基于高次多项式动力凸轮型线的配气机构性能分析

摘 要:为分析高次多项式动力凸轮型线的特性参数对配气机构性能的影响,以某高速汽油机双顶置凸轮轴配气系统为研究对象,基于配气机构运动学和动力学计算理论,建立高次多项式动力凸轮型线的数学模型在AVL,TYCON中建立运动学和动力学仿真模型,计算并分析丰满因数、正加速脉冲宽度和因数等关键评价指标的变化规律,结果表明:随着各阶幂指数的增大,丰满因数逐渐增加,发动机获得较好的充气性能,但正加速度宽度逐渐减小,配气机构工作平稳性变差.

关键词:凸轮型线; 配气机构; 高次多项式; 运动学; 动力学; AVL,TYCON

中图分类号:TK413.4 文献标志码:A

Valve train performance analysis based on high,order

polynomial dynamic cam profile

DU Aimin, LIANG Wei

(School of Automotive Eng., Tongji Univ., Shanghai 201804, China)

Abstract: To analyze the influence of the characteristic parameters of high,order polynomial dynamic cam profile on valve train performance, a high,speed gasoline engine with double overhead camshaft valve train is studiedBased on the computation theory of kinematics and dynamics about valve train, the mathematical model of high,order polynomial cam profile is establishedThe simulation models of kinematics and dynamics are built in AVL,TYCON, and some key evaluation indicators, such as fullness ratio, positive acceleration pulse length, lubrication factor, and so on, are calculated and analyzed to find out their change lawThe results indicate that, with the increase of power exponent of the orders, the fullness ratio increases and the engine gets better volumetric performance, but the positive acceleration pulse length decreases and the valve train gets worse work stability.

Key words: cam profile; valve train; high,order polynomial; kinematics; dynamics; AVL,TYCON

0 引 言

高转速是目前内燃机发展的趋势之一,为满足高转速及高动力输出的需求,在内燃机设计时需适当增大气门升程、实行快速启闭以获得较大丰满因数.同时,为减小惯性力,防止各接触面过度磨损,气门加速度不应太大.当配气机构以相对较低的转速工作时,其动态特性对配气机构性能影响不是很大,仅运动学分析就可较好地预测气门运动情况;当配气机构以较高转速运行时,其动态特性将对配气机构性能产生重要影响,此时不仅需进行运动学分析,在满足运动学要求后还要进行动力学分析.本文以某双顶置凸轮轴直驱式汽油机为研究对象,在AVL,TYCON中建立配气机构运动学和动力学仿真计算模型,分析高次多项式动力凸轮型线对配气机构性能的影响.

1 高次多项式动力凸轮型线设计

将凸轮型线分为工作段和缓冲段,以保证气门从闭合到开启的平稳过渡.本文中凸轮型线采用等加速―等速缓冲段并将高次多项式动力凸轮型线作为工作段.等加速―等速缓冲段是目前较常用的配气凸轮过渡型线,其特点为缓冲段终点不仅保持加速度为0,且3阶以上的导数均为0,当基本段采用始点处3阶导数为0的气门升程曲线时,曲线具有较好的光滑性,配气机构工作平稳,振动和噪声较小.等加速―等速缓冲段挺柱升程曲线Иh(α)=CBα2,0≤α≤α1

E0+E1α,α1≤α≤α0И式中:CB,E0和E1为常量;α1为等加速段包角.如果给定缓冲段包角α0,缓冲段全升程h0以及缓冲段终点处挺柱速度υ

0T,则根据边界条件就可确定式中的4个未知常量.

将高次多项式动力凸轮气门升程函数y(α)取为高次多项式(通常采用7次多项式表示),即Иy(α)=y

max+c2x2+c4x4+cpxp+cqxq+crxr+csxsИ式中:y

max为气门最大升程,作为常数事先给定;幂指数p,q,r和s均取正整数,在7次多项式动力凸轮中一般8≤p≤q≤r≤s≤70;c2,c4,cp,cq,cr和cs为待定常数,其中:c2决定挺柱在工作段的起始加速度以及凸轮的最小曲率半径;c4主要影响减速区起始位置,可自由选取,一般取c4=J4y

max,0.1≤J4≤0.2;转角比x=1-(α-α0)/αs,αs为凸轮基本工作段半包角.取定y

max,p,q,r,s和c4后,通过边界条件求解线性方程组即可确定y(α).

