柴油机配气机构运动仿真研究12
柴油机配气机构动力学仿真与分析
Ｋｅ ｒ ｓ ｄｅ ｅ ｎ ｉ ｅ ｖ ｌ ｅ ｔ ａｎ ｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｍｕ ｔ ｂ ｄ ｙ ａ ｃ ｖ ｂ ａ ｉ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ｉ ｓ ｌｅ ｇ ｎ ａ ｖ ｒ ｉ ｉ ｌｔ ｏ ｌ － ｏ ｙ ｄ ｎ ｍｉｓ ｉ ｉｒ ｔ ｏ
柴 油 机 配 气 机构 动力 学仿 真 与 分 析 ＊
李玉 军 杨建 国
武汉 ４ ０ ６ ３０３ 武汉理 工大学能源与动力工程 学院 摘 要
利用 Ａ ＤＡＭＳ Ｅ ｇｎ 建立 ４ ２ Ｓ ／ ｎ ｉｅ １０ Ｇ柴油 机配气系统动力学模型 ， 对模 型进 行运动学 仿真 ， 分析
配气 机构主要运动件间 的作用力 ， 凸轮形线在过渡 阶段 的加速度特 性对整个 配气机构 的受力影 响较大 ， 配气 机构 中各种接触力具有 冲击 力特 征 ， 对柴油机振 动影 响较大 ， 通过对 比摇臂座处 的实测振 动数据与 仿真作用
力的频谱 图， 验证了仿真结果 的正确性 ， 明了配气机构 是柴油机 ０ ５ 次振动分量 的主要激 励源之一 ， 说 ．谐 为预
测柴油机振动 提供 精确的边界条件 。 关键 词 柴油机
中图分类号
配气机构
仿真
多体 动力学
Ａ
振动
Ｕ６ ４ １ １ ６． ２
文献标识码
Ｓｉ ｕ ａ ｉ ｎ ａ ｎａ ｙ ｉ ｆｔ ｅ ｖａｖ ｒ ｉ ｆｄｉｓ １ｅ ｇ ｎ ｍ ｌ ｔｏ ｎｄ ａ ｌ ｓｓ ｏ ｈ ｌ ｅ ｔ ａｎ ｏ ｅ ｅ ｎ ｉ ｅ
维普资讯
第３卷 第 １ ６ 期 ２０ 年 ２ ０７ 月
动力学配气机构试验分析仿真与优化
动力学配气机构试验分析仿真与优化【摘要】目前机械系统设计分析的有力手段是多体系统动力学运用到机械的仿真中，本文针对某发动机配气机构系统，建立参数化的多体系统动力学模型，以多体系统动力学分析软件ADAMS为仿真平台。
采用试验设计的方法进行动力学仿真试验，分析出对响应影响显著的因子，运用回归分析得到响应变量关于试验因子的响应面方程，以此作为优化目标进行寻优计算，实现了对配气机构的设计参数和局部凸轮型线的动力学优化。
【关键词】动力学;配气机构;参数;仿真与优化1.引言配气机构作为内燃机的重要组成部分，四冲程的内燃机都采用气门式配气构机构。
由于配气机构的设计又在很大程度上影响内燃机的动力性与可靠性，其性能好坏对内燃机的性能指标有着重要的影响。
配气机构系统动力学模型有很多种。
一般来说，低速系统配气机构，转速低、载荷小，进行运动学分析即可。
对于中速系统，转速和载荷较高，气门偏离理论运动规律较大，并出现构件在润滑、磨损、强度等方面问题，因此需要用动力学模型研究其动力学特性。
对于高速系统，转速和载荷很大，气门将显著偏离理论运动规律，并受到机构在开始和落座时的冲击反跳，在工作阶段的飞脱，以及润滑、磨损、强度等多方面问题制约，必须用动力学模型研究其特性，并尽可能考虑非线性因素的影响。
目前运用比较多的配气机构动力学模型有离散质量模型—包括单质量模型，多质量模型以及多体动力学模型，有限元模型等。
随着计算机技术、传感器技术以及信号处理相关方法和技术的发展，配气机构的实验也能更精确地反映配气机构工作情况下的实际情况和得到更精确的动力学数据。
实验的目的不仅仅是得到配气机构的动力特征，也可以通过实验得到模型的原始数据。
由于配气机构组件在高速运动过程中表现出一定的柔性特征，部分组件产生一定的变形，导致组件的实际运动规律偏离凸轮型线。
而配气机构动力学特性实验可以测量机构组件的实际运动规律，分析配气机构参数对组件实际运动规律的影响。
某型柴油机配气机构动力学建模方法与性能仿真研究
到最 优设 计 。［ ５ １ 而且 随 着化 石 燃料 的枯 竭 和排 放法
束、 力 的传递 等有 效 、 准 确 描 述 。如 何 兼 顾 柴 油 机 动 力 学模 型 的 简 化性 和有 效性 成 为柴 油 机 动 力 学 建 模 的 关 键 。根 据 对 模 型 简 化 性 和 精 确 性 的 侧 重 点 不 同， 目前 比 较 常 用 的 柴 油 机 动 力 学 建 模 方 法 主 要 由 ｉ种 ： 集 中质 量 方 法 、 有 限元 方 法 和多 体 动 力 学 方
目前 ， 配气机构动力学研究 中 ， 都 仅 建 立 配 气
机 构 多 体 动 力 学 模 型 。基 于 此 模 型 对 配 气 机 构 进 行 动 力 学仿 真 ， 这 样 虽然 也 能 够获 得 配气 机 构 的运 动
值 计 算 得 到 系 统 的 动 力 学 响应 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５ — ０ ８ —１ ０
一
机 拖动 动 力 的动 力 来 源 ， 在舰 船设 备 中 占有非 常 重
要 的地 位 ，特别 是 随着 舰 船使 用 要求 的不 断 提高 ， 对 舰 船 动 力 提 出 了更 高 的要 求 。 『 １ １ 从 生 命 力 角度 分 析 ， 柴油 机 为 多数 舰 艇 提 供 主动 力 ， 是 动 力 系 统 的 的心 脏 ， 保 证 着 舰 艇 在 海 上 的Ｊ ｉ 顷利 航 行 ， 这 是 保 存 己方 、 消 灭 敌 方 的 基 础 。［ ２ １
法 。本 文 中采 用 的 是 多 体 动 力 学 方 法 。
规 的愈趋 严 格 ， 柴 油机 朝 着 高功 率 密度 、 低 污染 、 低 排放 、 低噪声 、 高 可靠 性 方 向发 展 ， 这些 都 给 配气 机
某型柴油机挺柱改进及配气机构优化仿真
某型柴油机挺柱改进及配气机构优化仿真符兴胜【摘要】针对某型柴油机挺柱与凸轮轴之间磨损的现象,将平底挺柱改为滚轮挺柱.应用AVL-EXCITE Timing Drive软件对改进后的配气机构进行了仿真计算.通过对比改进前后的各项参数以及接触应力、推杆力、气门反跳、弹簧并圈来评估改进方案的可行性.【期刊名称】《柴油机设计与制造》【年(卷),期】2013(019)003【总页数】6页(P23-28)【关键词】柴油机;配气机构;滚轮挺柱;仿真【作者】符兴胜【作者单位】同济大学汽车学院,上海200092【正文语种】中文随着现代柴油机强化程度提高、排放升级、爆压提升等发展趋势，对柴油机各机构及系统的要求也越来越高。
配气机构作为发动机的两大机构之一，其精确性、可靠性都必须得以保证，并随着柴油机强化趋势越来越受到重视。
配气机构的主要功能是实现发动机的换气过程，根据气缸的工作次序，定时开启和关闭进、排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排出废气。
现代柴油机设计中，配气机构设计占有重要地位。
其设计质量直接影响着柴油机的技术性能、工作可靠性、耐久性和平稳性。
随着柴油机平均有效压力和转速的提高，配气机构零件所承受的机械负荷、热负荷、摩擦磨损以及振动噪声急剧增加。
为了保证柴油机具有良好的性能和寿命，对配气机构提出了更高的要求[1～2]。
本文正是在这种前提下，针对某型号柴油机配气机构在性能不断提升过程中遇到挺柱与凸轮轴之间的磨损问题，对原配气机构进行改进设计。
某型柴油机排量8.9 L，推出市场多年，原设计的配气机构如图1所示。
凸轮轴置于机体侧面中部，通过挺柱推杆传递到摇臂驱动气门。
近年来随着排放法规的提升和对发动机经济性等各方面要求的逐步提高，该型号发动机经过多次改进，发动机各项性能指标均作了较大幅度的提升。
伴随着这些改进和提升，柴油机本体各系统均进行了不同程度的改进，配气机构的磨损问题日益突出，特别是凸轮轴和挺柱之间的磨损和点蚀故障越来越多。
