基于排氣凸輪軸選型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析與研究

李炳男崔亞男楊中華梁濤

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

基于排氣凸輪軸選型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析與研究

李炳男1，2崔亞男1，2楊中華1，2梁濤1，2

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

以某1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中兩款凸輪軸選型試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合理論計(jì)算，分別對(duì)比不同排氣凸輪軸包角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響；結(jié)合排氣過程中的排氣量模擬計(jì)算，對(duì)比分析兩種排氣凸輪型線在低速和高速時(shí)的換氣過程。結(jié)果表明，排氣凸輪軸包角越大，充氣效率越高，高速段性能越好，但相應(yīng)低速段廢氣回流越嚴(yán)重，不利于低速性能；隨著轉(zhuǎn)速/流量的增加，亞臨界狀態(tài)下的排氣量比重明顯增加。

1 前言

內(nèi)燃機(jī)性能在很大程度上依賴于換氣過程的完善程度，因此凸輪軸的設(shè)計(jì)與研究對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)綜合水平尤為重要。頂置凸輪軸因減輕了配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，提高了系統(tǒng)的剛度，被廣泛應(yīng)用在目前的發(fā)動(dòng)機(jī)上[1]。

本文以1.5T頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中部分凸輪軸數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究排氣凸輪軸對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。分別對(duì)比不同排氣凸輪軸包角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響，結(jié)合排氣過程中的排氣量模擬計(jì)算，對(duì)比分析兩種排氣凸輪軸型線在低速和高速時(shí)的換氣過程。

2 排氣過程計(jì)算

排氣過程是個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程，缸內(nèi)壓力、氣門升程大小、排氣歧管壓力、氣門喉口大小等都影響排氣量。在計(jì)算排氣流量時(shí)，可以將整個(gè)排氣過程分解為多個(gè)足夠小的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)步長進(jìn)行計(jì)算。在整個(gè)排氣過程中，流通面積隨氣門升程的變化而變化，理論流量按一維等熵絕熱流動(dòng)流量公式進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際流量為理論流量與流量系數(shù)乘積[2]。

排氣過程按排氣流動(dòng)的性質(zhì)分為超臨界排氣和亞臨界排氣兩個(gè)階段。在排氣過程初期，由于缸內(nèi)壓力較高，排氣管內(nèi)氣體壓力與氣缸壓力之比往往小于臨界值（κ為缸內(nèi)氣體的等熵指數(shù)），排氣流過排氣門時(shí)的流動(dòng)呈超臨界狀態(tài)，此時(shí)缸內(nèi)氣體以當(dāng)?shù)芈曀倭鬟^排氣門，排氣流量只取決于缸內(nèi)氣體狀態(tài)和排氣門有效流通面積的大小，而與排氣管內(nèi)氣體狀態(tài)無關(guān)。隨著排氣的進(jìn)行，缸內(nèi)氣體壓力不斷下降，排氣管壓力與氣缸壓力之比增加，當(dāng)比值超過后，氣體流動(dòng)呈亞臨界流動(dòng)狀態(tài)，氣體流出量不僅與排氣門有效流通面積有關(guān)，還與缸內(nèi)和排氣管內(nèi)氣體壓差有關(guān)[3]。

在超臨界排氣階段，排氣量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率為：

式中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；μ為流量系數(shù)；Fe為排氣瞬時(shí)有效流通面積；R、P、T分別為缸內(nèi)氣體常數(shù)、壓力、溫度。

超臨界流速過程中氣門升程hv較小，在內(nèi)，屬于小升程區(qū)域，其有效流通面積Fe為：

式中，β為氣門座錐角；ω為氣門閥座寬度；Dv為閥盤直徑。

流量系數(shù)μ一般與氣門升程關(guān)系較大：

結(jié)合式（1）～式（3）得：

式中，exo、exs分別為排氣門開啟時(shí)刻及超臨界流速結(jié)束時(shí)刻對(duì)應(yīng)的曲軸角度；DP為喉口直徑；P為缸內(nèi)瞬時(shí)壓力。

由于缸內(nèi)燃燒是個(gè)非常短暫的過程，在整個(gè)的超臨界區(qū)域，缸內(nèi)氣體向排氣歧管流動(dòng)過程可以假設(shè)為恒溫過程。結(jié)合實(shí)際氣門模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為：

同理，結(jié)合亞臨界氣門幾何面積及排氣量公式，可以得到亞臨界狀態(tài)下的排氣量方程為：

式中，exss為氣門關(guān)閉時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角；pex為排氣管壓力。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

以某1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)過程中凸輪軸選型試驗(yàn)為依據(jù)，對(duì)比和分析A、B兩款凸輪軸型線試驗(yàn)結(jié)果，研究排氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程影響。型線設(shè)計(jì)及參數(shù)如圖1及表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示?？芍娃D(zhuǎn)速段（轉(zhuǎn)速≤1 700 r/min）A款凸輪軸扭矩相對(duì)較優(yōu)，油耗方面兩款凸輪軸基本一致；高轉(zhuǎn)速段（轉(zhuǎn)速為4 000～5 600 r/min）B款凸輪軸性能方面優(yōu)于A款，且油耗也相對(duì)較低。

