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发动机配气机构优化改进设计 摘要 配气机构作为发动机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到发动机的 动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。随着发动机高功率、 高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能 够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。配气凸轮型线是配 气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。模 拟计算凸轮型线使之与发动机性能相匹配是研究优化配气机构的一种重要手段。 本文在充分研究了与本研究课题相关的国内外文献基础上，系统地总结了发 动机配气机构的发展现状，对配气凸轮评价指标以及配气机构运动学、动力学分 析做了较详细的研究。通过应用a v lt y c o n 软件，建立了本项目汽油机配气机 构运动学及动力学模型，并进行了计算分析，找出了原配气机构存在的问题，并 结合厂家对发动机性能匹配的要求，改进设计了配气凸轮型线。通过g t - p o w e r 对发动机进行性能仿真计算，换改进设计的凸轮型线后，发动机标定功率、最大 转矩均比原机有所提高，达到了厂家的预期目标要求，目前正在新凸轮型线的加 工过程中，之后我们将通过样机台架试验证实本研究结论的正确性。本文主要研 究工作包括： ( 1 ) 应用a v lt y c o n 软件建立了相应的配气机构运动学和动力学模型，计 算分析表明原机进、排气门开启和关闭不够迅速，进、排气门升程丰满系数和时 间断面值低，不利于发动机获得较高的充气效率；进、排气气门的最大跃度值超 过了正常的范围，使整个配气机构的振动加剧；进、排气凸轮与挺柱的接触应力 较大，使得凸轮与挺柱的磨损大；进、排气凸轮与挺柱间的润滑系数偏小，因此 进、排气凸轮与挺柱的液体动力学润滑条件不理想。本文针对这些问题提出了配 气凸轮型线改进设计的措施和途径。 ( 2 ) 对配气凸轮型线设计的主要影响因素的探讨，并提出了优化设计方案。 重新设计了进、排气凸轮型线。采用新设计的凸轮型线后，配气机构运动学、动 力学特性得到改善，解决了原机配气机构存在的问题。 ( 3 ) 应用g t - p o w e r 软件对发动机进行性能仿真模拟计算，结果显示改进 后发动机的标定功率、最大转矩等性能均比原机有所提高，达到了厂家的预期目 标要求。 关键词：发动机；配气机构：凸轮型线；优化设计；性能仿真 i i 硕十学位论文 a b s t r a c t v a l v et t a i ni sa ni n l p o r t a n tc o n l p o n e n to ft h ee n g i n e t h er a t i o n a l i t yo fi t s d e s i g ni sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ee n g i n e sp o w e rp e r f o r m a n c e ，f u e le c o n o m y ，e m i s s i o n p e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y a l o n gw i t hh i g hs p e e da n dp o w e ro ft h e e n g i n e ，p e o p l ew e r eg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e rt oi t sp e r f b r m a n c ei n d e x t h er e q u e s t i su n d e rt h eh i g hs p e e dm o v e m e n tc o n d i t i o n ，t h ev a l v et r a i ns t i l lb ea b l et os t e a d ya n d w o r kr e l i a b l y ，t h u ss e tah i g h e rr e q u e s tt ot h ev a l v et r a i n c a mp r o f i l ei st h eh a r dc o r e o ft h ev a l v et l ? a i n s ot h ec a mp r o f i i ed e s i g ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p r o a c ho f t h ev a l v et r a i no p t i m u md e s i g n t h ea n a l o gc o m p u t a t i o no ft h ec a mp r o n l em a t c h w i t ht h ee n g i n ep e r f o r m a n c ei sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hm e t h o do fv a l v et r a i n t h i sa r t i c l eh a sb e e nb a s e di nt h ef u l lr e s e a r c ho ft h er e l a t e dd o m e s t i ca n d f o r e i g nl i t e r a t u r e s s y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fv a l v et r a i n a n dt h e nt h ed e t a i l e dr e s e a r c ho fc a mp r o f i l e e v a l u a t i n gi n d i c a t o ra sw e l l a s k i n e m a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i so ft h ev a l v et r a i nh a v eb e e nd o n e t h ew i d e l yu s e d v a l v e - t r a i ns i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a v l t y c o n ，w a sa p p l i e dt op e r f o r mb o t hk i n e m a t i c a n dd y n a m i cs i m u l a t i o n sf o rt h ev a l v et r a i no faf o u r - c y l i n d e rg a s o l i n ee n g i n eo ft h e p r o j e c t s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eo r i g i n a lv a l v et r a i nh a ss o m ed e s i g n d r a w b a c k sw h i c hm a yl e a dt o d u r a b i i i t yi s s u e s t h e nc o m b i n em a n u f a c t u r e r s r e q u i r e m e n t so ft h ee n g i n ep e r f o r m a n c e ，t h ei n t a k ea n de x h a u s tc a m sp r o f i l ew e r e r e d e s i g n e d ，v i ac o m p u t e rs i m u l a t i o no p t i m i z a t i o nw i t hg t - p o w e rs o r w a r e ，w h i c h n o to n l ys o l v e dt h ep r i m a r y d e s i g ni s s u e sa n di m p r o v e dt h ed u r a b i l i t y ，e n g i n e p e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s oi n d i c a t e da ni m p r o v e m e n tt ot h ef u l ll o a d v o l u m e t r i ce f n c i e n c y w h i c hr e s u l t e di na ni n c r e a s eo fm a x i m u me n g i n ep o w e ro u t p u t a n dt o r q u ec a p a c i t y a n dt h i sf u l f i l l e dm a n u f a c t u r e r sr e q u e s t s a tp r e s e n t ，t h en e w c a mp