（轮机工程专业论文）重型lng发动机配气相位及凸轮型线优化.pdf

武汉理上人学硕十学位论文 摘要 本文研究的l n g 发动机以柴油机为基础机型进行研发设计，由于l n g 发 动机与柴油机的燃料供给方式不同，采取预混合方式的l n g 发动机不能继续采 用原柴油机的配气相位。因原柴油机配气相位的进排气重叠角较大，会造成燃 料的直接排放，既增加了燃料消耗，也不利于满足排放法规要求。 针对这种情况，本文利用a v lb o o s t 、a lt y c o n 软件对该型l n g 发 动机分别进行了整机性能模拟计算和配气机构凸轮型线的优化设计，详细分析 了配气相位对整机性能的影响，并针对相位优化后的凸轮型线进行了优化设计， 更好的满足了配气机构的性能要求。主要研究工作如下： ( 1 ) 利用a v lb o o s t 软件建立了l n g 发动机的整机计算模型，通过外特 性试验验证了所建模型的正确性，在此基础上计算分析了进气迟闭角、排气提 前角和重叠角变化对l n g 发动机性能的影响，并提出优化方案。 ( 2 ) 利用a v lt y c o n 软件建立了l n g 发动机迸排气门配气机构运动学 和动力学仿真计算模型，首先对比分析原凸轮型线和相位优化后型线的配气机 构运动学和动力学性能，之后根据分析计算结果，提出优化方向，对相位优化后的 凸轮型线进行优化设计，并进行动力学计算以验证其是否满足动力学性能要求。 整机性能模拟计算结果表明，在其它相位角不变时，重叠角减小会使l n g 发动机的动力性迅速下降，因此在减小重叠角的情况下，需优化进气迟闭角和 排气提前角，才能在保持l n g 发动机动力性的基础上降低燃气消耗率和减少 c h 4 的直接排放。由配气机构运动学和动力学模型计算可知，相位优化后的凸轮 型线存在着跃度大、丰满系数偏小等问题，针对上述问题进行了凸轮型线的优 化设计，优化后的凸轮型线满足动力学要求，并进一步改善了配气机构的整体 性能。 关键词：l n g 发动机，配气相位，重叠角，凸轮型线 国家8 6 3 科技攻关项目( 2 0 0 8 从1 1 a 1 2 1 ) 幸国家自然科学基金资助项目( 5 0 8 7 6 0 7 8 ) 武汉理= 火学硕士学位论文 a b s t r a c t t h el n ge l l 百n ei nt h i sp 印e rd 耐v e sf 如mad i e s e le 1 1 季n e 7 1 1 1 ev a l v et i m i n go f t h ed i e s e le n 西n en ol o n g e rf i t sd u et o 吐l em c ls u p p l yd i 侬啪c eb e t 、v e 饥l n ge n 百n e 锄dd i e s e le n 百n e ，c o n s i d e r i n gt h eu s i n go fp r e - m i x e di n t a l 【em o d ef o rt h eu 呵g e l l 西n e o t h e n i s e ，ap o n i o no fc h 4 w i l lb ed i s c h 鹕e di n t 0a t m o s p h e r ed i r e c t l y ，w l l i c h w i l ll e a dt oe x c e s sc o n s u m p t i o no f 如e la n di n v a l i d a t i o nt 0m e e tm ee n l i s s i o n r e g u l a t i o n s ，a sar e s u l to fm eu s i n go f 廿l el a r g e rv a l v eo v e r l a p t os o l v et h i sq u e s t i o n ，t h eo v e r a l lp e 墒m a l l c eo fl n ge 1 1 百n es i m u l a t i o na i l dt h e c 锄p r o f i l eo ft h ev a l v e 昀i no p t i m i z a t i o nw e r ec a 而e do u tb a s i n go na v l b o o s t a i l da v lt y c o ns o 觚a r ei nt h i sp a p 既t h ei m p a c to fv a l v et i m i n go nt h eo v e r a l l p e r f o r m a n c eo fl n ge 1 1 百n ew a s 锄a l y z e dd e t a i l e d l y ，a n dt l l ec h a i l g e dc 锄p