微型汽车发动机凸轮型线仿真优化设计及应用研究

蓝志宝 杨连波 张光亚 李荣富

（上汽通用五菱汽车股份有限公司）

1 前言

由于微型汽车客户群的特殊性，决定了其发动机的最常用转速范围是在中低速，因此开发微型汽车发动机需重点关注该速度区域的性能。配气机构直接影响到气缸充量，而凸轮的轮廓形状又决定了配气机构设计的优劣，良好的凸轮型线要求其既能使汽油机具有良好的充气性能又能保证配气机构平稳、可靠地工作[1]。凸轮型线的选择是比较困难的事情，以前需要做大量的试验来选型，这样既费时费力又增加成本。运用CAE方法，可以方便地找出最优的凸轮型线范围，减少了试验次数，同时降低了开发周期和成本[2]。

2 凸轮型线对发动机性能的影响

凸轮型线影响发动机性能主要有两个方面，一是气门开启和关闭的时刻，包括固定气门正时和可变气门正时；二是凸轮的升程和工作包角等形状参数[3]。发动机在高速运行时，由于气流流速大，这时就需要较长的气门开启时间来充分利用气流惯性；而在低速时气流惯性小，长时间的气门开启反而会由于活塞的上行使部分新鲜气体被挤出气缸，产生回流[4，5]。由图1可知，转速为1000 r/min在气门关闭时有明显的回流，而转速为6000 r/min时回流很小。

3 凸轮型线模拟选型

模拟优化设计凸轮型线是性能模拟和动力学模拟交互循环的过程，其流程如图2所示。

3.1 建立基础模拟模型

应用AVL-BOOST软件建立发动机原型机的整机性能模型（图3），其包括进气系统、进气歧管、气缸、排气歧管和排气系统的环境参数、管路尺寸、壁温、升程和流量系数、燃烧参数等数据。应用Excite-TD软件建立单阀系动力学模型 （图4），并设置10个单元的质量、刚度、阻尼等参数进行模拟计算。

根据试验结果调整相应参数使模拟结果与试验结果的差别在允许误差范围以内，即扭矩、功率、油耗等一般的性能参数要求在5%误差范围以内，重要的性能参数如充气效率要在2%误差范围以内。如图5所示，扭矩和充气效率的模拟和试验误差都在允许范围以内，该发动机整机性能模型可以作为优化分析的基础模型。

良好的动力学和运动学性能可以保证配气机构稳定持续地工作，因此阀系在运行过程中必须满足动力学和运动学的评价标准，见表1所列。

阀系运动学和动力学的模拟分析结果如图6和表2所示。从图6和表2中可以看出，各项参数结果都在动力学和运动学的评价标准允许范围以内。

表1 阀系动力学和运动学评价标准

表2 运动学模拟结果

3.2 凸轮型线选型

本次选型只考虑缩减进气凸轮型线的工作包角，分别在原型线基础上缩减4%、6%和8%，并与原型线相互组合，共产生3条对称型线和6条不对称型线。低速性能的提高必然导致高速性能的下降，因此平衡高速和低速的性能，最终选择其中6条型线进行动力学评价及优化。选择的凸轮型线及扭矩性能结果如图7所示。

3.3 动力学优化

根据表1的标准评价这6条型线的运动学及单阀系动力学，并优化使其满足评价标准。优化方法采用ISAC方法（气门分段加速度函数）。ISAC可用任意函数自由搭配，如多项式、正余弦、线性连接、圆弧连接等函数，其中多项式和正弦函数可以非常方便地定义正加速度段，正弦函数和正弦函数连接适合桃尖处的接合，圆弧函数能保证加速度曲线连续过渡[6，7]。表3为优化其中一条型线时采用ISAC方法的开启侧函数搭配。

表3 开启侧函数搭配

从表4可以看出，所有的模拟结果都满足表1所列的运动学和动力学标准。丰满度较大虽对充气性能有利，但过大的丰满度会使机构的可靠性和稳定性变差。

表4 优化后的运动学及动力学结果

3.4 性能模拟对比

将满足运动学及动力学评价标准的6条型线进行整机性能模拟分析，发现优化型线后的发动机扭矩性能不如未优化型线的发动机扭矩性能，这是因为虽然凸轮工作包角的减小提高了发动机的低速性能，但为了满足运动学和动力学的要求减小了型线的丰满度，从而发动机性能随之降低。型线1的丰满度最大，模拟结果也显示型线1的高速和低速性能最平衡，但考虑到试验与模拟的差异性，选择如图8中3条型线进行试验选型。

4 试验验证

试验选型时，可变进气歧管选型和凸轮型线选型同时进行，因此试验结果与模拟结果在某些转速相差较大，但趋势相同。对比试验结果（图9），平衡高速和低速的性能，认为型线1的性能最好。

5 结束语

分别运用性能模拟方法和动力学分析方法选出最优的凸轮型线，考虑到试验与模拟的差异性，最终选择3条型线进行试验选型。试验结果表明，模拟所选择的最优凸轮型线能够明显提高发动机中低速性能，达到了目标要求，验证了模拟选型的准确性和可靠性。装有最优型线的发动机已经应用于现有车型，动力提高显著。

1 吴兆汉，汪长民，林桐藩，方球.内燃机设计，北京，北京理工大学出版社，1990.

2 乔军，李国祥.WD618.42柴油机配气凸轮型线的改进设计，内燃机工程，2006，27（5）：50～53.

3 曹晓辉，姜树李，郭晨海，吕杏梅.内燃机配气机构的动力学虚拟仿真研究.内燃机工程，2009，30（2）：65～68.

4 付广琦，康秀玲，等.高速柴油机顶置式凸轮配气机构的动力学计算.内燃机学报，2000，18（2）：113～116.

5 杨靖，冯仁华，邓帮林，樊明明.汽油机凸轮型线改进设计.湖南大学学报，2009，36（11）：21～26.

6 刘刚，周校平，管斌，王真，黄震.配气机构凸轮-挺柱接触应力的数值模拟.车用发动机，2009（1）：12～15.

7 吕林，王勇波.车用发动机配气机构运动学和动力学分析.武汉理工大学学报，2006，30（6）：1011～1014.