基于ADAMS配气机构的动力学仿真分析
式中 , q j = q j + 1 - qj 表示 第 j 次 迭代。 t n 时 刻速 度、 加速度的确定, 可由约束方程求一阶、 二阶时间 导数得到 : (
[ 2]
1. 2
多刚体运动学模型 在建立多刚体运动学模型时做如下假设: ( 1) 所有零部件都认为是刚体 , 各运动副均为刚
。
1
多刚体运动学建模
性连接 , 各运动副内摩擦力、 内部间隙忽略不计 ; ( 2) 不考虑气门间隙。可以在 ADAMS 软件中直 接建立各个构件的实体模型, 也可以在 UG 等三维 CAD 软件中建立实体模型 ( 见图 1) , 然后通过接口 导入 ADAMS。最后按照各个构件之间的运动拓扑 关系( 见图 2) , 添加相应的约束 ( 见表 1) 。
1 1 1 2
( 1. College of Mechanical Engineering&Automatizat ion, North University of China, T aiyuan 030051
引
言
配气机构是发动机的重要部件之一 , 它的功能
运动加速度变化规律, 以及合适的正、 负加速度值。 传统上, 内燃机配气机构开发的方法往往是多 方案的比较和试凑, 在无计算机辅助设计的初始开 发阶段 , 如此反复的设计要求不但难以满足, 而且反 复进行实物试 验还会延长研发周期和 增加开发成 本。此外, 通常的配气机构运动学 动力学计算仅是 把机构当作一个弹性振动系统, 简化为单质量或多 质量模型 , 这样虽然大体上能够满足描述气门运 动规律的要求 , 但无法全面地反映出各构件的运动 以及构件之间相互作用的情况, 而且构件刚度等参 数必须通过实测或分析计算才能得到, 质量也需要 经过折算, 这不仅增加了建模的难度 , 也影响了分析 的精度 , 应用范围受到限制。 本文以多体动力学为理论基础 , 采用虚拟样机 技术, 应用 ADAMS 软件进行了某柴油机配气机构的 建模与仿真, 从而得到整个系统协调运作下的运动 规律和动力学特性。利用该种方法建立的配气机构
柴油机配气机构动力学建模方法与性能仿真研究
柴油机配气机构动力学建模方法与性能仿真
研究
1 引言
柴油机配气机构的动力学建模能够有效地揭示其工作原理及运行性能。
它不仅可以用来研究引擎的控制系统，还能为柴油机配气机构的研制、设计、试验以及再制造提供有价值的信息。
有效地建立柴油机配气机构动力学建模方法和性能仿真系统，对新型柴油机配气机构研究与设计具有重要意义。
2 柴油机配气机构动力学建模
柴油机配气机构的动力学建模是将柴油机元件的零件力学，推进机构的运动学，柴油机原理图的三维立体机构及概念机构信息，用多学科仿真软件进行模拟，使之反映柴油机配气机构的动力学状态。
动力学建模的方法主要有以下几种：通过建立多体系统，控制矩阵式机构，牛顿迭代法，牛顿定律，以及离散有限元法。
3 柴油机配气机构性能仿真
柴油机配气机构性能仿真是通过柴油机配气机构的动力学建模，使用专业仿真软件，根据柴油机的空气-油流动特性，建立合理的仿真模型，计算柴油机每一步的实际工作情况，然后进行全面有效的性能分析，及时发现性能缺陷，为研发新型柴油机配气机构提供重要的参
考。
性能仿真的方法主要有以下几种：有限元分析，代数仿真，矩阵仿真，问题特定仿真，全空间仿真等。
4 结论
柴油机配气机构的动力学建模和性能仿真是柴油机研究与设计中的关键技术，它们是一种综合的技术，将动力学建模和性能仿真结合起来，能够更好地满足柴油机配气机构设计开发模拟所需要的精度要求，可以最大程度提高新型柴油机配气机构研究与设计的效率，为柴油机配气机构研发提供有价值的信息。
柴油机论文：柴油机进气过程的数值仿真研究
柴油机论文：柴油机进气过程的数值仿真研究【中文摘要】对柴油机而言,要使混合气形成和燃烧的过程完善,提高柴油机的动力性、经济性和排放指标,除了选择合适的进气道获取最佳涡流比外,还必须增加柴油机气缸内的进气充量,而提高进气充量与进气系统结构参数有关；所以,研究进气系统结构参数对充量的影响规律对于改善柴油机性能具有十分重要的意义。
合理设计进、排气系统是提高柴油机充气效率的有效措施之一。
进气管内气体的压力波动不仅影响进气门开启期间气缸的进气量,而且在进气门关闭后,还将影响下一循环气缸的进气量。
压力波动对气缸进气量的影响程度和进气管的长度、管径、发动机转速等因素有关。
随着计算机技术的发展,人们对进气系统的研制多采用数值模拟计算和少量试验相结合的方法。
通过正确地运用模拟计算,可以方便地对多种方案进行性能的预测和比较,分析各种因素对充气性能的影响,以判断其改进方向,最终通过少量的试验验证,就可以达到改善柴油机性能的。
论文主要研究进气系统对某单缸柴油机进气管内压力波动、进气充量和泵气损失的影响。
通过实验和模拟计算相结合的方法来合理设计进气系统的参数,有效利用进气谐振来改善进气系统的压力波动,提高发动机的充气效率,降低进气损失,进而改善柴油机性能。
首先,论文在阅读了大量与课题相关的国内外文献的基础上,系统地总结了发动机进气谐振系统的研究现状,研究了进行模拟计算所涉及的物理数学模型；其次,利用发动机一维流体计算软件AVL Boost建立了单缸柴油机的工作过程仿真模型,并通过计算结果和实验数据对模型的可靠性进行了验证；然后,利用建立的柴油机工作过程仿真模型对发动机进气系统的各零部件进行了优化计算,给出了最佳的进气系统参数；最后,为了充分利用发动机的进气动态效应,设计了一种新型的空气滤清器,并介绍了其工作原理和总体结构。
【英文摘要】For diesel engine, to improve the formation and combustion of the mixture and to improve the engine’s power, fuel economy and emissions targets, in addition to selecting the appropriate inlet swirl ratio for the best, it’s necessary to increase the gas charge into the diesel engine cylinder, while the structural parameters of the intake system has a relationship with the intake gas charge; so it’s of great significance for improving engine performance that we do some research on the influence rules of the structural parameters of the intake system on the gas charge.Rationally design the intake and exhaust system is one of the effective measures to improve the engine volumetric efficiency. The gas pressure fluctuations in the intake pipe affect the gas charge not only in the intake valve opening time but also in the intake valve closing time of the next engine cycle. The degree of influence of pressure fluctuations