優(yōu)化凸輪軸及進氣歧管設計改善發(fā)動機性能

黃　勇　黃忠文　葉年業(yè)　穆建華　張　俊　唐海嬌　朱茂強（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心廣西柳州545007）

優(yōu)化凸輪軸及進氣歧管設計改善發(fā)動機性能

黃勇黃忠文葉年業(yè)穆建華張俊唐海嬌朱茂強
（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心廣西柳州545007）

為改善某小型汽油發(fā)動機的中低速性能，通過優(yōu)化凸輪軸凸輪工作段及緩沖段的型線設計，提高進氣凸輪軸的運動學和動力學性能；優(yōu)化進氣歧管的形狀，增加進氣歧管的長度，改善了進氣歧管的氣流特性。優(yōu)化后的進氣歧管的穩(wěn)態(tài)流量均優(yōu)于原機，最大增加7.5%。經過臺架試驗驗證，優(yōu)化后的發(fā)動機扭矩在中低轉速范圍內均優(yōu)于原機，最大扭矩提升12.4%；優(yōu)化后的發(fā)動機燃油消耗率在全轉速范圍內均優(yōu)于原機，最大燃油消耗率下降16.4%。

凸輪軸進氣歧管發(fā)動機性能

引言

根據市場調查，針對大多數客戶反饋的某商用車發(fā)動機中低速扭矩低，汽車低速爬坡無力的問題，對現(xiàn)有發(fā)動機進行結構改進設計，提升中低速扭矩，改善油耗，滿足客戶的期望。

為了能最大程度地沿用原機零件，減少制造系統(tǒng)生產線的改造，本文從凸輪軸和進氣歧管的優(yōu)化設計入手，采用數值模擬和試驗相結合，通過改變進氣歧管長度和結構布置以及凸輪軸的型線參數等，達到發(fā)動機中低速扭矩提升及油耗降低的要求。

1　凸輪軸優(yōu)化設計

凸輪軸型線就是凸輪的運動曲線，通過它可以控制氣門的開閉，將進氣歧管中的空氣送入氣缸燃燒。凸輪軸型線的設計對發(fā)動機性能有很大的影響，良好的凸輪軸型線設計能保證發(fā)動機具有良好的充氣性能，進而提高發(fā)動機的性能。以下通過運用AVL EXCITE TD對凸輪軸型線進行優(yōu)化，提高凸輪軸的運動學和動力學要求。

1.1單閥系模型

該小型汽油發(fā)動機的配氣機構采用頂置凸輪軸機構。其基本結構由凸輪、機械挺柱、氣門、氣門彈簧、氣門鎖夾及彈簧座圈組成，其結構形式和單閥系模型如圖1所示。

圖1　單閥系結構和模型圖

1.2進氣凸輪軸型線優(yōu)化

圖2為原機的進氣凸輪軸型線，進氣凸輪軸型線對發(fā)動機性能的影響主要有兩個方面［1］：1）氣門開啟及關閉時刻；2）凸輪的升程和工作包角。根據此次優(yōu)化設計的要求：最大程度的沿用原機零件，我們保持凸輪軸的基圓半徑及最大氣門升程不變，僅對凸輪工作段及緩沖段進行優(yōu)化，這樣可以保證氣門最大升程時與活塞的間隙滿足要求，避免氣門或者活塞的更改。

圖2　原機凸輪軸型線

1.2.1凸輪工作段優(yōu)化

凸輪工作段是控制氣門開啟時間的工作區(qū)域。根據凸輪軸工作段設計函數ISAC（氣門分段加速度函數）具有可用任意函數自由搭配，靈活性好的特點，采用其對凸輪工作段進行優(yōu)化設計。將凸輪工作段的進氣側和排氣側的半包角由61°CaA減小到59°CaA，降低氣門的持續(xù)開啟角，縮短氣門的開啟時間，避免當發(fā)動機在低轉速運行時，由于氣流的流速較低，氣流的慣性作用相對較小，導致新鮮空氣的回流，影響發(fā)動機中低速的性能。