r o f i l e w a so p t i m i z e dt om e e tt h er e ( 1 u i r e m 饥to fv a l v et r a i n t h em a i l lw o r ki ss u m m a r i z e d 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) t h el n ge l l 百n em o d e lw a se s t a b l i s h e dw i t ha v l b o o s ts o 脚a r e ，a 1 1 dw 邪 v 嘶f i e db ys p e e dc h a r a c t e r i s t c st e s ta t 彻1l o a d b a s i n gu p o nt h em o d e ，锄 o p t i m i z a t i o np r o p o s a lw a sr e c m e l l d e db ya n a l y z i n gt h ei m p a c to fi n t a l ed d a y e d 狮酉e ，e x h a u s ta d v a r i c e da i l 酉ea n dv a l v eo v 甜印o n t h ep 枷a 1 1 c eo ft h ee 1 1 百n e ( 2 ) t 1 1 eb n 锄a t i ca n dd y l l a m i cs i i n u l a t i o nm o d e l so fi n t a k e 锄de x h a u s tv a l v e 仃a i nw e r es e tu pu s i n ga v i 。t y c 0 | ns o 脚a r e f i r s t ，t h ep e 】雨m l a i l c eo ft h eo r i 舀n a l c 锄p r o 矗l e 锄dn l ep h a s e o p t m z e dc 蛐p r o f i l ew a s 唧a r e d ，t l l e i l 锄o p t i m i z a t i o n d i r e c t i o no ft h ep h a s e o p t i m i z e dc 锄p r o 矗l ew a sp u tf 0 n ) l ，a r da i l dm ec 锄p r o 矗1 ew 觞 o p t i m i z e da c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y ，m eo p t i m i z e dc 锄p r 0 6 l ew a u s e v a l u a t e da c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to fd y n 踟i cp e r f o h l l 锄c em r o u 曲t 1 1 ed y n 锄i c s i m u l a t i o n 0 | v e r a l lp e 墒肌a 1 1 c er e s u l t so fl n ge n 酉n es h o wt h a tt h ev a l v eo v 甜a pr e d u “o n w i l lr e d u c es h a 叩l ym ep o w e ro fl n ge n 酉n ew i t ht i l eo t h e rp h a s en o c h 觚g e t h e r e f o r e ，t h ei n t a l ( ed e l a y e da i l 羽ea n de ) 【l l a u s ta d v a i l c e da l l 弭eo p t i m i z a t i o n ，i sn e c e 幸p r o j e c t2 0 0 8 a a l l a l 2 1s u p p o r t e db yn a t i o n a lp r 0 莎锄8 6 3 幸p r o j e c t5 0 8 7 6 0 7 8s u p p o r t e db yn s f c l i 武汉理工大学硕七学位论文 一s s a 秽t or e d u c et h e 向e lc o n s u m p t i o na l l dc o n s 仃茹nc h 4 锄i s s i o nw i t h o u te f f e c t i n g t h ep o w 盯o fe n 西n e i tc a nc o n c l u d et h a tt h ev a l u eo fj e r ko ft h ep h a s e o p