某款柴油机的凸轮轴优化设计

第44卷第1期时代农机2017年1月V o l.44N o.1TIMES AGRICULTURAL M ACH INERY J a n.2017

某款柴油机的凸轮轴优化设计

宁科亮

(安徽江淮汽车集团股份有限责任公司，安徽合肥230601)

摘要:研究了凸轮轴优化设计的开发过程。首先依附C A E模拟分析资源，对气门升程曲线进行优化设计，然后根 据气门升程曲线计算出对应的凸轮轴凸轮型线，形成凸轮轴优化方案。并计算了新的凸轮轴对发动机动力性、经济性的 影响。最后通过配气机构阀系模拟校核，确认新设计方案符合运动学及动力学要求，最后通过台架试验对新方案进行验 证。

关键词：凸轮轴；凸轮轴设计；气门升程；凸轮轴型线

中图分类号:U664.121 文献标识码：A文章编号:2095-980X(2017)01-0059-03 Optimization Design of Camshaft for a Diesel Engine

N ING Ke-liang

(Anhui Jianghuai Automobile Group Co.，Ltd.，Hefei，Anhui 230601，China)

Abstract:This paper studies the development process of optimized design of camshaft.The first attachment CAE to simulate and analyzes the resources of valve lift curve to optimize the design，then according to the valve lift curve calculates the camshaft profile corresponding to the formation of the camshaft optimization scheme.And the influence of the new camshaft on the engine power and economy is also calculated.Finally through the valve system simulation check,it confirms that the new design scheme is in line with the kinematics and dynamics requirements,and finally through the bench test to verify the new scheme.The whole pro­cess is feasible and effective,can effectively serve the development of the work.

Key words：camshaft；camshaft design；valve lift；camshaft profile

凸轮轴作为汽车发动机配气机构中的关键零部件，负责 驱动气门按时开启和关闭，其直接影响着配气机构及发动机 的整体性能。文章在某款柴油机凸轮轴的基础上，通过设置开 发目标，依附C A E资源设计优化方案并进行验证，对该柴油 机凸轮轴进行优化设计，取得了良好的工程目标。

1凸轮轴的性能开发目标

结合原柴油机及凸轮轴的性能特点，提出本次优化的主 要目标是提高该柴油机的低速动力性能，并保证发动机其他 性能如经济性和排放性能等不低于原有发动机。具体的发动 机开发性能目标为：最大扭矩:240N*m，额定功率:72kW，低 端扭矩：>180N*m/1000rpm。

2气门升程曲线的优化设计

2.1模拟计算目的及说明

凸轮轴是通过控制气门的升程来影响发动机的进气时间 和进气量，从而影响发动机的动力性和经济性。所以首先需要 根据开发目标对发动机气门升程和相位进行模拟分析，本例 中利用BOOST模拟软件进行计算分析从而形成三套气门升 程的优化方案

本模拟计算的主要目的是采用A V L的气体交换模拟软 件BOOST对发动机配气机构进行预测计算，通过修正气门开 启、关闭的时刻及气门持续角度，对发动机的配气进行优化，形成优化后的气门升程方案。

收稿日期：2017-12-23

作者简介：宁科亮（1987-)，男，陕西咸阳人，大学本科，助理工程师，主要研究方向：发动机正时系统设计。2.2输入数据和基本假设

(1)计算模型。图1是发动机的BOOST计算模型。环境气

体从边界SB1吸人，通过管1到空滤器CL1，再通过管2进

人涡轮增压器，出来再通过管3导向中冷器CO1，再经连接管

4进人进气歧管的谐振腔，用PL1代替，考虑到E G R的存在，

容腔的一部分容积转化成连接管16,17。管子5-8代表进气

歧管和气道，通过气道将气引到气缸C1-C4。管子9-12代表

排气歧管和气道，通过气道将气引到容腔PL2,再通过管13

连接到增压器TC1，经管14连接到消声器PL3,然后经管15,

通过SB2流向大气。

(2) 压力损失。为了发动机达到更好的性能，进气系统的 压力损失、排气背压要尽可能的小。在计算模拟中，假设了下

列的压力损失（一般发动机应可以达到）

进气系统的压力降：<50mbar (标定点）

中冷器压降：<100mbar (标定点）

排气背压：<350mbar(标定点）

(3) 发动机的摩擦。FMEP:摩擦平均有效压力，仅考虑机

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图3各方案与原方案过量空气系数对比

通过以上各方案数据对比，方案优先级别为:方案三，方

案一，方案一。3

凸轮轴的优化设计

根据C A E 设计形成的气门升程方案，对凸轮轴进行优化 设计，确定新凸轮轴方案的凸轮型线曲线。

(1)