1.2.2凸輪緩沖段優(yōu)化

凸輪緩沖段是連接基圓與工作段的過渡段。根據緩沖段設計函數類型的特點以及發(fā)動機類型，采用梯形函數來進行優(yōu)化，將開啟側緩沖段的包角由19°CaA提高到27.5°CaA，關閉側緩沖段的包角由25°CaA提高到27.5°CaA，減小氣門落座時產生的沖擊，保證配氣機構的可靠性和穩(wěn)定性。

1.2.3凸輪軸型線優(yōu)化

根據此小型汽油發(fā)動機的相關結構參數，對圖1中的模型進行各部件質量、剛度和阻尼等參數的設置，將原機的進氣凸輪軸型線（見圖2）輸入到模型中，按照上述的要求進行優(yōu)化設計，得到優(yōu)化后的進氣凸輪軸型線，如圖3所示。

圖3　優(yōu)化后凸輪軸型線

1.3運動學和動力學分析

將原機和優(yōu)化后的進氣凸輪軸型線數據分別輸入到圖1的單閥系模型中進行運動學和動力學分析。

1.3.1運動學分析

原機及優(yōu)化后的進氣凸輪軸對應的配氣機構運動學特性對比分析如表1所示。

表1　原機及優(yōu)化后的配氣機構運動學特性對比

由表1可知：

1）優(yōu)化后的配氣機構彈簧裕度滿足設計要求大于1.3，確保從動件在凸輪表面不會跳開，并且比原機降低了4.3%，減小了驅動功率，降低了能耗。

2）優(yōu)化后的配氣機構K系數滿足設計要求大于1.2，并且比原機提高了8.9%，更好地避免了閥系發(fā)生共振的可能性。

3）優(yōu)化后的配氣機構最大躍度滿足設計要求小于1800，并且比原機降低了14.8%，從而減小從動件振動，使運行更加平穩(wěn)。

4）優(yōu)化后的配氣機構0 r/min下的接觸應力、豐滿度及潤滑系數均滿足設計要求，保證配氣機構的可靠性和穩(wěn)定性。

由以上分析可知，優(yōu)化后的配氣機構運動學滿足設計要求。

1.3.2動力學分析

原機和優(yōu)化后的凸輪與挺柱間的接觸應力，如圖4所示；原機和優(yōu)化后的凸輪與挺柱間最小油膜厚度，如圖5所示；原機和優(yōu)化后的氣門落座力，如圖6所示；原機和優(yōu)化后的氣門落座速度，如圖7所示。

1）由圖4可知，優(yōu)化后的凸輪與挺住間的接觸應力最大值為544 MPa/3 000 r/min與原機相當，滿足小于700 MPa的評判要求，避免了因接觸應力過大產生飛脫的現(xiàn)象。

2）由圖5可知，優(yōu)化后的配氣機構凸輪與挺柱間最小油膜厚度0.033 μm/7 200 r/min，相比原機下降了21.4%，進而降低了凸輪與挺柱之間的摩擦，減小了驅動功率，降低了能耗。

3）由圖6、圖7可知，由于工作段半包角的減小，優(yōu)化后的配氣機構氣門的落座速度及氣門落座力均較原機有所提高，但是氣門的落座速度沒有產生突變，滿足小于0.5 mm/s的評判要求，氣門落座力滿足小于6倍氣門彈簧預緊力（此發(fā)動機的氣門彈簧預緊力為120 N）的評判要求［2］，避免了因氣門落座速度及落座力過大而造成噪聲過大，氣門壽命降低的風險。

圖4　原機及優(yōu)化后的凸輪與挺住間的接觸應力

圖5　原機及優(yōu)化后的凸輪與挺柱間最小油膜厚度

圖6　原機及優(yōu)化后的氣門落座力

圖7　原機及優(yōu)化后的氣門落座速度

由以上分析可知，優(yōu)化后的配氣機構的運動學滿足設計要求。

2　進氣歧管優(yōu)化設計

進氣歧管是發(fā)動機的關鍵零件，它的長度、形狀等參數對進氣阻力、進氣均衡性和充氣效率有很大的影響。好的進氣歧管設計，要求進氣阻力小，各缸的進氣均勻性好、能針對發(fā)動機的需求利用波動充氣和諧振充氣的原理提高發(fā)動機的進氣流量。