t i m i z e d v a l v e 仃a i ni sl a r g ea n dt h e 如l l n e s sc o e 硒c i 肌ti sn o te l l o u 曲l a r g e 丘o mt h es i m u l a t i o n r e s u l t so fm ek i n e l n a t i c sa i l dt h ed ) ，i l a m i c sm o d e lo fv a l v e 昀i n h lo r d e rt 0s 0 1 v e “s p r o b l 锄，o p t i m i z a t i o nd e s i g no nt h ec 锄p r 0 6 l ew a sc 枷e do u tt oi m p r 0 v et h e p e r f i o 瑚a n c e ，a l l dt h ed y i l a m i cp e r f 0 m l a n c er e q u i r e i 】f l e n tw a s m e t k e yw o r d s ：l n ge n 百n e ，v a l v et i i n i n g ，v a l v eo v 甜a p ，c 锄p r o f i l e h l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：篓芝磁日期：丝乜：! ! f 多 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 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缺及排放法规的不断严格，天然气发动机的研制开始在世界范围内得到重视， 各国都丌始进行天然气发动机的研发设计。相比于国外，我国天然气发动机的 研究则是起步于2 0 世纪5 0 年代，进展缓慢，并没有得到全面重视。1 9 9 8 年， 我国开始重视天然气发动机的研制，专门成立了国家燃气汽车工作协调领导小 组及办公室，负责指导全国范围内天然气汽车的发展。2 0 0 6 年，国家启动了“节 能与新能源汽车 高科技计划，对天然气汽车行业的发展起到了强大的推进作 用【6 】。预计到今年，我国天然气汽车的保有量将达到7 0 0 0 辆，随着国内城市供 气系统和加气站网络建设的完善，天然气汽车必将得到大力推广【6 】。 随着天然气发动机研发技术的逐渐发展，相关的技术同趋成熟，从燃料控 制角度来看天然气发动机的技术发展，现在可大致分四代【_ 7 】： 第一代：机械混合器进气。这一代技术对应于汽油发动机的化油器技术【丌， 保留原发动机的燃烧系统，加装一套天然气供给系统，天然气通过混合器调节 空燃比。对于使用机械混合器的天然气发动机，与燃烧汽油或柴油时相比，即 使天然气供给系统与发动机匹配较好，其动力性也会出现明显的下降。从经济 性上考虑，应用这种技术可降低成本，但对降低发动机或整车排放的效果是不 明显的，统计结果显示，仅仅使用这一简单系统的c n g 汽车，其排放水平很难 达到欧i 的排放标准。 目前我国四川、重庆等天然气相对丰富的地区还在延续使用第一代技术【。7 1 。 第二代：电控混合器进气。电控混合器技术采用简单的空燃比闭环控制技术， 通过氧传感器的反馈信号，检测发动机的空燃比，再结合其它传感器( 如转速 传感器等) 的信号，通过e c u 电控单元来控制燃气流通截面实现空燃比的控制， 使发动机的空燃比保持在理论空燃比附近，以便充分发挥三元催化器的效掣。7 1 。 相比于第一代技术，第二代技术在性能上有明显提高，发动机排放水平可达欧 i i ，国外在第二代技术上的典型代表有卡特彼勒3 2 0 8 型发动机，康明斯 b 5 9 1 9 5 g 发动机。国内在这方面也做了大量的研究工作，重庆鼎辉的d h e c u i 型控制系统便是典型代表。 第三代：电控气体喷射技术。通过采用闭环电控喷射和天然气专用催化转 换器，并结合高能点火、增压中冷、电子节气门等技术，同时设计与天然气燃 料特性相适应的发动机燃烧系统、进排气系统等，可使天然气发动机的动力性 和经济性得到进一步改善，排放水平可达到欧i i i 甚至更高的排放法规要求【8 】【9 】。 电控气体喷射可采用单点喷射s p i 和多点电控喷射m p i 、进气道喷射和缸内直接 喷射等多种方式。目前第三代技术的典型代表有w o o d w a r d 公司的o h l 2 、 2 o 系统，国内上柴的t 6 1 1 4 z l q 3 b 发动机等都是采用o h l 2 系统。 2 武汉理：i ：人学硕十学位论文 第四代：缸内直喷技术。该项技术改变了天然气的传统进气方式，可以明 显提高天然气发动机的充量系数，对动力性提高具有显著作用。