某汽油機(jī)凸輪型線優(yōu)化研究

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

某汽油機(jī)凸輪型線優(yōu)化研究

李東輝，高宏偉，張德勝

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

建立車用高速汽油機(jī)性能仿真模型，建立配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真模型。通過優(yōu)化型線的升程及包角使其在滿足動(dòng)力性的前提下，實(shí)現(xiàn)凸輪軸材料由合金鋼改為鑄鐵，最終達(dá)到降低成本的目的。

汽油機(jī)凸輪型線接觸應(yīng)力性能

1 前言

配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分。良好的配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)具有進(jìn)氣充分、排氣徹底、泵氣損失小、配氣正時(shí)準(zhǔn)確、工作運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)和噪聲小等特點(diǎn)。為此，針對(duì)某汽油機(jī)在達(dá)到動(dòng)力性的前提下，為降低開發(fā)成本，將凸輪軸材料由合金鋼改為鑄鐵，但試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)凸輪軸桃尖磨損嚴(yán)重，試圖通過優(yōu)化凸輪型線解決磨損問題。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)及模型標(biāo)定

該發(fā)動(dòng)機(jī)為一款直列、四缸、四沖程、渦輪增壓汽油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)參見表1所示。

利用AⅤL_boost軟件對(duì)汽油機(jī)的外特性工況進(jìn)行模擬計(jì)算。首先，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的物理參數(shù)及實(shí)際的布置情況，建立一維仿真模型，如圖1所示。其次，依據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行排氣背壓、各測(cè)點(diǎn)的壓力、溫度、空氣流量及缸內(nèi)傳熱的校核。最終，實(shí)現(xiàn)扭矩、功率與試驗(yàn)值一致，如圖2所示。為后期驗(yàn)證不同型線對(duì)外特性影響，提供基準(zhǔn)。

模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，誤差均在4%以內(nèi)。模型標(biāo)定成功，可進(jìn)行后期的優(yōu)化工作。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 凸輪型線優(yōu)化

3.1凸輪型線優(yōu)化流程及說明

首先，對(duì)原氣門升程曲線的最大升程和包角進(jìn)行調(diào)整，確定2個(gè)極限情況：（1）氣門升程最大值不變，增加包角；（2）工作包角不變，降低氣門升程；其次，對(duì)2個(gè)極限情況進(jìn)行性能分析，探索合適的氣門升程曲線，既能滿足性能指標(biāo)也能滿足接觸應(yīng)力的要求；再次，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)驗(yàn)證分析。凸輪型線優(yōu)化流程見圖3。

圖1 一維仿真模型

圖2 模型標(biāo)定結(jié)果

3.2凸輪型線優(yōu)化結(jié)果及分析

由于凸輪軸材料由合金鋼改為鑄鐵導(dǎo)致原來的型線接觸應(yīng)力大于許用接觸應(yīng)力950 MPa，導(dǎo)致凸輪軸磨損嚴(yán)重。

為此對(duì)原氣門升程曲線的包角、升程進(jìn)行了極限的調(diào)整，確定了低升程型線與大包角型線2個(gè)極限方案，使其接觸應(yīng)力小于許用應(yīng)力950 MPa。2極限方案與原方案型線對(duì)比結(jié)果見圖4。

圖3 凸輪型線優(yōu)化流程圖

圖4 2個(gè)極限方案與原方案型線對(duì)比

通過對(duì)2個(gè)極限方案的性能分析發(fā)現(xiàn)，低升程方案較原方案額定功率降低5%，1 000 r/min時(shí)扭矩升高0.5%；大包角方案較原方案額定功率降低8%，1 000 r/min時(shí)扭矩則降低9%，且整個(gè)轉(zhuǎn)速的性能均有所惡化。2個(gè)極限方案與原方案型線性能對(duì)比結(jié)果見圖5。

通過2個(gè)極限方案與原方案型線性能對(duì)比發(fā)現(xiàn)，如果進(jìn)排氣最大升程同時(shí)降低1～1.5 mm，中低轉(zhuǎn)速性能變化不大，但高速性能變化明顯。如果進(jìn)排氣包角同時(shí)增大19°～40°時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)速的性能變化明顯且呈降低趨勢(shì)。為此以這2個(gè)極限方案的包角、升程為邊界，對(duì)原方案的包角、升程同時(shí)改變。最終確定的型線滿足發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性指標(biāo)，機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)良好、氣門落座平穩(wěn)，同時(shí)凸輪軸與從動(dòng)件接觸應(yīng)力小于許用限值，可降低磨損程度，在許用范圍內(nèi)。最終型線與原方案型線對(duì)比結(jié)果見圖6。最終型線與原方案型線性能對(duì)比可知兩者低速、中速、高速性能基本一致，滿足開發(fā)目標(biāo)。最終型線方案與原方案型線性能對(duì)比結(jié)果見圖7。

圖5 2個(gè)極限方案與原方案性能對(duì)比

圖6 最終型線與原方案凸輪型線對(duì)比

圖7 最終型線與原方案型線性能對(duì)比

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)該增壓汽油機(jī)凸輪型線優(yōu)化后的性能對(duì)比研究表明，優(yōu)化后汽油機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率和渦前排溫在整個(gè)轉(zhuǎn)速工況下相對(duì)原機(jī)變化不大。凸輪軸桃尖磨損明顯改善。圖8為凸輪型線優(yōu)化后的汽油機(jī)扭矩、功率曲線圖，圖9為優(yōu)化前后的凸輪桃尖磨損情況對(duì)比圖。

圖8 優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線對(duì)比

圖9 優(yōu)化前后凸輪磨損情況對(duì)比

5 結(jié)論

（1）通過只更改凸輪型線即增大型線的包角、降低型線的升程，均可降低凸輪軸與從動(dòng)件接觸應(yīng)力，從而改善凸輪軸桃尖的磨損情況。

（2）通過對(duì)型線的優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，包角、升程對(duì)性能均有影響，但包角對(duì)性能的影響比升程大。

Research on Optimization of Cam Contour for a Gasoline Engine

A performance simulation model of high-speed gasoline engine,a kinematics simulation model and a dynamics simulation model were created.Through optimization of the intake and exhaust cam contours,change of camshaft material from steel to cast iron was achieved while satisfying the original power performance,with which engine cost reduction was attained.

gasoline engine,cam contour,contact stress,performance

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.04.005

來稿日期：2013-10-07

李東輝(1988-)，男，學(xué)士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)仿真分析。

Li Donghui,Gao Hongwei,Zhang Desheng

（1.Technical Center,Great Wall Motor Company Limited,Baoding 071000,China; 2.Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center,Baoding 071000,China）