on the gas charge has a relationship with the intake pipe length, diameter, engine speed and otherfactors.With the development of computer technology, people prefer to use numerical simulation combined with a few experiments to develop the intake system. Through the proper use of simulation, we can easily predict and compare a variety of projects, analyze various inflation factors on engine performance, in order to determine the direction of its improvement, and in the end through a small number of test verification, we can achieve the purpose of improving diesel engine performance.This paper studies the influence of intake system of a single cylinder diesel engine on intake manifold pressure fluctuations, intake gas charge and pumping loss. Through the combination of experiment and simulation, we confirm the rational design parameters of intake system; Through the effective use of intake resonance, we improve the intake system pressure fluctuations and improve the engine volumetric efficiency and lower air intake losses, thereby improving engine performance. Firstly. I have read a lot of literature of related topics, based on a systematic summary of the engine intake resonance research, studied the simulation calculations of the physical and mathematical models; Secondly, I establish a single-cylinder diesel engine simulation model through the use of the engine one-dimensional fluid calculationsoftware AVL Boost, and validate the reliability of the model through the calculation result and the experimental data; Then, using the established simulation model of diesel engine working process, all parts of the engine intake system are optimized, and the best intake system parameters are given; Finally, in order to take full advantage of the dynamic effect of the engine intake system, I design a new type of air filter, describe the working principle and present the overall structure.【关键词】柴油机进气系统充气效率泵气损失数值仿真【英文关键词】diesel engine intake system volumetric efficiency pumping loss numerical simulation【目录】柴油机进气过程的数值仿真研究摘要9-10ABSTRACT10-11第1章绪论12-22 1.1课题的背景和意义12-13 1.2 发动机进气谐振系统研究现状13-16 1.3 发动机进气系统模拟计算研究现状16-20 1.4 本课题的主要研究内容20-22第2章 AVL Boost软件数值模拟理论基础22-42 2.1 气缸子系统高压循环过程的计算22-29 2.1.1 气缸子系统基本假设22-23 2.1.2 气缸子系统基本微分方程23-24 2.1.3燃烧放热率的计算24-25 2.1.4 气缸工作容积的计算25-26 2.1.5 传热计算26-28 2.1.6 气缸漏气损失的计算28-29 2.2 气缸子系统换气过程的计算29-34 2.2.1 进排气质量流率的计算30-33 2.2.2 进排气道传热的计算33-34 2.3 进排气子系统的计算34-40 2.3.1 进排气子系统基本假设35 2.3.2 进排气子系统基本微分方程35-36 2.3.3 管道阻力的计算36-39 2.3.4 空滤器计算模型39-40 2.4 本章小结40-42第3章柴油机工作模型的建立及验证42-52 3.1 循环模拟软件42-43 3.2 模型的建立43 3.3 参数的确定43-50 3.3.1 边界条件的确定43-44 3.3.2 平均摩擦损失压力的确定44 3.3.3 循环喷油量的确定44-45 3.3.4 各管道和元件参数的确定45-46 3.3.5 气缸模块参数确定46-50 3.4 模型的验证50-51 3.5 本章小结51-52第4章进气谐振系统的优化52-78 4.1 进气动态效应52-55 4.2 进气系统优化计算55-73 4.2.1 空滤器阻力的分析55-59 4.2.2 进气管长度的分析59-70 4.2.3 进气管直径的分析70-72 4.2.4 可变长度进气管的理论分析72-73 4.3 新型滤清器的设计73-75 4.3.1 技术背景73 4.3.2 工作原理简介73-74 4.3.3 总体结构设计74-75 4.4 本章小结75-78第5章总结与展望78-80参考文献80-84致谢84-86攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与的科研项目86-87学位论文评阅及答辩情况表87。
内燃机配气机构的动力学虚拟仿真研究
摘要 : 采用虚拟样机技术对配气机构进行动力学仿真研究 ,并用 Visual Basic 语言编程 , 计算 2 种凸轮型线的特征参数及凸轮轮廓面 。分析了在不同凸轮转速下 2 种凸轮型线的气门 运动情况 ,利用信噪比讨论配气机构的动态特性 。仿真计算结果表明 :基于虚拟样机技术建立 的仿真模型对配气机构的运动规律有良好的预测效果 ;通过比较发现 , FB2 Ⅱ型凸轮在低速时 动态性能较好 ,而高次方凸轮型线在较高速度时动态性能较好 。 关键词 :内燃机 ;配气机构 ;虚拟样机 ;凸轮型线 ;信噪比