加拿大西港公 司开发的天然气缸内直喷技术，通过采用一套液压装置，将天然气的压力增加 到3 0 m p a ，然后直接将天然气高压喷入气缸，再利用电热塞点燃( h s i 技术) 天然气或者利用微量柴油引燃天然气( h p d i 技术) 【l o 】。h i s 技术利用持续保持 1 2 0 0 左右高温的电热塞点燃压缩上死点前喷入缸内的天然气，这种燃烧模式 类似于柴油机的狄塞尔循环燃烧模式，与传统的火花塞点火有本质的区别【j 7 1 。五 十铃公司在4 5 升轻卡上应用该技术，相比于火花塞点火式，发动机热效率提高 了2 5 。h p d i 技术的燃烧模式则是和柴油机的扩散燃烧模式相同，不仅提高了 燃烧速度，同时也提高了发动机的经济性和降低了n o x 的排放。 1 2 2 天然气发动机的研究现状 目前天然气发动机的研发都是以技术非常成熟的汽油机或柴油机为基础机 型进行改进设计，使其成为单燃料天然气发动机。在改进设计的过程中，发动 机会出现动力下降和磨损加剧等现象【1 2 15 1 。为了能够解决天然气发动机出现动 力性下降等问题，各国发动机公司都进行了自己的技术设计，使发动机的动力 性、经济性得以保持，并较大幅度的改善排放性，下面给出部分公司产品机型 的参数及技术： 表1 1 部分公司产品机型的参数及技术 名称底特律康明斯m a c k 机型 6 0 gi s x ( 弭5 0e 7 g 3 2 5 、3 5 0 发动机四冲程、六缸、排量1 2 7四冲程，六缸、排量1 5 升、四冲程、六缸、排量1 2 参数升，功率2 9 4 k w 。功率3 3 4 k w 升、功率2 4 2 、2 6 1 k w d d e c 控制系统( 提供稀燃、可变进口几何面积涡w b o d w a r do h 1 2 e c u 更精确和完整的发动机轮增压器、h p d i ( 缸内高压发动机控制装置、分线 控制) 、电控点火、放气直喷) 、电热塞点火 性氧传感器闭环燃油控 阀式涡轮增压器、d d c ( c n g d i ) 、具有电控e g r制系统、具有电子减压 使用闭环控制、缸壁顶部冷阀的e g r 中冷系统。控制装置的线控节气门 技术却( 可降低l o o 度左右) 、系统、e g r 系统、 电子爆燃传感器( 防止稀燃、三效催化器 不良工况的发生) 、短迸 排气道( 更少的能量损 失) 、稀燃。 3 武汉理f ：大学硕十学位论文 从表1 1 中可以看出，各公司采用了各种先进技术来达到恢复天然气发动机 动力性、提高经济性和排放性的目的。例如康明斯西港公司发明的h p d i 和 c n g d i 技术，其中h p d i ( 缸内高压直喷) 技术采用的是双阀机构，内阀喷射 柴油进行引燃，外阀喷气进行主燃烧，采用这种技术后，相比于原型柴油机， 氮氧化物减少4 0 5 0 颗粒排放物减少接近8 0 ，温室气体排放减少2 0 2 5 ， 且可以保持热效率和动力性不下降1 2 1 。c n g d i 缸内直喷技术则是利用温度超过 1 2 0 0 ( 保证点火稳定) 的电热塞进行点火，在压缩冲程的末期喷入天然气， 混合气体到达电热塞时产生点火，进行燃烧。使用c n g d i 技术后，颗粒物的 排放几乎为零，相比于同型柴油机，温室气体排放降低2 0 ，相比于火花塞点 火式天然气发动机燃油效率提高2 5 。美国底特律公司生产的型号为6 0 g 的天 然气发动机采用d d e c 控制系统( 提供更精确和完整的发动机控制) 、电控点火、 放气阀式涡轮增压器、d d c 闭环控制、缸壁顶部冷却( 可降低1 0 0 左右) 、电 子爆燃传感器( 防止不良工况的发生) 、短的进排气道( 更少的能量损失) 、稀 燃等多项技术，使天然气发动机的动力性能得到保持，排放性能则得到了很大 的提高。另外m a c k 公司生产的型号为e 7 g 3 2 5 、3 5 0 的天然气发动机也达到了 良好的动力性、经济性和排放性。 正是采用了电喷、可变气门升程相位、稀薄燃烧等众多先进技术，使天然 气发动机的动力性得以保持，经济性得以改善，排放水平得到提高，通过结合 材料、工艺等新技术的发展，天然气发动机将会得到更快更好的发展，最终发 展成天然气发动机与液体燃料发动机达到相同的性能水平，特别是缸内直喷技 术的出现使实现这个目标向前走了一大步【1 9 】。 1 2 3l n g 作为车用燃料的优势 目前，天然气发动机多数采用压缩天然气技术，即将天然气在常态下压缩 并存储在2 0 m p a 以上的高压罐内【2 0 1 。虽然压缩天然气在使用中很好的改善了发 动机的排放性等问题，但仍然存在着许多不足，例如车辆的续驶里程短、车用 钢瓶自重大、纯度不高、经济性不太理想等，特别是续驶里程短，使其不能很 好的应用在长途汽车上，对其推广应用具有较大限制【2 l l 。相比于压缩天然气， 液化天然气( l n g ) 则具有更多的优点： 1 ) l n g 能量密度大，储存效率高，续驶里程长。