r o f i l ei si nam a n u f a c t u “n gp r o c e s s w ew i nb ec o n f i r m i n gt h i sr e s e a r c h c o n c l u s i o na c c u r a c ya f t e r w a r dt h r o u g ht h ee n g i n eb e n c ht e s t t h em a i nr e s e a r c ho f t h ea r t i c l ei n c l u d et h ef o l l o w i n gw o r k s ： ( 1 ) a p p l i e dt h ev a l v es i m u l a t i o ns o f t w a r ea v l - t y c o nt od ot h ev a l v et r a i n k i n e m a t i ca n dd y n a m i cc a l c u l a t i o no ft h eg a s o l i n ee n g i n e c a l c u l a t i o n sa n da n a l y s i s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n t a k ea n de x h a u s tv a l v eo fo r i g i n a le n g i n ec a n to p e na n d c l o s eq u i c k l y p l u m pc o e f f i c i e n ta n dt i m ea r e ao ft h ei n t a k ea n de x h a u s tv a l v ea r el o w ， t h i sw i l lg oa g a i n s ti m p r o v et h ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c yo ft h ee n g i n e t h eg r e a t e s tj e r k v a l v eo ft h ei n t a k ea n de x h a u s ti sm o r et h a nt h en o r m a lr a n g e ，t h i sw i l lm a k e st h e v a l v et r a i no s c i l l a t i o nm o r es e r i o u s t h ec o n t a c ts t r e s s e sb e t w e e nc a ma n dt a p p e ti s i i i 酊e a t e r ， t h i sw i l lm a k e sa b r a s i o nb e t w e e nc a ma n dt a p p e t s e r i o u s l u b f l c a t l o n c o e 伍c i e n tb e t w e e nc a ma n dt a p p e t i sl o w e r ，s ol u b r i c a t i o nc o n d i t l o no tn q u l d d v n a m i c sb e t w e e nc a ma n dt a p p e ti su n s a t i s f a c t o u i nr e s p o n s e t ot h e s eq u e s t l o n s ，t n e i m p r o v e m e n td e s i g nm e a s u r ea n d m e t h o do ft h ec a mp r o f i l eh a sb e e nb r o u g h tu p ( 2 ) t h e m a i ni n n u e n c i n gf a c t o r so fc a mp r 0 矗l ed e s i g n a r ed l s c u s s e d ， a n d o p t i m i z e dd e s i g np l a nh a sb e e nb r o u g h tu p t h r o u 曲r e d e s i g n o f 。