最大值/ ( N·mm - 2) / (107·mm·Hz·s - 2) / (107·mm·Hz·s - 2) 信噪比
复摆 型线
1 000 1 200 1 400
806. 96 1 170. 30 1 600. 20
- 242. 58 - 350. 55 - 497. 43
0. 12 0. 14 0. 17
本文采用由美国 MSC 公司开发的虚拟样机仿 真软件 ADAMS 对配气机构进行动力学分析[1] 。在 专家模块 ADAMS/ Engine 中建立了配气机构动力 学模型 ,通过对其进行动力学分析 ,研究了在不同凸 轮型线 下 , 改变凸 轮转 速对 配气 机构 动态 性能 的 影响 。
1 信噪比计算
ωe
=
1 2π
C
ωi 2π
(3)
共振谐次 i
=
1 ω
C + C′
M
(4)
式中 , C 为配气机构的当量刚度; C′为气门弹簧的刚 度; M 为配气机构的当量质量;ω为凸轮旋转角速度。
ω=
vcam ×2π 60
(5)
共振频率 f
=
基于ADAMS的柴油机配气机构动力学仿真分析
基 于 ＡＤ ＡＭＳ的柴 油机 配 气机 构 动力 学仿真 分析
陈仲 海 ，魏 玉 娜 ， 白峭 峰
（ 中北 大 学 机 械 工 程 与 自动化 学院 ， 山西 太 原 ０ ３ ０ ０ ５ １ ）
摘 要 ：利 用 Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ 和 ＡＤ ＡＭＳ软 件 建 立 某 柴 油 机 配 气 机 构 系 统 的 动 力 学 模 型 ， 并对 其进 行 多 体 动 力 学 仿 真分 析 ，得 到 了配 气机 构 进 气 门的运 动规 律 和 关 键 运 动 件 间 的 作 用 力 ， 以及 不 同 转速 对 气 门的 影 响 ， 为
移 动 副 气 门垫 块 与气 门杆 平 面 一平 面 ｉ 约 束
图 １ 配 气 机构 多刚 体 动 力学 模 型
２ ． １ 进 气 门运 动 规 律
图２ 、 图 ３和 图 ４分别为 ３种转 速 下进 气 门位移 、 速 度和加 速度 曲线 。由图 ２ 、 图 ３和 图 ４可 见 ， 随着 发 动机转 速的提 高 ， 气 门的速度不 断增 大 ， 进气 门在 开启 与关闭 时加速度 冲击 较 大 ， 这 与 实 际现 象 吻合 。 当发 动机 转 速 为 ２ ｉ ０ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ时 ， 进 气 门 的 落 座 速 度 为 ０ ． １ ８ ｍ／ ｓ ； 当发动 机转 速为 ２ ３ １ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ时 ， 进 气 门的 落座速度 为 ０ ． ２ １ ｍ／ ｓ ； 当发 动机 转 速 为 ２ ５ ２ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ
作 者 简 介 ： 陈仲 海 （ １ ９ ８ ８ 一 ） ，男 ， 山西 运 城人 ．在 凑硕 士研 究生 ， 主要 从 事 发动 机 总 体 技 术及 结 构 动 态 设计 方 面 的学 习 与研 究 。
柴油机补气数值仿真研究
现代国企研究 2016. 12（下）160案 例 AN LI摘要：应用GT-Power软件对CA6DL1-26E3型柴油增压发动机补气进行数值仿真模拟研究，重点研究了补气压力、补气管路直径和提前补气时间对尾气中碳烟排放的影响。
研究成果对降低柴油公交车碳烟排放有较好的工程应用价值。
关键词：GT-Power；数值仿真；补气一、GT-Power软件发动机工作过程模拟计算可以为实验研究提供大量数据，替代许多复杂且高成本的实验。
在发动机性能匹配研究中，通过循环模拟计算所得到的各系统和整机性能指标中，大量信息是无法或难以直接通过测试手段获得的，这些信息对发动机性能的研究是非常重要的[1]。
（一）GT-Power简介GT-Power软件是美国Gamma Technologies公司开发的计算一维气体流动的商业软件，它属于GT-SUIT系列的主计算程序。
GT-SUIT系列程序主要包含四大部分：GT-Power、GT-POST、MUFFLER和VT-DESIGN。
GT-Power为主计算程序，本文应用到GT-Power与GT-POST两大程序。
（二）GT-Power基本流动方程GT-Power流动模型同时包括连续方程、动量方程和能量方程[2]。
相关原理方程如下：连续方程：（1）能力方程： （2）二、柴油机物理模型的建立柴油机物理模型的建立是依据空气进入发动机气缸的整个过程：空气经空气滤清器进入涡轮增压器压气机,压缩后到达中冷器进行冷却，然后通过进气总管、进气歧管、进气阀进入气缸，燃烧后高温废气经排气系统排出，经过涡轮时，推动涡轮机做功（涡轮机又带动压气机工作），最终排到大气中。
建立好原机模型后，增加补气系统部分。
在压气机前进气管及中冷器后进气管两个位置添加补气口，补气压力可调整，可以模拟柴油机在补气状态下各工况的运行情况。
三、数值仿真模型的建立利用GT-Power软件搭建CA6DL1-26E3增压柴油机的仿真模型。
发动机配气机构仿真分析
Internal Combustion Engine &Parts0引言配气机构控制气缸与进、排气道是否连通，按照发动机工作循环和各气缸工作顺序的要求，定时给气缸充气，将废气排出气缸和封闭气缸。
配气机构传动链是一弹性系统，机构工作时产生的弹性变形使得运动链末端的气门运动产生失真，气门的运动有时迟于挺柱，有时超于挺柱，导致气门脱节或关闭不正常，反跳，产出机构振动和噪声。
本文利用AVL-tycon 软件建模，设计满足发动机性能、运动学要求的凸轮型线。
AVL tycon 是奥地利AVL 公司用于配气机构系统运动学、凸轮型线的设计和动力学分析的软件。
在发动机仿真分析领域有广泛应用，可进行凸轮型线设计和修改（如丰满系数、气门升程等）、单配气机构或整个正时驱动系动力学计算（包括气门座力、轴承力、弹簧力、飞脱、以及转速不均匀性影响等）。
1基本参数及仿真模型1.1结构示意图配气机构由凸轮轴，机械挺柱，弹簧，气门和锁夹等组成（见图1）。
1.2零部件材料属性零部件预定义材料及材料特性参数（见表1）。
1.3刚度参数进气门、排气门和机械挺柱通过有限元软件导入3D 数模计算刚度。
1.4AVL-tycon 分析模型示意图1.5热力学气门升程要求根据热力学计算结果，提出气门升程和配气相位要求（见表3）。
气门升程：进气9.5mm ，排气8.5mm 。
1.6气门弹簧力学性能进排气门弹簧共用，其力学性能（见图3）。
弹簧预紧———————————————————————作者简介:宋秀英（1983-），女，江西九江人，学士，宁波市鄞州德来特技术有限公司，中级机械工程师，研究方向为发动机配齐机构设计。
发动机配气机构仿真分析宋秀英;黄磊;陈超;胡景彦;何烈永;贾毓鼎（宁波市鄞州德来特技术有限公司，宁波315000）摘要:利用AVL-tycon 软件建模,根据热力学计算要求,设计发动机气门正时系统,确定进气和排气凸轮型线及相关的气门机构参数,进行气门机构运动学分析。
柴油机配气机构动力学仿真研究
位分别为 ｍｌ、 ｇ ＳＮ； Ｔ ｋ 、、 多体 动力学建模及具体 ｌ
的分 析步骤 见 图 １各构件 间约束关 系 见表 ｌ ， 。
柴油机配气机构动力学仿真 研究 —— 李鹏 飞， 黄映云 ， 高浩鹏 ， 康桂东
三维实ＬＪ 多刚体动Ｌ 刚柔耦合动Ｌ 仿真 ＿、 ＿Ｊ
体模型 ｒ ／力学模型ｒ 力学模型 ｒ 结果 １ｆ ＿ ＿ ＿ ｌ －
而建 立柴 油机 刚柔 耦合 多体 动 力学模 型 。