l n g 的储存能量密度可以 是c n g 的数倍，可使汽车的续驶罩程大大增加，适合作为长途车用燃料。同时 4 武汉理1 ：大学硕士学位论文 l n g 可象油品一样运输，使用的地域范围更广。 2 ) l n g 的工艺性高于c n g 。在l n g 的生产过程中，首先将天然气净化， 之后脱除掉如水、c 0 2 、h 2 s 及重烃类等物质，之后进行加压、制冷液化，通过 杂质的去除，可使l n g 的组份更纯，因此l n g 作为车用燃料，其环保性能优 于c n g 【2 2 1 。 3 ) l n g 的安全性能好。车用l n g 燃料箱内压力范围为o 1 1 4 0 7 m p a ，而 c n g 的储存压力一般为2 0 2 5 m p a ，另外l n g 具有较高的爆炸极限，相比于 c n g ，l n g 具有更好的安全性能【2 2 j 。 4 ) l n g 的经济性好。相比于汽柴油的价格，l n g 要便宜3 0 4 0 ，同时 由于l n g 的能量密度大( 如表1 2 所示) ，可以在相同续驶里程下，降低运行车 辆的总重，这些都可以降低运行成本，达到较好的经济效益。 表1 2 各种汽车燃料单位价格和热值比较 价格( m j m 3 ) 单位价格热一直( m j 元) 燃气类型热值( m j m 3 ) 费改税前费改税后费改税前费改税后 c n g3 3 7 9 1 8 7 51 8 7 51 8 0 2 01 8 0 2 0 l p g4 6 0 53 1 2 53 1 2 51 4 7 3 0 1 4 7 3 0 9 0 号汽油 4 1 8 62 5 3 04 0 6 01 6 5 5 01 0 3 l o 柴油 4 6 0 52 0 0 03 3 2 02 0 9 3 01 3 8 7 0 l n g 3 8 5 11 8 0 01 8 0 02 1 4 0 02 1 4 0 0 5 ) l n g 加注便捷。加注流程与加油站加注汽油或柴油的流程一样，方便快捷。 6 ) 冷能回收利用率高，最高可达5 0 ，回收的l n g 冷能可用于汽车空调 或汽车冷藏车。 7 ) l n g 便于运输，适用范围广。相同能量的l n g 占用体积小，且可以像 油品一样运输，另外由于l n g 可直接汽化为c n g ，因此也可实现c n g 的加注， 这样的特性增加了l n g 的使用范围。 1 2 4l n g 发动机的研究现状 l n g 作为车用燃料所具有的各种优点，使l n g 汽车具有良好的应用前景。 相比于c n g 发动机，世界各国对l n g 发动机的研究起步较晚。随着发动机技 术和工艺水平的不断发展和提高，世界各国开始重视l n g 发动机的研究。目前 5 武汉理1 ：人学硕士学位论文 处于研究前沿的是美国和日本，由于两国对l n g 发动机的研究起步较早，因此 在l n g 汽车的应用方面占有领先优势。如美国的卡特彼勒、康明斯、底特律柴 油机、福特、马克等公司都已经生产出l n g 发动机，其排放性都可以满足美国 的低排放标准，同时日本的铃木等公司也开发出了电控多点喷射l n g 发动机， 并成功应用于微型客车上。加拿大西港公司与康明斯公司合作的i s x g 型l n g 发动机在2 0 0 3 年时就已经在重卡上进行试运营。在l n g 生产、储存等设备上， 美国的m v e 公司独则处于领先地位，是目前世界最大的l n g 设备生产商，生 产的设备包括车用气瓶、加气站、大型储存罐、自动加气机和各种真空绝热管 等在内的全套l n g 设备，市场占有率达到9 0 以上【2 3 】。 国内的l n g 发动机研究主要是集中在玉柴、潍柴、东风等几大公司，玉柴 的y c 6 j 2 1 0 n 3 0 型l n g 发动机已经成功应用于公交车上，潍柴集团则与西港公 司、香港培新公司联合成立了潍柴动力西港新能源发动机有限公司，研究生产 重卡方向的l n g 发动机。 1 3 配气机构的发展及研究 配气机构是发动机的重要组成部分， 作稳定性和振动噪声都会产生重要影响， 够重视。 1 3 1 配气机构结构型式及技术发展 其性能的好坏对发动机的经济性、工 因此需对配气机构的研究设计给与足 配气机构从布置形式上可分为顶置式、下置式、侧置式三种。随着发动机 技术的不断发展和转速的不断提高，对配气机构的要求也不断提高，配气机构 要具有更好的充气性能，更低的振动噪声，更好的抗磨损能力，更长的使用寿 命，因此配气机构的技术也得到了不断的发展【2 4 】【2 5 】。 1 3 1 1 顶置凸轮轴式配气机构 项置凸轮轴式配气机构有三种结构方式：一是直接驱动气门式，二是摆臂 式，三是摇臂式。 6 武汉理1 = 大学硕士学位论文 ( 鑫) 宣接驱动气门式( b ) 摆臂式( c ) 摇甓式 图1 1 配气机构结构方式 直接驱动气门式指的是凸轮直接作用于气门上，中间省去了摇臂，在高速 时，气门工作性能良好，零件惯性力极小，工作平稳。