t h ei n t a k ea n d e x h a u s tc a mp r o f i l e ，t h ek i n e m a t i ca n dd y n a m i c c h a 豫c t e r i s t i c sh a v ei m p r o v e d lh l s n o to n l ys o l v e dt h ep r o b l e m so ft h eo r i g i n a le n g i n e ，b u ta l s oi m p r o v e dt h er e l l a b l l l t y a n dl i f eo ft h ev a l v et r a i n ( 3 ) a p p l y i n gt h eg t _ p o w e r s o f t w a r et od ot h ep e r f o r m a n c es l m u i a t l o no 士t n e e n g i n e p e r f o r m a n c es i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t e da ni m p r o v e m e n tt ot h ef u l l l o a d v o l u m e t r i ce m c i e n c y ，w h i c hr e s u l t e di na ni n c r e a s eo f m a x i m u me n g i n ep o w e ro u t p u t a n dt o r q u ec a p a c i t y s of u m l l e d m a n u f a c t u r e r sr e q u e s t s k e yw 。r d s ：e n g i n e ；v a i v et r a i n ；c a mp r o f i l e ；。p t i m i z e dd e s i g n ；p e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n i v 发动机配气机构优化改进设计 附表索引 表3 1 发动机配气机构基本参数2 0 表3 2 原机配气机构主要技术参数2 5 表3 3 原机配气机构主要性能参数2 5 表4 1 凸轮型线方程组所需参数4 2 表5 1 换型线后配气机构主要技术参数4 4 表5 2 换型线后配气机构主要性能参数4 4 表5 3 原机和换型线后配气机构性能参数对比一5 2 表6 1 原机参数及优化后目标水平”5 4 表6 2 原机试验值、原机模拟值、目标值和优化后的转矩和功率5 8 x 硕士学位论文 插图索引 图2 1 单质量模型1 0 图2 2 二质量模型- l o 图2 3 多质量模型- 1 1 图2 4 配气机构5 单元有限元模型1 4 图3 1 配气机构优化设计流程图1 7 图3 2 发动机配气机构结构简图2 0 图3 3 配气机构进气部分运动学模型2 1 图3 4 配气机构动力学模型“2 1 图3 5 气门弹簧刚度计算简图2 2 图3 6 气门的有限元网格2 3 图3 7 气门的有限元计算2 3 图3 8 原机凸轮型线2 4 图3 9 缸内压力曲线2 4 图3 1 0 排气道压力曲线2 4 图3 1 1 原机进气门运动学升程、速度及加速度曲线2 6 图3 1 2 原机排气门运动学升程、速度及加速度曲线2 6 图3 13 原机进气门跃度曲线2 6 图3 1 4 原机排气门跃度曲线2 6 图3 1 5 原机进气凸轮与挺柱接触应力曲线2 7 图3 1 6 原机排气凸轮与挺柱接触应力曲线2 7 图3 17 原机进气凸轮曲率半径曲线图2 8 图3 18 原机排气凸轮曲率半径曲线2 8 图3 1 9 原机进气凸轮与挺柱的润滑系数曲线2 8 图3 2 0 原机排气凸轮与挺柱的润滑系数曲线2 8 图3 2 l 原机进气门弹簧裕度2 9 图3 2 2 原机排气门弹簧裕度2 9 图3 2 3 原机进气凸轮引起的转矩曲线2 9 图3 2 4 原机排气凸轮引起的转矩曲线”2 9 v n 发动机配气机构优化改进设计 图3 2 5 发动机转速5 7 5 0 r m i n 时原机进、排气门升程曲线3 0 图3 2 6 发动机转速5 7 5 0 r m i n 时原机进、排气门速度曲线3 0 图3 2 7 发动机转速5 7 5 0 r m i n 时原机进、排气门加速度曲线”3 0 图3 2 8 发动机转速5 7 5 0 r m i n 时原机进、排气门座受力曲线3 0 图3 2 9 发动机转速5 7 5 0 r m i n 时原机进、排气凸轮与挺柱接触应力曲线”3 1 图3 3 0 发动机转速5 7 5 0 r m i n 时原机进、排气门弹簧升程曲线”31 图3 31 发动机转速5 7 5 0 r m i n 时原机进气门弹簧受力曲线3 2 图3 3 2 发动机转速5 7 5 0 r m i n 时原机排气门弹簧受力曲线“3 2 图4 1 等加速凸轮加速度曲线示意图3 8 图4 2 进气凸轮缓冲段参数设置一3 9 图4 3 排气凸轮缓冲段参数设置3 9 图4 