１ ２ 边 界条 件 的施 加 ．
０
通 常在 配气 机 构 动力 学 仿 真 研 究 中 ， 建 立 仅
配气机构多体动力学模型 ， 边界条件的添加采用 在 凸轮轴 上 添加 恒 定 转 速 ， 方 法 存 在诸 多局 限 该 性， 具体表现在把动力学问题退化为运动学问题 ，
ｔｓ ／
图 ４ 刚 体 模 型 排 气 门运 动 规 律
１ ３１
第３ 期
船
海
工
程
第４ Ｏ卷
ｆｓ ／
ｆｓ ／
图 ５ 刚 柔 耦 合 模 型 排气 门 运 动规 律
图 ８ 刚体 模 型 进 、 气 门与 挺 柱 接 触 力 排
２ ２２ 进气 门运 动规 律对 比 ．．
Ｉ
（ 海军工程 大学 船 舶与动力学院， 武汉 ４０ ３ ） ３ ０ ３ 摘 要： 利用三维实体建模软件建立柴油机整机三维实体模 型 ， 于多体动力学理论 及相关软件 建立柴 基
油机的刚体 和刚柔耦 合多体动力学模 型 ； 改进边界条件 ， 柴油机配气机 构进行运动 学、 对 动力 学仿真研究 ， 获
２２ １ 排 气 门运 动规律 对 比 ．．
心重合 ， 使柔性体与刚性体重合 ， 然而在 网格划分
柴油机电液控制配气机构性能仿真研究
收稿日期:2007211228;修回日期:2008203215 作者简介:徐立春(1980—),男,江苏省南京市人,在读硕士,研究方向为动力机械及热力系统的设计、仿真与优化;xulichunxu @ 。
柴油机电液控制配气机构性能仿真研究徐立春1,刘 镇1,石荣婷2(1.海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉 430033;2.南京大千景观工程有限公司,江苏南京 210000) 摘要:针对某柴油机的配气系统,设计了中压共轨电控可变气门系统。
根据电控可变气门的工作原理,利用H Y DSIM 软件建立电液控制配气机构的仿真模型,对电控可变气门的动态特性进行研究。
分析活塞直径、高压共轨腔压力和高压电磁阀的通流面积等关键参数对气门升程及气门响应的影响规律,研究确定可变气门机构部件的关键参数,得到了较为满意的气门运动动态特性仿真结果。
关键词:柴油机;电液控制;配气机构;数值模拟中图分类号:T K413.4 文献标志码:B 文章编号:100122222(2008)022******* 配气机构是发动机的重要组成部分。
以凸轮轴为基础的传统4行程发动机的气门运动参数是固定的。
事实上,在不同的工况条件下,发动机对气门参数的要求是不同的,而固定的气门运动参数是柴油机在各种工况下运行时对气门工作的一种折中方法。
20世纪90年代中后期,人们开始对可以连续调节气门运动参数的无凸轮气门机构进行研究[1]。
电液控制配气机构具有动态响应快、配气正时和升程等配气参数调节灵活以及落座冲击小等特点。
本研究以某高速柴油机为原型机,以Ford 公司无弹簧电液控制可变气门系统为原型,运用avl 2hydsim 软件对其气门正时、气门升程、气门开启持续期以及气门开启速度进行仿真研究分析,以满足性能优化对气门驱动系统的要求,实现柔性控制及调节。
1 电液控制可变气门系统构成及工作原理针对某高速柴油机,建立了如图1所示的无弹簧电液驱动系统模型。
由于没有采用弹簧,该系统具有结构简单和能耗低的优点。
某型柴油机挺柱改进及配气机构优化仿真
Ｋ ｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｄ ｉ ｅ ｓ ｅ ｌ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ， ｖ ａ ｌ ｖ ｅ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ， ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｔ ａ ｐ ｐ ｅ ｔ ， ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
１
前言
随着现 代 柴油机 强化 程度 提高 、排 放 升级 、爆 压 提 升等发 展 趋势 ，对 柴油机 各 机构及 系 统 的要求 也 越 来 越 高 。 配气 机 构 作 为 发 动 机 的两 大机 构 之
噪声 急剧增 加 。为 了保证 柴油 机具 有 良好 的性 能 和
轮轴和挺柱之间的磨损和点蚀故 障越来越多。基于 这样的现状 ，须解决凸轮轴与挺柱间的磨损和点蚀 问题 。通 过 Ａ Ｖ Ｌ — Ｅ Ｘ Ｃ Ｉ Ｔ Ｅ Ｔ ｉ ｍｉ ｎ ｇ Ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ软件 对 原设 计方 案 的分析 计算 发现 ，进排 气 凸轮 与挺柱 底 面接 触面 的接触应 力分别达 到 ６ ８ ８ ＿ ３ Ｍ Ｐ ａ 和８ ３ ６ Ｍ Ｐ ａ ， 超过 了钢制 平底 挺 柱 的一 般许 用值 ６ ８ ０ ＭＰ ａ 。 因此 改用 在重 型柴 油机 领域 中应用 越来 越广 、且 已经趋
２ ０ １ ３年 第 ３ 期 第１ ９卷 （ 总第 １ ４ 机构优化仿真
符 兴胜
（ 同济 大 学汽车 学 院 ， 上海 ２ ０ ０ ０ ９ ２ ） 摘要 针 对 某 型 柴 油 机 挺 柱 与 凸轮 轴 之 间磨 损 的 现 象 ，将 平 底 挺 柱 改 为 滚 轮 挺 柱 。 应 用
ｗ ａｓ ｃ
ｈ ４ ￣ ｔ ｎ ｇ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｏ ｎ ｅ ． Ａ Ｖ Ｌ — Ｅ Ｘ Ｃ Ｉ Ｔ Ｅ Ｔ ｉ ｍ ｉ ｎ ｇ Ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｗ ａ ｓ ｅ ｍ ｐ ｌ ｏ ｙ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ
内燃机配气机构多体动力学仿真及分析
内燃机配气机构多体动力学仿真及分析田运峰;郑明军;吴文江【摘要】通过对内燃机配气机构多体动力学模型的建立,并对其进行动力学仿真及分析,验证了模型的可靠性,可以准确描述配气机构的实际工作情况。
分析得到气门的位移、速度及加速度时间曲线和挺柱等零件所受作用力的时间历程。
通过研究整个配气系统的运动规律和动力学特征,为配气机构后续进行系统优化以及配气机构的自主开发提供了可靠的依据。
%In the paper established is a multi-body dynamic model of the valve train of the internal combustion engine, with which a series of dynamic simulation and analyses is carried out,the reliability of which is tested and which may be used to ex- actly describe the actual working conditions of the valve train of the engine. The results of the analyses may show the displace- ment of the valve train, the velocity and acceleration time curves and the loading-time process of the main parts of the valve train under the action of applied forces, such as the tappet. The study of the movement law and dynamic characteristics of the whole valve train provides a reliable basis for the following optimization of the valve system and developing the valve train of the en- gine on our own.