摆臂式和摇臂式是通过 凸轮驱动摆臂和摇臂来完成，都能达到放大凸轮升程的作用，但摆臂式的缺点 就是凸轮轴要布置在摆臂轴的上方，不利于降低发动机的高度，从这方面考虑， 摇臂式的要优于摆臂式的。配气机构采用顶置凸轮轴式，可以减少从凸轮到气 门之间的传动零件，减轻配气机构运动质量，提高系统刚度，可使配气机构在 很高的转速下正常工作【2 们。 1 3 1 2 多气门配气机构 早期采用多气门配气机构的目的是降低赛车排气门的机械负荷和热负荷。 随着发动机技术的不断发展，多气门配气机构开始得到越来越多的应用。目前， 增加发动机的动力性能是采用多气门配气机构的重要原因，相比于单进排气门， 多气门最直接的好处就是增加进排气门的流通面积，降低进气和排气阻力，提 高充量系数和降低泵气损失，这样有利于提高发动机的动力性能。另外多气门 配气机构还有利于将火花塞布置在中央，这对提高发动机压缩比( 点燃式内燃 机) 和改善混合气质量( 压燃式内燃机) 及燃油经济性和降低排放有利【2 7 】。但 采用多气门也有一定的缺点，如气门机构零部件增加，使制造和维修成本增加。 但从总体而言，利大于弊。近年来，几乎所有强化程度高的车用发动机，均采 用了多气门技术，它可使发动机的转速达到6 0 0 ，m i n 。多气门技术的广泛使用 也与相关技术的发展有很大关系，如优化计算方面的发展，制造和加工水平的 提高等，这些都可以保证多气门技术发挥其优越性，多气门技术会随着相关技 术的不断提高而得到更广泛的应用，成为内燃机配气机构的发展趋势【2 7 1 。 7 武汉理j 大学硕+ 学位论文 1 3 1 3 可变气门正时配气机构 可变配气相位( v v t ) 技术是目前比较先进的配气机构技术。与传统的配 气机构相比，v 、，t 技术可以根据配气相位对发动机性能的影响，提供合适的进排 气门丌启、关闭时刻或升程【2 8 】【”】，从而改善发动机进、排气性能，较好地满足 高转速和低转速、高负荷和低负荷时的动力性、经济性、废气排放要求【3 0 】【3 1 1 。 可变配气相位技术可广泛应用在汽油机以及柴油机上，特别是双凸轮轴的多气 门发动机上。可变气门j 下时配气机构主要可以归结为两种形式：一是可变配气 相位的配气机构，这种结构分为可变凸轮机构和可变气门正时机构，n e l s o n 的 可变凸轮机构和m s t i b u s i h i 公司的m e c 机构是属于可变凸轮机构，可以在高 转速时使用针对高转速设计的凸轮，低转速时选择针对低转速设计的凸轮，这 样可以很好的兼顾高低速的发动机性能，有效提高发动机的整体性能。德国的 b e n z 和美国f o r d 公司则生产出可变气门正时的配气机构【2 。7 1 ，该种配气机构最大 的特点是进排气门单独驱动，可通过特殊机构使凸轮轴转动一定角度，进而改 变配气机构的配气相位，达到提高发动机性能的目的；二是可变配气正时及气 门升程的配气机构【3 2 1 ，其特点是气门升程和相位都可以进行变化，根据发动机 的运行工况可以适时的调整气门升程和相位，达到与工况相匹配的配气效果， 从而提高整机的动力性、经济性等。这种机构的典型代表就是本田的v t e c 技 术，该技术通过液压机构可在不同转速时驱动不同的进气摇臂，进而控制气门 的升程，其缺点是相位的改变是阶段性的，不是连续可变的，因此在此基础上 本田公司又提出了i v t e c 技术，通过增加一个c 的装置达到进排气正时和 重叠角的可连续变化，从而使发动机在大范围的转速范围内都可以得到与工况 相匹配的配气相位，更好的改进了发动机的性能【弱l 。 1 3 2 配气机构凸轮型线优化设计的研究现状 凸轮型线的优化设计，是配气机构优化设计的重要组成部分，其性能直接影 响着配气机构的整体性能。在传统的凸轮型线设计中，人们经常采用简单的圆 弧凸轮或者切线凸轮，但随着发动机转速的不断提高，这些简单形状的凸轮已 经不能满足发动机配气机构的要求，因此对凸轮型线的优化设计提出了更高的 要求【3 4 1 。在进行凸轮型线优化时要考虑配气机构在发动机高转速下的平稳性等 问题，且随着转速的提高，整个机构的刚度要进行着重考虑。在早期，配气机 构是作为刚性系统看待的，但对高柔度的传动系统，则必须考虑其刚度对配气 8 武汉理工人学硕十学位论文 机构性能的影响。随着这些设计要求的提高，需要考虑的因素逐渐增多，如充 气性能、润滑特性、接触应力等因素，这就涉及到了配气机构动力学的研究， 要对配气机构各方面的性能进行分析，以达到更好的优化效果【3 4 1 。 国外对凸轮型线的研究起步较早，从2 0 世纪6 0 年代开始，许多国外学者就 开始从事凸轮型线设计的研究【3 5 j 【3 6 1 。随着数理方法和计算机技术的快速发展， 凸轮型线的设计有了进一步的发展，特别是近年发展起来的仿真计算软件，如 a v l 公司开发的t y c o n 软件就是专门针对发动机的配气机构而研发的，可以 进行配气机构的运动学和动力学的计算，提供三种凸轮设计方法对凸轮型线进 行优化设计。