计算方法及说明。凸轮型线设计，主要是计算在凸轮

型线的作用下从动件的运动规律，检查反映该运动规律的各 相关指标是否满足要求。运动学计算不考虑零部件间的脱离， 认为系统是刚性的，从动件严格按凸轮型线确定的运动规律 进行运动。凸轮型线设计常采用分段加速度函数法，将目标气 门升程的加速度曲线由整体分成几段，从而实现精确控制，使 设计出来气门升程与热力学升程曲线相符合，从而完成凸轮 型线的设计。

(2)

计算结果。根据三套气门升程方案，计算出相对应的

三套凸轮轴凸轮升程表，如图5、图6、图7所示：

图5

方案一凸轮升程表

械损失，比如:所有轴瓦的摩擦;活塞、活塞环和缸筒的摩擦; 气门系统的摩擦;驱动动力附件的损失等。IMEP :指示平均有 效压力，考虑了热量损失、泵气损失。BMEP :制动平均有效压 力。三者的关系为:BMEP =IMEP -FMEP 。

(4)

气道流量系数。滋滓流量系数：是指实际流量和理论

流量的比值，无量刚。实际流量m _>:是通过在指定压降下，测 量在不同气门升程下的流量。理论流量叫^是通过理论计算 得到在不同气门面积下的流量。

滋a =mm a m /m t h

mt h =A …姨2- A p -pm

式中：滋滓为流量系数；mm …为实际流量(kg /s );mth 为理 论流量(kg /s );A …为气门座面积(m2);A p 为压力降(Pa );pm 为 平均密度(kg /m 3)。

气道的流通特性需要通过气道稳流试验台架进行测量， 实际测量得到的流量和压差通过换算转换成流量系数。如果 没有试验测量手段，当气道的形状与一个已知流通特性的气 道结构相似时，也可以根据相似原理，采用无量刚的气门升程 定义的方法，对气道的流通特性进行定义。当然，也可以通过 CFD 分析软件，通过三维建模分析的方法计算得到气道的流

量系数。

(5)

气门升程曲线。气门正时影响充气效率，从而影响扭

矩特性、高压循环的指示效率和发动机的泵气损失。IV C 迟关 有利于充分利用气体运动动量，提升充气效率，但过迟会发生 倒流。EV O 迟开有利于充分利用气体膨胀功能量，但同时会 增加泵气损失功。所以正时是优化发动机性能的重要参数。 2.3计算结果及优化方案建议

通过分析计算，进气门关闭时刻提前，排气门开启时刻退 后有利于低速进气量;重叠角减小有利于低速充气效率。具体 给出以下三个方案:方案一:进气门关闭时刻提前10°，排气 门开启时刻退后10°，1000rpm 扭矩达到182 (N ‘m );方案 二：进气门关闭时刻提前20°，排气门开启时刻退后20°， 1000rpm 扭矩达到193(N ‘m );方案三:进气门关闭时刻提前 10°，排气门开启时刻退后10°，重叠角减小10° 1000rpm

扭矩达到187( N • m );各方案的低端扭矩、最大扭矩和高端扭 矩如表1所示。

表1

各方案与原方案对比

转速方案一方案二方案三原方案低端扭矩一般最好较好较差最大扭矩一般最好较好一般高端扭矩

一般

较差

一般

较好

各方案的气门升程对比如图2所示，各方案与原方案过 量空气系数对比如图3所示，各方案与原方案低端扭矩对比 如图4所示。

图2各方案的气门升程对比

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