4 进气凸轮工作段参数设置4 0 图4 5 排气凸轮工作段参数设置”4 0 图4 6 新设计的进、排气凸轮升程曲线4 3 图5 1 换新设计的型线后进气门运动学升程、速度及加速度曲线4 5 图5 2 换新设计的型线后排气门运动学升程、速度及加速度曲线4 5 图5 3 换凸轮型线后进气门跃度曲线4 6 图5 4 换凸轮型线后排气门跃度曲线4 6 图5 5 新设计进气凸轮与挺柱接触应力曲线“4 6 图5 6 新设计排气凸轮与挺柱接触应力曲线4 6 图5 7 新设计进气凸轮曲率半径曲线4 7 图5 8 新设计排气凸轮曲率半径曲线4 7 图5 9 新设计进气凸轮与挺柱的润滑系数- 4 7 图5 1 0 新设计排气凸轮与挺柱的润滑系数4 7 图5 1 1 换新设计的型线后进气门弹簧裕度4 8 图5 1 2 换新设计的型线后排气门弹簧裕度4 8 图5 13 新设计进气凸轮引起的转矩曲线，4 8 图5 1 4 新设计排气凸轮引起的转矩曲线一4 8 图5 15 换型线后发动机转速5 7 5 0 r m i n 时进、排气门升程曲线- ? 4 9 图5 1 6 换型线后发动机转速5 7 5 0 r m i n 时进、排气门速度曲线4 9 图5 1 7 换型线后发动机转速5 7 5 0 r m i n 时进、排气门加速度曲线4 9 v i h 硕上学位论文 图5 1 8 换型线后发动机转速5 7 5 0 r m i n 时进、排气门座受力曲线4 9 图5 19 换型线后发动机转速5 7 5 0 r m i n 时进、排气门升程曲线一5 0 图5 2 0 换型线后发动机转速5 7 5 0 r m i n 时进、排气门弹簧升程曲线5 0 图5 2 1 换型线后发动机转速5 7 5 0 r m i n 时进气门弹簧受力曲线”5 l 图5 2 2 换型线后发动机转速5 7 5 0 r m i n 时排气门弹簧受力曲线”5 1 图5 2 3 凸轮型线对比5 1 图6 1 发动机g t - p o w e r 模拟计算模型“5 5 图6 2 气道流量系数一5 6 图6 3 原机气门升程及配气相位5 7 图6 4 原机转矩试验值和模拟值对比“5 7 图6 5 原机功率试验值和模拟值对比5 7 图6 6 原机转矩试验值、模拟值及优化后模拟值对比5 8 图6 7 原机标定功率试验值、模拟值及优化后模拟值对比5 8 i x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 马仁擘日期：刀听年弓月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：均仁窜日期：斫年多月肜日 导师虢馅钙吼舢夕年3 肋日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 当前，世界面临最严峻的挑战是能源和环境问题，“节约能源，保护环境 成 为各个国家的重要发展战略。近些年来我国经济快速发展，汽车保有量与日俱增， 面临着汽车能源需求和环境保护的双重巨大压力。发动机作为现代社会的重要动 力装备，无论是飞机、舰艇还是车辆，都离不开它。它所发出的功率占全世界所 有动力装备总功率的5 0 以上，消耗的燃料占石油燃料的6 0 以上；同时，它也 是人类最大的环境污染源之一，它所排放的废气约占工业废气的5 0 左右。因此， 从节约能源和保护环境的角度出发，人们对其性能提出了愈来愈苛刻的要求，既 要输出功率大( 动力性好) 、比燃料消耗少( 经济性优) ，又要符合日益严格的排 放法规要求( 低污染甚至零排放) 。影响这些性能的因素是多方面的，无论对压燃 式还是点燃式发动机，无论对二冲程还是四冲程发动机，其中配气机构又是众多 因素中影响十分重要的因素之一。 配气机构是发动机的重要组成部分。它的功能是按照发动机每一气缸内所进 行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭进、排气门，使新鲜充量( 汽 油机为可燃混合气、柴油机为空气) 得以及时充分地进入气缸，而废气得以及时 彻底地从气缸排出【l 】。一台发动机的动力性能、经济性能是否优越，工作是否可 靠，噪声与振动能否控制在较低的限度，常常与其配气机构设计是否合理有密切 的关系【2 】。设计合理的配气机构应具有良好的换气性能，进气充分，排气彻底， 即具有较大的充气效率，泵气损失小，配气正时恰当。与此同时，配气机构还应 具有良好的运动学、动力学性能，工作时运动平稳，振动和噪声较小，不发生强 烈的冲击磨损等现象，这就要求配气机构的从动件具有良好的运动变化规律，以 及合适的正、负加速度值。发动机配气凸轮机构是由凸轮轴驱动的，配气机构的 这些性能指标很大程度上取决于配气凸轮的结构【3 j 。很长一段时间里，人们设计 发动机配气凸轮的方法是根据已定的基本参数以及以往的设计经验和资料，先设 计出凸轮的几何形状，然后通过机构运动学计算，求出凸轮从动件运动规律，检 查它是否符合设计要求。