m s ca d 锄s 软件也可对多刚体模型进行动力学分析。相比于国外， 国内在这方面的研究则起步较晚，从1 9 7 3 年起才开始系统的在配气机构动力学、 如何根据机型变化而选择不同凸轮型线等方面展开研究工作【3 4 】。复旦大学的尚 汉冀等人对凸轮设计和配气机构动力学计算等问题进行过深入的研究，提出了 f b 2 型凸轮型线及改进型m f b 2 凸轮型线，在保持配气机构平稳性的基础上， 较好的提高了充气性能。天津内燃机研究所和天津大学机械工程学院成功的编 制了动力学计算程序，对某一柴油机的配气机构进行了动力学计算，并进行了 相应的分析。 近年来，随着先进软件的引进，一些高校和企业联合，对发动机配气机构进 行优化设计研究，并取得了一定的成果，如潍柴动力与山东大学联合应用a v l 公司的软件进行了配气机构的优化设计，优化了相位，改进了机构性能。其它 如昆明理工大学、华中科技大学、武汉理工大学等在这方面都做过相应的设计 研究。 1 4 本文研究的目的、意义及主要内容 1 4 1 研究背景 虽然汽油机和柴油机技术已经取得非常大的发展，各方面性能得到很大提 高，但随着环保法规的日益严格和资源的只益短缺等原因，使得人们把重点开 始投向天然气发动机，与传统发动机燃料柴油和汽油相比，天然气是以气态的 形式与空气进行混合，与空气的混合气混合更为均匀，燃烧比较完全，具有更 好的排放性，几乎没有颗粒物排放，同时可大大降低c o 、h c 和n o x 等污染物 的排放。与燃用汽油相比，c o 排放可降低7 0 ，n o x 和非甲烷类碳氢排放可降 9 武汉理- t ：大学硕士学位论文 低8 0 ，h c 排放可降低7 0 ，而且通过技术改造后可以达到或接近原机型的动 力性和经济性水平【37 1 。从而，天然气发动机得到了长足的发展。目前研究最多 的是c n g 发动机，很多产品在保持原柴油机或汽油机动力性、经济性的基础上 达到了很好的排放水平，采用稀薄燃烧的天然气发动机，其n o x 排放量较低， 可以达到国v 排放，但c o 和h c 相对较高，通过采用高效氧化型催化转化器， 可以不用s c r 后处理系统就可以满足欧排放标准【3 8 1 ，这给降低发动机制造成 本带来很大好处。c n g 发动机虽然技术各方面已经比较成熟，但由于其续航能 力差，特别是对于长途客车或货车【l2 1 ，因此现在越来越多的公司开始研究l n g 发动机。国内外专家普遍认为l n g 汽车克服了c n g 汽车的很多缺陷，是今后 燃气汽车的发展方向。 1 4 2 研究目的意义 本课题研究的重型l n g 发动机的研发设计是在现有柴油机的基础上进行 的，通过对原型柴油机进行技术改造和开发，设计出以l n g 为单一燃料的天然 气发动机。在设计过程中，涉及进气系统的改进设计，因为柴油机与天然气发 动机的可燃气混合方式不同，天然气发动机采用的是进气道预混合方式，在重 叠角期间混合气直接排出c h 4 ，不利于降低甲烷h c 的排放，因此需要进行配气 相位的优化，在减小重叠角的情况下，通过优化进气迟闭角和排气提前角，可 以达到保持动力性、改善经济性、降低c h 4 排放的目的。 配气相位优化后，凸轮型线会随之变化，从而对配气机构的运动学和动力 学性能产生影响，因此需要对相位优化前后凸轮型线的配气机构性能进行计算， 分析需要改进的性能参数，根据设计准则和软件提供的设计方法进行凸轮型线 的优化设计，优化配气机构性能，使优化后的配气机构总体性能不低于原有配 气机构。 1 4 3 研究对象 该型l n g 发动机是以四冲程柴油机为原型机进行研发设计的，在研发设计 过程中进行了许多改进设计，包括点火装置、进气系统、燃料供给系统、燃烧 室等，采用稀燃闭环控制、电控增压、高能点火等技术改进l n g 发动机的性能。 下面给出l n g 发动机的结构参数及性能开发指标，如表1 3 所示： l o 武汉理- ：入学硕十学位论文 表1 3电控l n g 发动机结构参数及性能开发指标 发动机型式直列6 缸、4 气门、水冷、点燃式发动机 缸径行程( m m ) 1 2 3 1 5 6 发动机排量( l ) 1 1 1 2 进气方式增压中冷 燃料供给方式多点集中喷射 压缩比l o 5 ：l 额定功率( k w 2 7 6 3 7 5 p s ) 额定转速( r m i n )1 9 0 0 最人扭矩( n 州转速( r r n i l l ) 1 5 0 0 ( 1 1 0 0 1 3 0 0 ) 低速扭矩( n 州转速( r i n i n ) 1 2 0 0 l0 0 0 & 1 1 0 0 8 0 0 怠速转速( r m i n ) 7 0 0 土5 0 最高空转转速( n m i n ) 2 4 0 0 士5 0 全负荷最低气耗率( 眺w h ) ! 