【期刊名称】《国防交通工程与技术》【年(卷),期】2012(010)005【总页数】4页(P42-45)【关键词】内燃机;配气机构;动力学;虚拟仿真;气门;挺柱【作者】田运峰;郑明军;吴文江【作者单位】石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄050043;石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄050043;石家庄铁道大学工程训练中心,河北石家庄050043【正文语种】中文【中图分类】TK403配气机构作为内燃机的重要组成部分被称为三大机构之一，其工作原理为：根据气缸点火次序，按照一定的时间规律关闭和开启进排气门，实现内燃机的换气过程。
柴油机配气机构运动两种视觉仿真方法的比较
柴油机配气机构运动两种视觉仿真方法的比较刘炜;陈宁【摘要】The profile of a cam of diesel engine gas distribution mechanism is complex,and it is difficulty in de-veloping virtual repairing module and analyzing the mechanism motion simulation.We provide a method with in-tersection collision, and realize simulation of motion and interaction of cam tappet pair.Finally, we solve the problem of mechanism vibrating in simulation, which is brought by intersection collision.%柴油机凸轮配气机构的凸轮型线比较复杂，其与运动的挺柱是视觉仿真开发的难点。
在开发虚拟维修模块过程中，提出了两种实现配气机构运动学仿真的方法：一是进行理论计算，得到凸轮机构实时位置，然后依此实现视觉仿真，但此种方法占用系统资源较大，运行费时；二是以视觉仿真中碰撞检测技术作为开发手段，实现挺柱与凸轮之间相互作用的表现方法，找出碰撞检测技术的关键点，并且解决了应用这种方法时挺柱等机构出现的抖动问题。
最后对两种方法进行了比较，指出后一方法较容易实现。
【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】4页(P441-444)【关键词】虚拟现实;配气机构;碰撞检测;凸轮【作者】刘炜;陈宁【作者单位】江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】TP391.9虚拟现实技术是一门新兴技术，集传感器技术、图形图像处理技术、多媒体技术、互联网技术、计算机技术［1］等于一体，逐渐成为国际重要课题，在计算机相关领域中得到广泛应用，在娱乐、教育、培训等领域也得到广泛应用.文献［2］中基于I－DEAS，OpenGL，VC++，建立约束关系，开发大型机械装置虚拟教学训练系统，以动态实时展现复杂视景.文献［3］中通过11个BB模块实现三维实体碰撞检测.利用虚拟现实技术对柴油机配气机构进行运动学视觉仿真，一直是柴油机工作状态模拟的难点，特别是配气机构运动体之间运动关系的仿真.文中提出了两种仿真方法，并对仿真结果进行了比较.1 数学模型法首先求解柴油机配气机构运动的数学模型.图1为单缸配气机构的示意图.图中lT为摇臂转动中心到推杆上支承面中O1的距离;α为摇臂lΤ对挺柱中心线的偏转角;l 为推杆上下支承面中心间的距离;γ为推杆对挺柱中心线的偏转角;lV为气阀侧的摇臂臂长(摇臂中心O到圆柱面中心O2的距离);β为lV臂对气阀中心线的偏转角;hv 气阀的升程;hT为挺柱的升程;φ为凸轮的转角;ω为凸轮轴的转角.挺柱的位移hT 与凸轮的转角φ相关［4］.图1 配气机构示意Fig.1 Gas distribution mechanism图2为进气阀位移hv与凸轮转角φ的关系.可以通过凸轮转角φ来确定挺柱的运动规律.由图1可以得到下列方程:再对时间t求导，可得到气阀运动的关系式:式中:hV为速度(mm/s);h¨V为加速度(mm/s2).结合式(1，2)和(5)，可得挺柱的位移hT与凸轮的角速度ω的关系式:对公式(5)求积分有凸轮轴转速ω为8.75 rad/s，故凸轮的转速ω也为8.75 rad/s.利用Simulink求解方程，得到配气机构挺柱的速度、加速度曲线，将结果输入SQLserver数据库建立数据表.以ADO和UDP协议通信，数据从数据库服务器传输到Simulink.数据发送流程如图3.通过 VS2005建立 OSG(OpenSceneGraph)仿真平台与数据库表的关联，从而使OSG中各个机构在数据库表的支持下运动(图4).此方法在实现视觉仿真时结果精确，机构动作平滑，但占用系统资源较大，运行费时.图2 凸轮转角与进气阀位移关系Fig.2 Relationship of cam angle and suction valve displacement图3 数据发送流程Fig.3 Flow diagram of data send图4 视景生成流程Fig.4 Visual generation process2 场景模型碰撞检测方法OSG场景管理软件提供了osgUtil库函数，该库函数用来获得正确的静态物体和动态物体高度值.场景中的射线是交集测试的基础，线段类提供了一种定义射线的方法.当交集测试被触发时，它将检测射线的相交情况并执行相应的操作［6］.这里采用了一种改进的AABB碰撞检测算法.柴油机配气机构中凸轮的AABB树由2×N－1个节点组成，其中包括N个叶节点和N－1个内部节点，N是凸轮中基本图元三角形的数目.叶节点包含一个或多个可绘制体(Drawable类)信息.在凸轮和挺柱碰撞检测时，遇到测试两个叶节点的情况，则先进行包围盒之间的相交测试.如果包围盒相交测试成立，再进行凸轮和挺柱之间基本图元如三角形、线段的相交检测，找到碰撞的准确位置.文中提出一种方法，据此可以跳过AABB的叶节点之间的相交测试，直接进行几何体基本图元间的相交测试，找出射线和三角形的交点.方法如下:凸轮几何体三角形的参数方程:式中:V0，V1和V2为三角形的3个点;x，y为V1和V2的权重，1-x-y为V0的权重，并且满足x＞=0，y ＞ =0，x+y ＜ =1.射线的参数方程为O+Dt.式中:O为起点，D为射线的方向.求射线与凸轮几何体基本图元三角形的交点，即求解方程:将t，x，y提取出来作为未知数，得到线性方程组根据克莱姆法则，可知射线与凸轮几何体基本图元三角形的交点.依据碰撞检测算法，实时获取凸轮与挺柱的动态交点，再通过交点，根据曲柄滑块机构运动规律，求出配气机构各部件的运动方程.碰撞检测算法可以利用OSG自身碰撞检测类实现.用osgUtil::Line-SegmentIntersector定义相交矢量，用osgUtil::IntersectionVisitor定义碰撞检测器，定义碰撞检测的对象物——凸轮.在整个运行周期，碰撞实时发生.