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

發(fā)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(fā)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(tài)特性，即零件能夠平穩(wěn)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(huán)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(huán)，結果表明，米勒循環(huán)對發(fā)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(fā)動機上應用米勒循環(huán)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(huán)的應用能夠在一定程度上提高發(fā)動機的動力性能[9]。

1 建立米勒循環(huán)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(huán)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(huán)單閥系模型運行正確后，才可對米勒循環(huán)配氣機構進行動力學分析。米勒循環(huán)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(huán)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(huán)配氣機構進行動力學分析，以下是對米勒循環(huán)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(wěn)，在凸輪工作段中接觸力沒有突變?yōu)? 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(huán)配氣機構動力學仿真分析

將米勒循環(huán)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(huán)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(wěn)良好，不存在氣門反跳的現象發(fā)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(wěn)，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?yōu)? 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(huán)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(fā)動機的充氣效率。氣門落座平穩(wěn)，不會產生極大的沖擊和噪聲；

（2）該米勒循環(huán)配氣機構的凸輪與挺柱不存在飛脫的情況發(fā)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(wěn)，能夠有效降低氣門彈簧的疲勞破壞。