显然，这种设计方法带有一定的盲目性，并且由于凸轮 外形轮廓通常由几段不同半径的圆弧或直线相接而成，因此在交接点处，凸轮外 形曲率半径突变，相应的从动件运动规律不能满足发动机向高速发展的要求，配 气机构的工作平稳性和耐久性较差。为了克服以上缺点，目前在设计配气凸轮外 形时，可把配气机构视为刚体，且一般是根据给定的基本参数先制定出理想的气 门运动规律，其特点是可以满足加速度度曲线的连续性，有尽可能大的气流通过 发动机配气机构优化改进设计 能力，有较好的配气机构动力性能等，然后再审查相应的凸轮几何外形是否实现 预期的运动规律。具有以上运动规律的任何凸轮，都称为无冲击凸轮【4 j 。 随着计算机技术的不断发展和进步，c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 正成为发动机现代设计与研究方法发展的主流。本文是基于a v lt y c o n 平台， 对国内某厂家的某一款四缸汽油机配气机构进行研究和优化改进设计，把理论分 析与工程应用融合起来，在产品改进设计中起到了很好的辅助作用，也为以后的 学习和工作积累了经验。 1 2 发动机配气机构技术现状 配气机构作为发动机的重要组成部分，其性能好坏对发动机的性能指标有着 很重要的影响，我们要求配气机构具有良好充气性能的同时，还要求有较高的工 作可靠性。特别是对于高速、大功率发动机，人们对其性能指标的要求更高，要 保证它具有良好的动力学性能和工作可靠性，即关键摩擦副零件具有很好的耐磨 性能，这给配气机构的设计以及制造工艺增加了难度，提出了一些新的研究课题 【2 5 】。这就需要从配气机构的结构型式、配气凸轮型线设计等方面来开展研究。 配气机构应保证各气缸换气良好，充气系数尽可能高，能够根据工作需要，合理 地开启和关闭进、排气门。四冲程发动机大多采用气门一凸轮式配气机构，因为 这种机构工作可靠，尤其是进、排气门能够持久地保证燃烧室的密封性。随着汽 车及发动机技术的发展，对配气机构也提出了更高的要求，其相关新技术也得到 了发展【3 1 。 1 2 1 顶置凸轮轴式配气机构 气门机构按凸轮轴的放置位置分成顶置凸轮轴型、中置凸轮轴型和下置凸轮 轴型。下置凸轮轴型凸轮轴装在曲轴箱内，可以简单地用一对齿轮传动，应用较 广，但由于零件多，传动链长，整个机构刚度差。这种机构在发动机高速运转时， 会产生较大的惯性力、振动及噪声，消耗较大的动力，并且可能破坏气门的运动 规律和气门配气正时。中置凸轮轴型配气机构为了减小气门传动机构的往复运动 质量，可将凸轮轴的位置移到气缸体的上部，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂而 省去推杆。该形式的配气机构因曲轴与凸轮轴的中心线距离较远，一般要在中间 加入一个中间齿轮( 惰轮) 。顶置凸轮轴型凸轮轴布置在气缸盖上，往复运动的质 量大为减小，对凸轮轴和气门弹簧的要求也最低，高速时气门工作良好，零件惯 性力极小，工作平稳，因此它适用于高速强化发动机【3 5 】。顶置凸轮轴型分为单顶 置( s o h c ) 和双顶置凸轮轴( d o h c ) 。单顶置凸轮轴在气缸盖上用一根凸根轴 直接驱动进、排气门，它具有结构简单的特点，适用于高速发动机，而双顶置凸 轮轴采用两根凸轮轴来分别驱动进、排气门，采用双顶置凸轮轴对凸轮轴和气门 2 硕士学位论文 弹簧的设计要求不高，特别适用于气门v 形配置的半球形燃烧室，也便于和多气 门配气机构配合使用【6 j 。配气机构采用顶置凸轮轴式结构，减少了从凸轮到气门 之间的传动零件，减轻了配气机构的运动质量，提高了系统的刚度，将发动机的 结构变得更加紧凑，使配气系统可在很高的转速下正常工作。在国内，很多汽油 机已采用顶置凸轮轴配气机构，相应的技术研究也取得了较大的突破【7 9 1 。 1 2 2 多气门配气机构 最初出现的多气门发动机，仅用于赛车，主要是为了降低排气门的机械负荷 和热负荷，但由于制造技术不够成熟，没有在发动机制造业得到推广。当前应用 多气门发动机的主要目的是提高功率，随着汽车发动机的转速越来越高，传统的 两气门已经不能胜任在短促的时间内完成换气工作，限制了发动机性能的提高。 解决这个问题的方法只能是扩大气体出入的空间，换句话就是用空间换取时间。 多气门技术是解决问题的最好方法，直至8 0 年代推广多气门技术才使发动机的整 体质量有了一次质的飞跃。多气门发动机具有很明显的优势，它不只是增加了进、 排气流动面积，减小了流动阻力损失。对于汽油机，多气门技术可以使火花塞中 央布置，以缩短火焰传播距离，提高抗爆性，因而可以采用更高的压缩比，提高 汽油机的燃油经济性。对于柴油机，可以实现喷油器的垂直中置，对混合气形成 和空气利用也极为有利【l0 1 。多气门发动机不仅提高了发动机功率和燃油经济性， 在减少排污方面也有很好的潜力【3 l 。