微型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪型線仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

藍(lán)志寶 楊連波 張光亞 李榮富

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

1 前言

由于微型汽車客戶群的特殊性，決定了其發(fā)動(dòng)機(jī)的最常用轉(zhuǎn)速范圍是在中低速，因此開發(fā)微型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)需重點(diǎn)關(guān)注該速度區(qū)域的性能。配氣機(jī)構(gòu)直接影響到氣缸充量，而凸輪的輪廓形狀又決定了配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，良好的凸輪型線要求其既能使汽油機(jī)具有良好的充氣性能又能保證配氣機(jī)構(gòu)平穩(wěn)、可靠地工作[1]。凸輪型線的選擇是比較困難的事情，以前需要做大量的試驗(yàn)來選型，這樣既費(fèi)時(shí)費(fèi)力又增加成本。運(yùn)用CAE方法，可以方便地找出最優(yōu)的凸輪型線范圍，減少了試驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)降低了開發(fā)周期和成本[2]。

2 凸輪型線對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

凸輪型線影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能主要有兩個(gè)方面，一是氣門開啟和關(guān)閉的時(shí)刻，包括固定氣門正時(shí)和可變氣門正時(shí)；二是凸輪的升程和工作包角等形狀參數(shù)[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，由于氣流流速大，這時(shí)就需要較長的氣門開啟時(shí)間來充分利用氣流慣性；而在低速時(shí)氣流慣性小，長時(shí)間的氣門開啟反而會由于活塞的上行使部分新鮮氣體被擠出氣缸，產(chǎn)生回流[4，5]。由圖1可知，轉(zhuǎn)速為1000 r/min在氣門關(guān)閉時(shí)有明顯的回流，而轉(zhuǎn)速為6000 r/min時(shí)回流很小。

3 凸輪型線模擬選型

模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)凸輪型線是性能模擬和動(dòng)力學(xué)模擬交互循環(huán)的過程，其流程如圖2所示。

3.1 建立基礎(chǔ)模擬模型

應(yīng)用AVL-BOOST軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)的整機(jī)性能模型（圖3），其包括進(jìn)氣系統(tǒng)、進(jìn)氣歧管、氣缸、排氣歧管和排氣系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)、管路尺寸、壁溫、升程和流量系數(shù)、燃燒參數(shù)等數(shù)據(jù)。應(yīng)用Excite-TD軟件建立單閥系動(dòng)力學(xué)模型 （圖4），并設(shè)置10個(gè)單元的質(zhì)量、剛度、阻尼等參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整相應(yīng)參數(shù)使模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的差別在允許誤差范圍以內(nèi)，即扭矩、功率、油耗等一般的性能參數(shù)要求在5%誤差范圍以內(nèi)，重要的性能參數(shù)如充氣效率要在2%誤差范圍以內(nèi)。如圖5所示，扭矩和充氣效率的模擬和試驗(yàn)誤差都在允許范圍以內(nèi)，該發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能模型可以作為優(yōu)化分析的基礎(chǔ)模型。

良好的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)性能可以保證配氣機(jī)構(gòu)穩(wěn)定持續(xù)地工作，因此閥系在運(yùn)行過程中必須滿足動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表1所列。

閥系運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的模擬分析結(jié)果如圖6和表2所示。從圖6和表2中可以看出，各項(xiàng)參數(shù)結(jié)果都在動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍以內(nèi)。

表1 閥系動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬結(jié)果

3.2 凸輪型線選型

本次選型只考慮縮減進(jìn)氣凸輪型線的工作包角，分別在原型線基礎(chǔ)上縮減4%、6%和8%，并與原型線相互組合，共產(chǎn)生3條對稱型線和6條不對稱型線。低速性能的提高必然導(dǎo)致高速性能的下降，因此平衡高速和低速的性能，最終選擇其中6條型線進(jìn)行動(dòng)力學(xué)評價(jià)及優(yōu)化。選擇的凸輪型線及扭矩性能結(jié)果如圖7所示。

3.3 動(dòng)力學(xué)優(yōu)化

根據(jù)表1的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)這6條型線的運(yùn)動(dòng)學(xué)及單閥系動(dòng)力學(xué)，并優(yōu)化使其滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)化方法采用ISAC方法（氣門分段加速度函數(shù)）。ISAC可用任意函數(shù)自由搭配，如多項(xiàng)式、正余弦、線性連接、圓弧連接等函數(shù)，其中多項(xiàng)式和正弦函數(shù)可以非常方便地定義正加速度段，正弦函數(shù)和正弦函數(shù)連接適合桃尖處的接合，圓弧函數(shù)能保證加速度曲線連續(xù)過渡[6，7]。表3為優(yōu)化其中一條型線時(shí)采用ISAC方法的開啟側(cè)函數(shù)搭配。

表3 開啟側(cè)函數(shù)搭配

從表4可以看出，所有的模擬結(jié)果都滿足表1所列的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。豐滿度較大雖對充氣性能有利，但過大的豐滿度會使機(jī)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性變差。

表4 優(yōu)化后的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)結(jié)果

3.4 性能模擬對比

將滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的6條型線進(jìn)行整機(jī)性能模擬分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化型線后的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩性能不如未優(yōu)化型線的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩性能，這是因?yàn)殡m然凸輪工作包角的減小提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能，但為了滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的要求減小了型線的豐滿度，從而發(fā)動(dòng)機(jī)性能隨之降低。型線1的豐滿度最大，模擬結(jié)果也顯示型線1的高速和低速性能最平衡，但考慮到試驗(yàn)與模擬的差異性，選擇如圖8中3條型線進(jìn)行試驗(yàn)選型。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)選型時(shí)，可變進(jìn)氣歧管選型和凸輪型線選型同時(shí)進(jìn)行，因此試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果在某些轉(zhuǎn)速相差較大，但趨勢相同。對比試驗(yàn)結(jié)果（圖9），平衡高速和低速的性能，認(rèn)為型線1的性能最好。

5 結(jié)束語

分別運(yùn)用性能模擬方法和動(dòng)力學(xué)分析方法選出最優(yōu)的凸輪型線，考慮到試驗(yàn)與模擬的差異性，最終選擇3條型線進(jìn)行試驗(yàn)選型。試驗(yàn)結(jié)果表明，模擬所選擇的最優(yōu)凸輪型線能夠明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)中低速性能，達(dá)到了目標(biāo)要求，驗(yàn)證了模擬選型的準(zhǔn)確性和可靠性。裝有最優(yōu)型線的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)有車型，動(dòng)力提高顯著。

1 吳兆漢，汪長民，林桐藩，方球.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)，北京，北京理工大學(xué)出版社，1990.

2 喬軍，李國祥.WD618.42柴油機(jī)配氣凸輪型線的改進(jìn)設(shè)計(jì)，內(nèi)燃機(jī)工程，2006，27（5）：50～53.

3 曹曉輝，姜樹李，郭晨海，呂杏梅.內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)虛擬仿真研究.內(nèi)燃機(jī)工程，2009，30（2）：65～68.

4 付廣琦，康秀玲，等.高速柴油機(jī)頂置式凸輪配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2000，18（2）：113～116.

5 楊靖，馮仁華，鄧幫林，樊明明.汽油機(jī)凸輪型線改進(jìn)設(shè)計(jì).湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，36（11）：21～26.

6 劉剛，周校平，管斌，王真，黃震.配氣機(jī)構(gòu)凸輪-挺柱接觸應(yīng)力的數(shù)值模擬.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2009（1）：12～15.

7 呂林，王勇波.車用發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，30（6）：1011～1014.