2.1進氣歧管參數優(yōu)化

進氣歧管的設計需要匹配好各支管的走向和長度，以保證減小進氣阻力，提高各缸的進氣均衡性。對于自然吸氣發(fā)動機來說，進氣壓力是負壓，所以進氣歧管的波動效應對進氣量的影響較大，根據波動充氣原理，選擇合理的進氣歧管參數，使反射波在進氣門關閉前到達進氣門，則可以增加進氣門處的進氣壓力，從而提高進氣量［3］。

因此，對進氣歧管的優(yōu)化主要從進氣歧管長度進行優(yōu)化設計。而穩(wěn)壓腔及進氣支管等形狀參數則根據總體布置要求進行輔助設計。

2.1.1進氣歧管長度優(yōu)化

進氣歧管的長度不僅影響進氣系統(tǒng)中壓力波的相位，而且影響波動效應傳遞到氣門的時間。合成波的相位應與配氣相位的關閉時刻配合，而合成波的相位主要取決與支管長度，配氣相位的關閉時刻與轉速有關?？蛇\用公式（2）進行估算［4-5］：

式中，n為發(fā)動機轉速，r/min；V為聲波傳遞速度，m/s；Φ為進氣門開啟持續(xù)角，（°CA）；L為進氣歧管長度，m。

由式（1）可以看出，在每一個轉速下都有一個最佳的進氣歧管長度。所以我們設計不可變長度的進氣歧管時，一般根據匹配的整車需求，進行折中處理。

根據此款發(fā)動機的要求，我們將發(fā)動機的最大扭矩轉速范圍從原機的4 000～4 400 r/min提前到3 600～4 000 r/min，由圖3優(yōu)化后凸輪軸型線得到進氣門的開啟持續(xù)角Φ=236°CA，而聲波在空氣中的傳遞速度V=340 m/s，通過式（1）計算得到不同轉速下的最佳進氣歧管長度，如表2所示。

表2　不同轉速下的最佳進氣歧管長度

通過以上分析，最終選取最具代表性的4種進氣歧管長度，分別為540 mm，555 mm，575 mm，595 mm，進行分析計算。

運用GT-Power軟件建立發(fā)動機一維模型（如圖8所示），通過原機的實驗數據進行模型標定，用標定好的模型對優(yōu)化后的發(fā)動機性能計算分析，改變進氣歧管的長度得到對發(fā)動機扭矩的影響分析結果，如圖9所示。

圖8　發(fā)動機GT-Power一維模型

圖9　不同進氣歧管長度對發(fā)動機扭矩的影響

由圖9可知，中低速時，較長的進氣歧管扭矩優(yōu)于較短的進氣歧管：高速時，較短的進氣歧管則優(yōu)于較長的進氣歧管。由于此款發(fā)動機匹配的是商用車，因此我們折中選取575 mm長度的進氣歧管（原機進氣歧管長度430 mm），在提高中低速扭矩的同時也避免高速段的扭矩急劇下降。

原機試驗數據和優(yōu)化后發(fā)動機的模擬數據對比分析，如圖10所示。

圖10　原機試驗數據和優(yōu)化后發(fā)動機的模擬數據對比

由圖10可知，優(yōu)化后的發(fā)動機中低速扭矩有了明顯提升，預計扭矩將比原機最大提升10%左右，后面將通過臺架試驗來驗證。

2.2優(yōu)化后的進氣歧管分析

2.2.1進氣歧管三維模型

根據確定的進氣歧管的參數和結構，運用UG軟件對優(yōu)化后的進氣歧管進行三維建模，圖11為原機及優(yōu)化后的進氣歧管三維數模圖。

圖11　原機及優(yōu)化后的進氣歧管三維模型

2.2.2CFD分析

根據2.2.1建立的優(yōu)化后的進氣歧管模型，在CAD軟件中導出S T L格式的進氣歧管內部型芯模型；利用C F D軟件F i r e提供的前處理工具對歧管模型進行網格劃分，為保證計算精度，對各支管壁面及進出口表面進行網格細化，網格尺寸4 mm（關鍵部位2 mm），單元總數118 095，節(jié)點數133 619，如圖12所示。