促进发动机多气门技术广泛应用的原因有： 有关自动化设计计算技术方面取得新成就；制造和加工工艺水平越来越高；计算 机控制技术的迅速发展，可以充分发挥多气门配气方案的优越性，保证发动机在 整个负荷和速度范围内形成最佳混合气，并适时适度地送入气缸等【2 3 】。多气门 发动机具有两气门发动机无法比拟的优越性，世界各国的汽车发动机制造业都将 转向多气门发动机的制造，多气门配气方式是发动机配气机构发展的必然趋势捧j 。 1 2 3 可变配气系统技术 发动机的配气相位和转速对充量系数有较大的影响，为获得最大的充量系数， 减少泵气损失，比较理想的进气系统，应满足以下要求： ( 1 ) 低速时，采用较小的气门重叠角以及较小的气门升程，防止出现缸内新 鲜充量向进气系统的倒流，以增加低速时转矩，提高燃油经济性； ( 2 ) 高速时应具有最大的气门升程和进气迟闭角，以最大程度地减小流动阻 力，并充分利用过后充气，提高充量系数，满足发动机高速时动力性要求； ( 3 ) 配合以上变化，进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应的调整， 以实现最佳的进气正时，将泵气损失降到最低。 理想的气门正时和升程规律应当根据发动机的运转工况及时作出调整，气门 驱动机构应具有足够的灵活性。传统的凸轮气门驱动机构很难满足发动机在全速 发动机配气机构优化改进设计 运行时有合适的配气相位和气门升程，严重影响着发动机的工作性能。采用无凸 轮电液、电磁、电气或其他的气门驱动方式，可完全控制配气相位和气门升程， 从而提高发动机的动力性和经济性，降低排放。但无凸轮气门驱动大都还处于实 验研究进程，要广泛的应用于发动机还需要更多的投入。目前商品化的可变配气 系统主要是机械式的，分为可变凸轮机构( v a r i a b l ec a m s h a rs y s t e m ，缩写v c s ) 和可变气门正时，( v a r i a b l ev a l v et i m i n g ，缩写v v t ) 及其组合，这样基本可以实 现可变气门正时、可变气门升程和可变气门持续角等功能。 1 可变凸轮机构 可变凸轮机构一般都是通过两套凸轮或摇臂来实现气门升程与持续角的变 化，即在高速时采用高速凸轮，气门升程与持续角都较大，而在低速时切换到低 速凸轮，升程和持续角均较小。采用可变凸轮机构与传统的配气机构的性能相比， 发动机的低速转矩和高速性能都能得到显著的改善【l0 1 。 2 可变气门正时 v v t 系统通过改变发动机气门的开启关闭时刻来迎合进气压力波动的变化 特征，从而使迸气压力波动效应更有效地与发动机在不同工况下换气过程的需要 匹配。目前v v t 气门定时的可变范围在5 0 0 c a 左右，个别系统已达到6 0 0 c a 。 v v t 技术主要应用在汽油机上，一般情况下，采用进气v v t 对汽油机外特性的 最大转矩与最大功率的改善可达5 8 。 采用v v t 技术也可以降低汽油机部分负荷下的比油耗。由于汽油机的负荷 调节方式是量调节，即在部分负荷下通过降低进气压力来控制进气量与功率输出。 这一原理在汽油机部分负荷运行时将产生很大的泵气损失，且汽油机负荷越小， 泵气损失越大。采用进气v v t 能有效地减小泵气损失，即可通过进气门晚关的 方式，将部分吸入气缸内的新鲜空气量再推出回进气道来实现缸内新鲜空气的控 制量( m i l l e r 循环) ；或者采用进气门早开早关的方式，使部分缸内残余废气先回流 进入进气道，然后再吸入气缸，以减小新鲜空气量来实现其量的控制。无论是采 用v v t 的早开早关还是晚开晚关方式，均能降低进气系统的真空度，减小泵气 损失。试验结果表明，采用进气v v t 后可降低整车油耗达6 左右。 采用排气v v t 后，不仅可以对进气v v t 的工作范围的不足作为一种补充， 扩大汽油机的最佳工作范围，更重要的是排气v v t 可有效地通过控制缸内e g r 量来部分实现缸内净化( n o x 控制) ，并有可能取代缸外e g r 装置。根据相关资料 表明，采用排气v v t 后对整车油耗水平的改善，可在进气v v t 的基础上进一步 降低l 2 。 此外，v v t 技术对汽油机原排放的缸内净化作用也十分显著：由于可控制缸 内e g r 以及气门重叠角，既可控制大负荷时的燃烧温度来抑制n o x 生成，又可 提高汽油机的怠速以及中、低负荷的燃烧稳定性而大幅度降低h c 和c o 的原排 4 硕士学位论文 放。根据相关资料表明，采用进气和排气双v v t 技术后在美国联邦道路循环 f t p 7 5 工况下，汽油机原排放n o x 可降低7 0 ，h c 与c o 可降低15 。 