利用INDICOM（燃燒分析儀）采集的瞬時(shí)缸壓信號(hào)及對(duì)應(yīng)的進(jìn)、排氣凸輪軸型線數(shù)據(jù)，結(jié)合式（5）和式（6）進(jìn)行排氣門開啟過程排氣量計(jì)算，結(jié)果如表2所列。

表2 排氣階段排氣量計(jì)算結(jié)果 kg

結(jié)果表明，低轉(zhuǎn)速段（1 000 r/min）兩款凸輪軸在超臨界階段排出廢氣量較多，約占總排氣量的64.6%（A款）和71.3%（B款）；高轉(zhuǎn)速段（5 600 r/min）兩款凸輪軸亞臨界區(qū)域廢氣排出量占主導(dǎo)地位，約占總排氣量的62.6%（A款）和69.4%（B款）。可見，超臨界區(qū)域?qū)Φ娃D(zhuǎn)速的性能影響較大，而亞臨界區(qū)域排氣量直接影響高轉(zhuǎn)速性能。

為進(jìn)一步研究亞臨界區(qū)域排氣量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/流量的關(guān)系，針對(duì)兩款凸輪軸各轉(zhuǎn)速下的亞臨界區(qū)域排出廢氣量比重進(jìn)行研究，結(jié)果如圖3所示。

可知，隨著轉(zhuǎn)速/流量的增加，亞臨界區(qū)域排氣量在總排氣量中所占比例逐漸增多，在4 000～5 600 r/min范圍內(nèi)壓臨界區(qū)域排氣量占主導(dǎo)地位，所以排氣門相對(duì)較晚關(guān)閉對(duì)高轉(zhuǎn)速性能尤其功率點(diǎn)影響較大。

圖4和圖5為兩款凸輪軸外特性充氣效率對(duì)比以及亞臨界排氣量對(duì)比狀況。

可知，隨著轉(zhuǎn)速/流量的增加，B款凸輪軸亞臨界區(qū)域排氣量逐漸加大，充氣效率也相應(yīng)增加，在高轉(zhuǎn)速段的性能優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)；1 000 r/min附近，B款排氣量較A款少13.4%，其主要由于B款排氣包角過大且排氣凸輪軸較晚關(guān)閉，導(dǎo)致少量排氣歧管中廢氣重新回流至缸內(nèi)。

圖6為兩款凸輪軸在1 000 r/min時(shí)的缸內(nèi)壓力與排氣歧管壓力差對(duì)比，可知，在排氣門關(guān)閉時(shí)，從1 mm升程到關(guān)死過程中，B款缸內(nèi)壓力與排氣歧管壓力差明顯低于A款，即排氣凸輪關(guān)閉過晚導(dǎo)致廢氣回流，影響低轉(zhuǎn)速充氣效率。

4 結(jié)束語

通過選取1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中兩款排氣型線不同的凸輪軸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合排氣量理論計(jì)算過程，總結(jié)得出:在排氣凸輪軸開啟角度不變情況下，其關(guān)閉越晚（包角越大），高轉(zhuǎn)速段下排氣量越多，充氣效率越高，性能越好，但相應(yīng)的低速段存在廢氣回流可能性越大，影響低轉(zhuǎn)速性能。通過理論排氣量結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速/流量的增加，亞臨界排氣量比重明顯增多，對(duì)高轉(zhuǎn)速性能影響較大，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

1 裴梅香.雙頂置凸輪軸正時(shí)齒形帶傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究.內(nèi)燃機(jī)工程,2002:38.

2 周松，等.內(nèi)燃機(jī)工作過程仿真技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

3 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版設(shè)，2010.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年4月1日。

Data Analysis and Research Based on Exhaust Camshaft Type Selection Test

Li Bingnan1,2,Cui Yanan1,2,Yang Zhonghua1,2,Liang Tao1,2
（1.Technical Center,Great Wall Motor Co.Ltd;2.Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center）

In this article,the influence of different camshaft angles on engine performance is compared based on type selection test result of two camshafts during the development of a 1.5T engine,and in combination of theoretical calculation.The gas exchange process of two exhaust cam profiles in high and low speed is compared and analyzed based on simulative calculation of exhaust gas in the exhaust process.The result show that:the larger the camshaft angle,the higher the charge efficiency,and the better performance in high speed road will be,whereas the worse the exhaust gas return in low speed driving,therefore this design is not good for low speed.The phenomenon also shows that the ratio of discharged exhaust gas rises remarkably in subcritical condition as the speed/flow increases.

Engine,Exhaust camshaft,Camshaft profile,Type selection test

發(fā)動(dòng)機(jī) 排氣凸輪軸 凸輪軸型線 選型試驗(yàn)

U464.134

A

1000-3703（2015）07-0035-03