖程模式．

圖5為進(jìn)氣凸輪軸套軸向移動(dòng)位移曲線．總體上，進(jìn)氣凸輪軸套的位移曲線連續(xù)無(wú)大波動(dòng)，在各內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速下運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)．隨著轉(zhuǎn)速的升高，進(jìn)氣凸輪軸套完成切換時(shí)對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣凸輪軸轉(zhuǎn)角逐漸增大并趨于穩(wěn)定．圖示局部放大圖中，低轉(zhuǎn)速時(shí)的曲線有明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，主要原因是此時(shí)進(jìn)氣凸輪軸套軸向移動(dòng)速度低，而復(fù)位彈簧對(duì)進(jìn)氣凸輪軸套軸向移動(dòng)時(shí)的推動(dòng)作用明顯．轉(zhuǎn)速越高，完成切換時(shí)的進(jìn)氣凸輪軸轉(zhuǎn)角越大，與此同時(shí)，進(jìn)氣凸輪軸套飛脫時(shí)的軸向移動(dòng)速度增加，有利于縮短切換持續(xù)期．當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 000 r/min時(shí)，進(jìn)氣凸輪軸套完成切換時(shí)對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣凸輪軸轉(zhuǎn)角大致相同，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速與飛脫時(shí)的軸向移動(dòng)速度達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡．

圖5 進(jìn)氣凸輪軸套位移曲線Fig.5 Displacement curves of the intake camshaft sleeve

圖6為進(jìn)氣凸輪軸套軸向移動(dòng)速度vi曲線．隨內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速升高，進(jìn)氣凸輪軸套的速度峰值不斷增大．進(jìn)氣凸輪軸套運(yùn)動(dòng)前期，速度呈線性增加．內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 000 r/min，速度達(dá)到峰值后穩(wěn)定，且在不同轉(zhuǎn)速下，速度達(dá)到恒定時(shí)對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣凸輪軸轉(zhuǎn)角幾乎一致，說(shuō)明此時(shí)進(jìn)氣凸輪軸套可能處于飛脫．進(jìn)氣凸輪軸套在低轉(zhuǎn)速時(shí)(50、100 r/min)的速度曲線有凸起，這是因?yàn)閺?fù)位彈簧對(duì)進(jìn)氣凸輪軸套的推動(dòng)作用比較明顯，高轉(zhuǎn)速下凸輪軸套軸向移動(dòng)速度較大，此作用力相對(duì)不明顯．

圖6 進(jìn)氣凸輪軸套速度曲線Fig.6 Velocity curves of the intake camshaft sleeve

圖7為進(jìn)氣凸輪軸套軸向移動(dòng)加速度曲線．加速度曲線可分為3部分：一是軸向位移初期，加速度比較小并且比較平穩(wěn)；二是加速度為0時(shí)，進(jìn)氣凸輪軸套等速運(yùn)動(dòng)，金屬銷與進(jìn)氣凸輪軸套不發(fā)生接觸；三是反向加速度且有一個(gè)峰值，即限位塊的存在使得進(jìn)氣凸輪軸套軸向位移瞬間停止．隨轉(zhuǎn)速的不斷提高，進(jìn)氣凸輪軸套的軸向加速度不斷增大．

圖7 進(jìn)氣凸輪軸套加速度曲線Fig.7 Acceleration curves of the intake camshaft sleeve

綜上所述，提取關(guān)鍵點(diǎn)，得圖8．其中，圖8(a)為切換完成時(shí)刻對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣凸輪軸轉(zhuǎn)角，隨轉(zhuǎn)速的升高，切換完成持續(xù)期增長(zhǎng)，并趨于穩(wěn)定．圖8(b)為兩個(gè)金屬銷與進(jìn)氣凸輪軸套不接觸時(shí)對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣凸輪軸轉(zhuǎn)角，體現(xiàn)了不同轉(zhuǎn)速下的飛脫位置大致相同．

2.3 其他零件受力分析

圖9為金屬銷與進(jìn)氣凸輪軸套間的受力曲線．金屬銷與進(jìn)氣凸輪軸套未出現(xiàn)反復(fù)接觸的情況，切換型線符合要求．低轉(zhuǎn)速下，接觸力逐漸升高到峰值，峰值出現(xiàn)在復(fù)位彈簧即將推動(dòng)進(jìn)氣凸輪軸套時(shí)．高轉(zhuǎn)速下，峰值出現(xiàn)在切換前期和后期，這與切換型線的加速度密切相關(guān)，當(dāng)加速度為0時(shí)，接觸力有所下降(圖9(b)峰值附近的凹點(diǎn))．不同轉(zhuǎn)速下，金屬銷與進(jìn)氣凸輪軸套的作用持續(xù)期基本一致．隨轉(zhuǎn)速的升高，金屬銷與進(jìn)氣凸輪軸套間的接觸力峰值呈指數(shù)型增加．

(a) 不同轉(zhuǎn)速下完成切換時(shí)刻圖

(b) 金屬銷與凸輪軸套飛脫時(shí)刻

(a) 受力曲線

(b) 峰值曲線

圖10為限位塊與進(jìn)氣凸輪軸套間接觸力曲線．不發(fā)生切換時(shí)，限位塊與進(jìn)氣凸輪軸套間的接觸力較小，主要平衡復(fù)位彈簧預(yù)緊力，以限制進(jìn)氣凸輪軸套的軸向竄動(dòng)．完成切換時(shí)，限位塊與進(jìn)氣凸輪軸套間的沖擊力較大，且隨轉(zhuǎn)速的升高迅速增加．

圖10 限位塊與進(jìn)氣凸輪軸套間接觸力Fig.10 Contact force between the locating block and the intake camshaft sleeve

圖11為鋼球受力曲線．圖11(a)為鋼球與進(jìn)氣凸輪軸套間接觸力曲線，其先逐漸增加后迅速降低．圖11(b)為鋼球與進(jìn)氣凸輪軸間接觸力曲線，其先增加后迅速降低，又迅速增加至峰值，并迅速降為初始時(shí)受力值．以上變化趨勢(shì)體現(xiàn)了復(fù)位彈簧的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)鋼球的影響．由于彈簧的工作空間一定，接觸力曲線不隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化而有明顯變化．由于慣性力的存在，隨轉(zhuǎn)速的增加，平衡時(shí)的接觸力會(huì)有所上升．

(a) 鋼球與進(jìn)氣凸輪軸套間接觸力

(b) 鋼球與進(jìn)氣凸輪軸間接觸力

3 結(jié) 論

(1)本文設(shè)計(jì)的切換型線能夠使進(jìn)氣凸輪軸套在53°轉(zhuǎn)角內(nèi)軸向移動(dòng)10 mm．

(2)結(jié)合模型特點(diǎn)局部?jī)?yōu)化的切換型線具有較好的動(dòng)力學(xué)性能，在內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速4 000 r/min以內(nèi)，不僅使金屬銷與進(jìn)氣凸輪軸套間的接觸力低于1 500 N，還能保證接觸力穩(wěn)定，未出現(xiàn)反復(fù)接觸與沖擊的現(xiàn)象．

(3)ASVS能夠在一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)內(nèi)順利完成2/4沖程模式的切換，切換過(guò)程中零件間的受力峰值及運(yùn)動(dòng)曲線均在合理范圍內(nèi)．