目前国外生产的汽油机绝大多数已采用进气与排气双v v t 技术，而国内目 前生产的带v v t 技术的汽油机比重较低( 估计在2 0 左右) ，并且大部分均只采 用进气v v t ( v v t - i ) ，但随着对排放水平越来越严格的要求，总的趋势是向双 v v t 发展。 1 3 课题来源及本文的主要内容 本论文研究的是某汽油机d v v t 升级阶段c a e 优化设计项目中的一部 分，本文主要针对该汽油配气机构进行分析、研究和改进。利用a v l 公司开发的 a v lw b r k s p a c e4 0 中的t y c o n 模块对原机配气机构进行运动学、动力学分析， 找出其存在的问题；针对其存在的问题，并结合厂家对改进后发动机性能的要求， 重新设计进、排气凸轮型线，改善其机械性能；然后利用g t - p o w e r 软件对发动 机整机性能进行模拟计算，使改进后发动机的性能达到预期的目标要求。 本文的主要内容包括： ( 1 ) 介绍论文研究的目的和意义，阐述发动机配气机构技术现状； ( 2 ) 介绍发动机配气凸轮型线设计方法、设计准则、配气机构运动学、动力 学分析手段和方法； ( 3 ) 利用a v lt y c o n 软件建立该汽油机配气机构运动学、动力学模型，并 对其进行运动学、动力学计算分析，找出原配气机构存在的问题； ( 4 ) 针对原机配气机构存在的问题，并结合厂家对改进后发动机的性能要求， 重新设计进排气凸轮型线，并对改进后配气机构进行运动学、动力学分析，并得 出结论； ( 5 ) 利用g t - p 0 w e r 软件建立发动机性能模拟计算模型，对原机和优化改 进后发动机的性能进行模拟计算，使改进后发动机性能达到预期目标。 1 4 本章小结 ( 1 ) 指出了论文研究的目的和意义； ( 2 ) 介绍了配气机构在发动机中的重要地位和作用； ( 3 ) 较详细地介绍了发动机配气机构的技术现状； ( 4 ) 指出了本论文的课题来源和主要工作内容。 5 发动机配气机构优化改进设计 第2 章配气凸轮设计及配气机构计算分析 2 1 配气凸轮设计 整个发动机配气机构是由配气凸轮驱动的，配气凸轮的优化设计的优劣不但 对整个配气机构的性能起着决定性的作用，而且直接影响到其动力性，经济性， 可靠性，振动，噪声与排放特性的好坏【1 1 】。因此，配气凸轮的设计需遵循一些准 则。 2 1 1 配气凸轮设计准则 配气机构的设计最重要的就是配气凸轮的设计。配气凸轮的设计，主要是设 计其廓形，应当遵循以下准则。 1 准确的配气正时 配气定时是影响发动机换气品质的主要因素之一】。进、排气门开启、关闭 时刻( 即配气定时) ，必须与进、排气门开启规律、气道设计、管道内气体流动状 态、扫气要求、换气功损失等相适应。配气凸轮型线设计时，应选取恰当的缓冲 段高度及缓冲段包角，保证准确的配气正时。实际上由于机构存在变形等原因， 一般很难做到准确，气门启闭时刻与理想状态总会有些误差，只要误差在允许范 围内即可【12 1 。 2 良好的换气性能 能否做到排气彻底、进气充分的衡量标准通常看反映气流通过能力大小的“气 门瞬时开启面积或“时间断面 的大小【1 1 1 。 假设当凸轮转角为口时，气门升程( 即位移) 为y ，则y = y ( 口) ，此时气门的 通路面积为： 瓦( 口) = 万d c o s y y ( 口) + 万c o s 2y s i n y ) ，2 ( 口) ( 2 1 ) 式中：d 一气门座面内径； y 一为气门座面角。 气门开启的时间断面为c ) 的积分，即： ， ) = fc 矽甜= 蒯c 。s 7 fy 矽口+ 万c 。s 2 厂s i n 厂fj ，2 矽口 ( 2 2 ) 式中：口一气门开启瞬时的凸轮轴转角； 口。一气门关闭时的凸轮轴转角。 为了便于比较各种工作段包角和最大升程的各种凸轮型线对充气性能的影响 效果，我们可用丰满系数作为评价指标。 善= 4 少( 口k 缸( 一口) ( 2 3 ) 6 硕上学位论文 式中：。一气门最大升程。 一般认为丰满系数较大对充气性能上有利的，但如果一味追求大的丰满系数 而使机构产生较大冲击，则可靠性和平稳性将变得很差，最终也就无法保证得到 良好的充气性能【1 1 】。 3 工作平稳，振动和噪声较小 配气机构的平稳性，以及是否存在飞脱和落座反跳等现象，需要通过配气机 构动力学计算来验证【1 1 】。要确保配气机构动力学响应形态较好，配气机构挺柱升 程乃位) 曲线应满足一些基本的要求： ( 1 ) 挺柱升程办缸) 曲线应有较好的光滑性，即办 ) 的二阶、三阶以至更高 阶导数连续； ( 2 ) 挺柱最大正加速度和最大负加速度的数值均不能过大，脉冲( 三阶导数) 的最大值也不要过大； ( 3 ) 挺柱正加速度段的宽度与配气机构的自振周期间应有较好的配合，一般 讲，正加速度宽度不应太小； ( 4 ) 缓冲段高度应选择合适，由气门间隙及配气机构结构决定。 这里往往用气门加速度曲线变化率的最大值来评价气门运动的平稳性。气门 运动加速度变化率最大值定义为最大跃度值。一般最大跃