圖12　優(yōu)化后的進氣歧管內流場網格模型

根據實際的工作條件，在模型中輸入邊界條件及模型參數，對原機及優(yōu)化后的歧管進行定壓差（2.5kPa）穩(wěn)態(tài)流動計算，得到原機和優(yōu)化后的進氣歧管各支管的流量對比，如圖13所示；優(yōu)化后的進氣歧管各支管的進氣均勻性，如圖14所示。

圖13　原機和優(yōu)化后的進氣歧管各支管流量對比

圖14　優(yōu)化后的進氣歧管各支管進氣均勻性

1）由圖13可知，優(yōu)化后的進氣歧管的穩(wěn)態(tài)流量均優(yōu)于原機，最大增加7.5%。

2）由圖14可知，優(yōu)化后的進氣歧管各支管進氣均勻性均小于4%的限值。

3　臺架驗證

根據進氣凸輪軸及進氣歧管的優(yōu)化結果，制作樣件裝機進行臺架試驗驗證。原機及優(yōu)化后的發(fā)動機性能對比如圖15所示。

圖15　優(yōu)化后的發(fā)動機性能對比

由圖15可知：

1）優(yōu)化后的發(fā)動機扭矩在中低轉速范圍內均優(yōu)于原機，扭矩最大提升了12.4%；

2）優(yōu)化后的發(fā)動機燃油消耗率在全轉速范圍內均優(yōu)于原機，最大燃油消耗率下降16.4%。

4　結論

1）通過AVL EXCITE TD對凸輪軸凸輪工作段及緩沖段的型線設計優(yōu)化，提高凸輪軸的運動學和動力學性能。

2）優(yōu)化后的進氣歧管的流量均優(yōu)于原機，并且優(yōu)化后的進氣歧管各支管進氣均勻性均小于4%的要求。

3）優(yōu)化后的發(fā)動機扭矩在中低轉速范圍內均優(yōu)于原機，扭矩最大提升12.4%；

4）優(yōu)化后的發(fā)動機燃油消耗率在全轉速范圍內均優(yōu)于原機，燃油消耗率最大下降16.4%。

1唐海嬌，夏志豪.基于AVL EXCITE TD的凸輪軸型線仿真優(yōu)化［J］.汽車工程師，2014（3）：23-27

2AVL Excite Timing Driver User Gide［M］.AVL list，2007

3藍志寶，黃振霞.微型面包車發(fā)動機進氣歧管的優(yōu)化設計［J］.裝備制造技術，2012（06）：41-43，52

4Brands M.C．Helmlhohz tuned induction systems for turbo charged diesel engine［C］．SAE Paper 790069

5AVL Company.AVL Fire User Guide［M］.AVL list，2007

Design Optimization of the Camshaft and Intake Manifold for the Engine Performance Improvement

HuangYong，HuangZhongwen，YeNianye，MuJianhua，ZhangJun，TangHaijiao，ZhuMaoqiang
TechnicalDevelopmentCenter，SAICGMWulingAutomobileCo.，Ltd.（Liuzhou，Guangxi，545007，China）

To improve one engine's performance in low and medium speed，the cam's profiles were optimized including operation area and cushion area.A better performance in kinematics and dynamics was gained，and the shape of the intake manifold was optimized，the length of the intake manifold increased，thus the airflow character was improved.The steady-state flow performance of intake manifold was improved，the max rise rate is 7.5%.Via the dyno test，the optimized engine has a better torque in low and medium speed compared to the original engine，the max torque rises by 12.4%；the specific fuel consumption of engine is superior to the original engine，and the max specific fuel consumption decreased by16.4%. Keywords：Camshaft，Intake manifold，Engine performance

TK413.4+1

A

2095-8234（2015）04-0065-06

2015-05-21）

黃勇（1982-），男，工程師，主要從事發(fā)動機開發(fā)與應用。