凸轮与相交矢量的碰撞检测结果即交点实时保存，传递给OSG仿真程序.这一方法需要配气机构三维模型非常精确，可直接从CAM工具ProE文件格式转化而来.对于单独一个气缸配气机构来说，碰撞检测发生在凸轮和挺柱两个动态运动刚体之间，采用嵌套回调的方法解决这个问题.凸轮轴在参与正时转动时，加入碰撞检测机制.图5 方法2流程Fig.5 Flowsheet of method 2基于碰撞原理，挺柱和推杆的位移程序如下:osgUtil::LineSegmentIntersector(p－ start，pend);∥得到线段osgUtil::IntersectionVisitor －iv(－lineSegmentIntersector.get());terrain－＞accept(－iv);∥碰撞点osg::ref－ptr＜osg::MatrixTransform＞ mt－terrain=newosg::MatrixTransform;mt－terrain－＞setMatrix(osg::Matrix::translate(osg::Vec3(0，0，0)));mt－terrain－＞addChild(terrain);－intersections=－lineSegmentIntersector－＞get-Intersections();int －intersectionNumber= －intersections.size();if(－intersectionNumber!=0)osgUtil::LineSegmentIntersector::Intersections::iterator hitr= －intersections.begin();osg::Vec3vec3－p1=hitr－＞getWorldIntersectPoint()*mt－terrain－＞getMatrix(); OSG运行结果如图6.该方法利用碰撞检测机制实现挺柱沿凸轮型线复杂运动轨迹，避免用Simulink建立数学模块求解微分方程.上述方法是一种较为方便且占用资源较少的解决方案. 图6 柴油机配气机构运动Fig.6 Diesel engine gas distribution mechanism motion visual simulation经过观察，可见挺柱、推杆、摇臂和气阀等构件有抖动现象.这一问题来源于碰撞检测环节.应用OSG碰撞方法求交点时，尽管对导入的模型曲面进行了Delaunay 三角剖分，但得到剖分后，部分三角形较大.凸轮曲面由很多三角形平面拟合而成，在相交矢量与凸轮表面求交时，交点值有跳动，造成了部分构件仿真结果抖动.利用 osg::PrimitiveSet::POINTS，osg::PrimitiveSet::TRIANGLES对凸轮模型曲面的三角形细化，可以减小抖动.3 结论根据柴油机配气机构视觉仿真的要求，用两种不同方法对配气机构进行仿真:一是利用Simulink对配气机构各个部件的运动微分方程进行解算，通过数据库实时传递运算数据，在视觉仿真环境中得到运动效果;二是通过碰撞检测机制，找到凸轮与挺柱碰撞交点，通过交点计算各部件运动位置，解决了运动刚体之间的碰撞检测问题.这两种方法经过比较，后者因为灵活方便，推荐使用.参考文献(References)［1］周红军，王选科.虚拟现实系统概述［J］.航空计算技术，2005，35(1):114 －116.Zhou Hongjun，Wang Xuanke.Systematic summary of virtual reality ［J］.Aeronautical Computer Technique，2005，35(1):114 －116.(in Chinese)［2］贺少华，吴新跃.基于VC++和OpenGL的大型机械装置虚拟教学训练系统的开发［J］.系统仿真学报，2009，21(4):1059 －1062.He Shaohua，Wu Xinyue.Desktop VR prototype of mechanical devices training applications ［J］.Journal of System Simulation，2009，21(4):1059 －1062.(in Chinese) ［3］王宪成，李勃，李莉.基于Virtools4－0的某型船艇柴油机虚拟维修关键技术研究［J］.装甲兵工程学院学报，2010，24(2):27 －31.Wang Xiancheng，Li Bo，Li Li.Research on key technology of virtual maintenance certain boat diesel engine based on virtual 4.0［J］.Journal of Academy of ArmoredForce Engineering，2010，24(2):27 －31.(in Chinese)［4］姚寿广，包国治，许江涛.基于虚拟样机的柴油机配气机构运动学动力学仿真分析［J］.船舶工程，2009，31(6):27－31.Yao Shouguang，Bao Guozhi，Xu Jiangtao.Kinematics and dynamics simulation analysis of valve actuating mechanism for diesel engine based on virtual prototype technology［J］.Ship Engineering，2009，31(6):27 －31.(in Chinese) ［5］杨晓，廉静静，张新宇.基于OSG的虚拟场景中包围盒碰撞检测的研究［J］.计算机技术与发展，2011(9):32－34.Yang Xiao，Lian Jingjing，Zhang Xinyu.Research on bounding box collision detection in virtual reality based on OSG［J］.Computer Technology Development，2011(9):32－34.(in Chinese)。
重型柴油机匹配VNT的仿真研究
重型柴油机匹配VNT的仿真研究赵艳婷;殷勇;陈镇;韩潇;殷实【摘要】增压柴油机采用可调涡轮技术是提高其扭矩储备和瞬态响应性、解决低速冒烟问题的有效技术措施之一.本文利用发动机一维仿真分析方法,对柴油机进行了匹配VNT的计算,并得出了一定的分析结果,为今后采用柴油机配备VNT试验和研究提供理论参考.【期刊名称】《汽车科技》【年(卷),期】2013(000)001【总页数】5页(P37-41)【关键词】柴油机;匹配;VNT;仿真【作者】赵艳婷;殷勇;陈镇;韩潇;殷实【作者单位】东风汽车有限公司东风商用车技术中心,武汉430056;东风汽车有限公司东风商用车技术中心,武汉430056;东风汽车有限公司东风商用车技术中心,武汉430056;东风汽车有限公司东风商用车技术中心,武汉430056;东风汽车有限公司东风商用车技术中心,武汉430056【正文语种】中文【中图分类】U464涡轮机的流量特性是指涡轮机校正质量流量与涡轮膨胀比之间的关系。
对于径流式涡轮来说，不同的涡轮转速对应不同的流量特性曲线，如图1所示。
对于传统的涡轮增压器，如果它匹配在柴油机的额定点，则在低速工况时，由于进气流量减少，涡轮膨胀比也相应降低，即涡轮入口处的气体压力下降，涡轮做功能力降低，导致压气机压比下降，柴油机充气不足，最终导致动力输出减少。
如果匹配点选在柴油机的低速工况，则高速时会使涡轮膨胀比过大，出现增压器超速和增压压力过高的现象。
变截面涡轮可以通过调整涡轮有效流通面积来实现涡轮流量特性在一定范围内的调节。