三2 0 5 进气门开上止点前2 3 0 c a 进气门关下止点后9 0 c a 排气门开下j ：点前4 7 0 c a 排气门关上止点后2 l o c a 该发动机的配气机构是下置凸轮轴结构型式的，包括凸轮轴、挺柱、推杆、 摇臂和气门等部件。配气机构选择的是多气门方案( 两进两排) ，排气门使用双 气门弹簧，挺柱是滚轮式。 1 4 4 研究的主要内容 本研究将重型l n g 发动机及其配气机构作为主要研究对象，利用b o o s t 和t y c o n 软件分别研究配气相位及凸轮型线的优化。研究内容包括： ( 1 ) 建立整机b o o s t 模型，在模型正确的基础上进行性能计算，分析配气 相位变化对l n g 发动机性能的影响，进行配气相位的优化，得到满足动力性、 经济性和排放性要求的配气相位。 ( 2 ) 建立进排气门配气机构的运动学和动力学模型，计算原进排气凸轮型 线和相位优化后凸轮型线的运动学及动力学性能，进行进排气凸轮型线变化前 后性能结果的对比分析，针对出现的问题进行进排气凸轮型线的优化，得到满 足配气机构性能要求的的优化型线。 武汉理：人学硕七学位论文 第2 章整机性能模拟计算及配气相位优化 2 1b o o s t 软件的介绍 b o o s t 软件是奥地利a v l 公司专门为整机模拟而开发设计的一个功能强大 且界面友好的发动机性能模拟分析软件，可以模拟包括燃烧在内的发动机的整 个工作循环过程，既可以进行发动机的稳态性能分析，也可以进行瞬念分析。 该软件包含四大模块： ( 1 ) b o o s t 发动机性能分析模块，可以进行： 1 ) 各种发动机草案的对比； 2 ) 针对发动机输出功率，扭矩和燃油消耗的要求进行发动机部件的设计优 化，例如进气系统，排气系统，气门尺寸等； 3 ) 优化气门正时和凸轮型线； 4 ) 增压系统的设计； 5 ) 考虑整车特性和驾驶员状况对发动机瞬态性能评价( 加速力日载，减速 卸载) ； 6 ) 燃烧分析工具，对试验测得的示功图进行分析得到气缸的放热率曲线； 7 ) 与优化软件i s i g h t 的接口设置，进行发动机性能的优化方案的选择； 8 ) b o o s t 非线性声学模块( 包含在基本模块之中) ，使用非线性声学分析 方法进行消音器的结构优化，这个模块中消音器与整机进行联合计算，能够得 到发动机整机在特定工况下的进排气噪音【3 9 1 ； ( 2 ) b o o s t 线性声学分析模块：使用线性声学分析方法对消音器的声学特性 进行分析，这个模块对消音器单独建模，得到的是消音器的声学特性【3 9 1 。 ( 3 ) b o o s t 尾气净化装置模块：对尾气净化装置( 即各种类型的催化转化 器和颗粒滤清器) 的转化效率进行模拟分析，根据排放要求进行尾气净化装置 的选型3 9 1 。 ( 4 ) b o o s t 热网络生成器模块( t n g ) ：可将发动机机体根据其传热特性 生成各种格式的热网络模型，为整机热管理的分析提供基础模型。 a v lb 0 0 s t 友好的交互式图形界面系统体现在b o o s t 的各个模块( 除了热 网络生成器模块) 都具有相同的前处理和后处理界面，从而保证用户在使用各 个模块时建模和结果的分析方法都是基本相同的。包含下述元件：1 ) 管道和连 1 2 武汉理r 大学硕十学位论文 接件；2 ) 气缸；3 ) 系统边界；4 ) 包括单向阀和旋转阀在内的各种流动限制； 5 ) 容积腔和曲轴箱；6 ) 空气滤清器和冷却器；7 ) 汽油机燃油喷射器或化油器； 8 ) 各种增压器：涡轮增压器，包括排气旁通阀和正向位移压气机；9 ) 电子控 制模块( e c u ) ；1 0 ) 消声器；1 1 ) 应用于发动机控制的动态数据联接库( d l l ) 和m a t l a b t m 接口；1 2 ) 与优化软件i s i g h t 的接口；1 3 ) 尾气净化装置【3 9 1 。 此外还可以定义大量的测量点。测量点可被定位于管道内部的任何位置， 用来监测流动数据，但它不会对流动本身造成任何影响。系统中各个位置的实 际气体组成通过求解每个物质成分的守恒方程来获得。计算气体特性时，同时 考虑了未燃燃油，燃烧产物和新鲜空气的物理性质，因而可以保证能够准确处 理e g r ( 废气再循环) 问题。程序在对内燃机气缸建立模型时给予了特别的关 注。除了常规曲柄运动之外，用户还可自定义活塞的运动。另外，尾气净化装 置模块可对尾气净化装置内的物理化学现象进行快速准确的分析，为这个装置 的优化开发提供理论依据。 a v lb o o s t 软件可以应用范围也非常广泛，可以针对低速到高速，大型 到小型的各种发动机及整车进行选型论证计算、发动机性能预测、设计参数的 优化及诊断型计算，而且还可以针对非汽车领域进行模拟，如制冷器等，同时可 以应用到发动机研发的各个阶段，包括概念研究、初步设计、第一台的研制到 批量生产，本文利用的是发动机性能