2 多项式参数对配气机构性能的影响

2.1 初始条件的确定

国内某企业开发的直列4缸4G10汽油机的配气机构为双顶置凸轮轴直接驱动气门机构,相关参数见表1.配气机构凸轮型线设计中的重要内容之一就是选取配气正时,其对汽油机的动力性、经济性和排放有非常重要的影响.因此,首先模拟该汽油机的工作过程,在AVL,BOOST中建立整台发动机的仿真模型,计算发动机的外特性,根据试验数据如进气压力、温度、空燃比、点火提前角和机械损失等参数修正模型并验证其正确性.通过仿真计算考察不同配气正时对汽油机充气效率及动力性和经济性的影响,并重新优化原机的配气相位,优化后的进气提前角为45°,迟闭角为73°,发动机进气门最大升程y

max=7.5 mm,进气凸轮基圆半径rB=16.5 mm,工作段半包角αs=59°.缓冲段3个基本参数分别取为:上升段α0=13°,h0=0.23 mm,υ

0T=335 mm/s;下降段α0=13°,h0=0.213 mm,υ

0T=305 mm/s.取c4=0.12.

表 1 某直列4缸4G10汽油机相关参数参数参数值排量/L0.997气缸直径/mm69活塞行程/mm66.6压缩比10∶1最大功率/kW52(对应转速为6 000 r/min)最大转矩/(N•m)90(对应转速为4 100 r/min)每缸气门数2进2排配气正时传动方式短节距链传动凸轮轴驱动方式双顶置直接驱动注:该汽油机形式为IL4,水冷,多点电喷.

2.2 幂指数次数对配气机构性能的影响

良好的配气凸轮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.一般其运动学参数可通过丰满因数、正加速度段宽度、凸轮曲率半径、因数、气门弹簧裕度、最大跃度和接触应力等评价.

根据4G10汽油机配气机构的实际结构,在AVL,TYCON中建立单个气缸的配气机构运动学计算模型并进行仿真计算,图1和2分别为几何模型和运动学模型.发动机转速为6 000 r/min,气门弹簧预紧力为101 N,在相同的条件下分析幂指数p,q,r和s的变化对配气机构运动学指标的影响.

图 1 几何模型图 2 运动学模型

当q=22,r=30和s=46时,不同p值下气门升程、速度和加速度曲线见图3.表2为不同p值下气门运动学参数计算值,可知随着p值的增大,凸轮轮廓更加圆滑,丰满因数增加,最小曲率半径变大,因数增加;同时,气门的最大速度值和最大正加速度值增大,最大跃度值和气门弹簧裕度增加;气门的最大负加速度绝对值减小,而上升段正加速度脉冲宽度变窄.

(a)升程曲线(b)速度曲线(c)加速度曲线图 3 不同p值下气门升程、速度和加速度曲线

表 2 不同p值下气门运动学参数计算值p丰满因数最大速度/

(mm/rad)最大正加速度/

(mm/rad2)最大负加速度绝

对值/(mm/rad2)上升段正加速

宽度/(°)最小凸轮曲率

半径/mm因数最大跃度/

(mm/rad3)气门弹簧

裕度80.548 912.26558.33722.82320.611.106 80.047 21714.51.269120.564 312.52468.80820.90918.042.982 50.128 88943.41.329160.573 612.62576.44720.08216.493.821 60.163 051 1311.358

丰满因数直接反映发动机的充气效率,丰满因数较大有利于充气性能的提高,但过大的丰满因数会使机构的可靠性和平稳性变差;气门弹簧裕度表明气门弹簧力的弹簧余量,适当大的弹簧裕度可保证凸轮不会从动件表面跳开,但过大会产生不需要的动态力和过度磨损,同时驱动功率也会变大,一般大于1.1;最大跃度值是衡量从动件振动响应的指标之一,一般小于1 000 mm/rad3;配气机构中干扰最强烈的变化发生在挺柱的正加速段,该段宽度与配气机构的自振周期间应有较好的配合,其宽度小表明气门在较短的时间内达到最大速度,从而能迅速开启获得较大的时间断面值,但宽度过小会使发生共振的可能性变大,配气机构的工作平稳性变差

配气机构性能的诸多评价参数值随p值的变化而变化,而这些参数对配气机构性能的影响往往相互矛盾,因此在设计中应根据设计要求综合考虑.

通过进一步计算分析,幂指数q,r和s单独变化时对凸轮和气门运动参数的影响与p值变化时的影响相同,只是影响程度依次减弱,限于篇幅本文不再给出对比曲线和计算数据.当各项幂指数同时增大时,p,q,r和s的选取任意性较大,可取p=2n,q=2n+m,r=2n+2m,r=

2n+2m,s=2n+4m,以使各阶幂指数具有一定的数值差.其中,n和m为任意正整数,一般情况下,

3≤n≤9,1≤m≤10.为方便描述,对n和m不同取值时的p,q,r和s值的组合进行编号,见表3.

表 3 n和m不同取值时的p,q,r和s值的组合编号编号nmpqrsa6612182436b7814223046c81016263656d91218304266

不同幂指数组合下气门升程、速度和加速度曲线分别见图4.表4为相关气门运动学参数计算值.可知,随着p,q,r和s的同时增大,丰满因数、最大正加速度、最大负加速度、上升段正加速度宽度、最小凸轮曲率半径、因数、最大跃度和气门弹簧裕度等的变化趋势与仅有幂指数p值变化时相同,所不同的是最大速度值略有减小.(a)升程曲线(b)速度曲线(c)加速度曲线图 4 不同幂指数组合下气门升程、速度和加速度曲线表 4 不同幂指数组合下幂指数增大时气门运动学参数计算值p丰满因数最大速度/

(mm/rad)最大正加速度/

(mm/rad2)最大负加速度

绝对值/(mm/rad2)上升段正加速

宽度/(°)最小凸轮曲率

半径/mm因数最大跃度/

(mm/rad3)气门弹簧

裕度a0.555 212.64964.22821.86819.261.9790.087 0742.61.268b0.569 612.58473.87520.43017.163.4670.148 81 0431.345c0.581 512.54683.51119.51715.394.4400.186 91 3911.404d0.588 212.52491.58418.88314.255.1140.213 21 7461.451

3 4G10汽油机配气机构运动学与

动力学计算通过对高次多项式动力凸轮特性参数与配气机构性能变化关系的分析及动力学与运动学性能比较,确定该汽油机进气凸轮型线的幂指数为p=14,q=22,r=32,s=44.进气门运动学升程、速度、加速度曲线见图5,可知气门运动曲线平顺、无毛刺、过渡圆滑,计算得凸轮型线丰满因数为

0.570 2,正加速度脉冲宽度为17.1°,最小曲率半径为3.48 mm,因数为0.150 5,气门弹簧裕度为1.332,最大跃度为

1 044 rad/mm3,凸轮接触应力为

492 N/mm2.关键参数均满足许用极限值.可在模型中设置气门与活塞的最小间隙值,经检查表明气门与活塞无运动干涉.

(a)升程曲线

(b)速度曲线(c)加速度曲线

图 5 进气门运动学升程、速度、加速度曲线

在AVL,TYCON中建立单阀配气机构的动力学仿真模型,见图6

图 6 单阀配气机构动力学仿真模型

进气凸轮与气门动力学升程曲线见图7,可知凸轮与气门升程曲线基本一致,曲线光滑、无毛刺.气门升程曲线变化略滞后于凸轮升程曲线变化,气门在凸轮上升缓冲段末端开启,下降缓冲段初期关闭.图 7 进气凸轮与气门动力学升程曲线

进气凸轮与气门动力学速度曲线见图8,可知凸轮与气门速度曲线基本一致,曲线无大的波动.气门开启和关闭时刻有轻微振荡,进气门最大速度为4.04 m/s,气门落座速度值良好.

图 8 进气凸轮与气门动力学速度曲线

进气凸轮与气门动力学加速度曲线见图9,可知气门加速度曲线振荡频繁,其波动远大于凸轮加速度曲线的波动,进气门最大加速度值约为

1.51×104 m/s2.

图 9 进气凸轮与气门动力学加速度曲线

进气门气门力与气门落座力曲线见图10.最大气门力为400 N,最大气门落座力为527 N,气门落座比较平稳,冲击较小.

图 10 进气门气门力与气门落座力曲线

单阀配气机构的运动学和动力学满足设计要求后,可进一步进行不带传动的配气机构动力学计算,然后建立皮带/链驱动模块,进而完成完整的配气机构动力学计算.

4 结 论

(1)高次多项式动力凸轮的升程曲线可高阶连续,与等加速―等速缓冲段相接在连接点上也能保持高阶导数的连续性,有利于改善配气机构工作平稳性;同时,可在一定程度、一定范围内自由选取其各阶幂指数,在进行凸轮型线设计和优化时具有一定的灵活性.

(2)高次多项式动力凸轮幂指数的变化对配气机构的性能有直接影响.配气机构性能要求的评价参数较多,往往这些要求之间又相互矛盾,在设计中应根据设计要求综合考虑,协调各种因素,达到优化设计目的.

(3)在高速汽油机上采用高次多项式动力凸轮型线,可获得较好配气机构动力学效果,使发动机工作平稳、可靠

参考文献:

华中科技大学学报, 2006, 34(10): 70,73.

内燃机工程, 2005, 26(1): 20,23.