某重型柴油机配用VNT（可变喷嘴涡轮增压器），希望以此为契机探索重卡柴油机实现欧5排放法规的新途径、新方法。
图1 VNT不同开度的图谱比较图2 带VNT的发动机模型1 带VNT的柴油机模型利用一维发动机性能仿真软件avl-boost软件搭建dCi11-EGR柴油机模型如图2所示。
并将校正后的模型里面的传统涡轮增压器特性数据替换为VNT特性数据，假设替换前后柴油机喷油量不变，摩擦不变，燃烧参数不变。
双凸轮轴顶置四气门配气机构的建模及运动仿真
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald技 术 创 新配气机构作为内燃机的重要组成部分,其作用是:按照各缸的工作顺序和工作循环的要求,实现换气过程;当进、排气门关闭时,保证气缸的密封。
因此,发动机的性能是否优越,工作是否可靠,噪声和振动水平能否控制在较低的限度,与配气机构设计的是否合理密切相关。
设计合理的配气机构应保证进气充分,排气彻底,即进、表1 484汽油机的基本技术参数图1 进气凸轮图2 排气凸轮排气门具有较大的时面值,工程上常采用的方法是增加进、排气门数目,由一进、一排变成两进、两排;与此同时,配气机构还应有良好的工作性能,配气正时恰当,运动平稳,振动和噪音小,不发生强烈的冲击磨损等现象,这就需要对配气机构的运动进行仿真,以便验证进、排气门速度和加速度的变化规律是否符合设计要求。
鉴于上述原因,本论文以484汽油机双凸轮轴顶置4气门配气机构为例,利用现代设计方法,对其进行设计、建模和运动仿真。
1 配气机构的建模484汽油机的基本技术参数如表1所示,根据参考文献[4～5]中的设计原则、要求和方法设计该配气机构零部件的具体尺寸,利用CATIA软件绘制进排气凸轮、进排气凸轮轴、进排气门等主要零部件的三维实体模型(分别如图1、2、3、4、5、6所示),并进行装配,然后,利用SimDesigner插件,在配气机构各零部件之间添加约束,进排气凸轮轴之间采用偏移约束,同一缸排气凸轮的顶点相对于进气凸轮的顶点沿凸轮旋转方向超前的角度105°。
凸轮与挺柱之间采用接触、偏移约束,挺柱与气门之间采用相合、偏移约束,完成配气机构的虚拟样机,如图7所示。
2 配气机构的运动仿真及分析利用SimDesigner插件对配气机构的模型进行后处理,得到发动机以额定转速5500r/min运转,即凸轮轴的转速为2750r/min(凸轮轴转动一周大约需要0.02s)时气门的位移、速度、加速度曲线的仿真结果(以一缸进气门的仿真结果为例),如图8所示。
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杭州电子科技大学
毕业设计（论文）开题报告题目柴油机配气机构运动仿真研究
学院机械工程学院
专业车辆工程
姓名徐漳
班级车辆一班（08010511）
学号08015128
指导教师刘婷婷
一、内燃机配气机构技术现状及选题的依据和意义
（一）课题研发背景
配气机构作为内燃机的重要组成部分，其性能好坏对内燃机的性能指标有着很重要的影响。
配气机构的作用是按照内燃机的工作循环与工作顺序的要求，控制新鲜气体及时地进入气缸，同时排除燃烧后的废气。
一台内燃机的经济性能是否优越，工作是否可靠，噪音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关系。
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，即具有较大的时面值，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动力性能，工作时运动平稳，振动和噪音较小，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加速度变化规律，以及合适的正、负加速度值。
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。
1 内燃机配气机构的研究现状
随着内燃机高功率、高速化发展，人们对其性能指标的要求更高，这给配气机构的设计以及制造工艺增加了难度。
目前广泛采用的是气门－凸轮式配气机构，它具有保证气缸密封性的优点。
配气机构系统研究内容归纳起来主要有两个方面，一方面是零部件的设计，包括凸轮型线，气门摇臂机构的设计，气门弹簧及气门等零部件的设计，其中又以凸轮型线的设计尤为关键，这是因为凸轮作为整个机构的原动件，它直接控制整个机构的运动。
另一方面是机构的动力学问题，而对于机构动力性能的研究，又主要集中在气门的运动规律上。
国外对配气机构的振动模型、摩擦及配气相位和可变气门正时等的研究有一些报道。
国内也在致力于研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等问题，主要表现在以下几个方面[1,2]：
（1）设计了许多性能优良的凸轮型线；
（2）配气机构由刚性设计发展为弹性设计；
（3）由孤立研究凸轮设计发展到配气机构系统设计。
内燃机配气凸轮的研究已经涉及到配气机构性能的各个方面，包括型线、挺柱的运动规律、气门振动模型、挺柱与凸轮的接触应力、摩擦应力等。
在研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等方面上，国内外都有很大的发展。
2 配气凸轮优化设计方法
配气凸轮是影响配气机构工作状况的关键零件，如何设计和加工出具有合理外形的凸轮轴是整个配气机构设计中最关键的问题。
对内燃机气门通过能力的要求，实际上是对由凸轮外形所决定的气门位移规律的要求，气门开闭迅速就能增大时面值，但这将导致气门机构运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、振动加剧，机构动力特性变差。
因此，对气门通过能力的要求与机构动力特性的要求间存在一定矛盾，应视所设计发动机的特点，如发动机工作转速、性能要求、配气机构刚度大小等，主要在凸轮外形设计中兼顾解决。
配气凸轮型线优化设计的任务就是在确保配气机构能可靠工作的前提下寻求最佳的凸轮设计参数。
凸轮型线的设计己从静态设计、动态设计发展到系统动力学优化设计。
系统动力学设计考虑配气机构的弹性变形，可更精确地描述配气机构的运动和受力情况，并统
一考虑机构动态参数与凸轮型线，从而实现凸轮型线优化设计。
当今内燃机配气机构的发展趋向是在排量不变的前提下，提高内燃机性能指标。
不论是多气门配气机构还是在此基础上演化而来的可变气门运动配气机构，其基本出发点都是，在更大范围内使内燃机动力指标、经济指标和生态指标等达到最优，这是传统配气机构无法完成的。
（二）选题的依据和意义
1）柴油机所采用的上置凸轮轴式配气机构，建立配气机构动力学模型，并进行不同转速条件下的气门动态特性仿真分析，对计算结果进行初步对比后认为多刚体动力学模型能更真实地模拟机构的运动特性，而且不要编制复杂的程序，不必建立复杂的方程，只要基于虚拟样机技术建立数字化装配模型，施加约束，运用Mat-lab软件就可以比较准确地进行运动与动力学特性的仿真分析，能够满足该复杂系统产品设计分析的需要.
2）通过仿真分析获得的机构运动学参数与力学参数，不仅提供了机构各部件的，而且为进一步基于多体动力学的结构强度分析与系统优化奠定了基础.
二、拟解决的主要问题、研究的基本内容：
1. 基于大型商用软件pro/E开发柴油机配气机构的虚拟样机设计建模原型模块；
2. 对柴油机配气机构进行运动学和动力学分析，计算并确定模型号柴油机配气机构
的结构及性能参数；
3. 建立配气机构模型，进行配气机构运动仿真研究。
本毕业设计主要设计思想及内容为：进行发动机虚拟样机设计建模仿真环境的开发研究，采用面向对象的方法对柴油机配气机构进行分析，基于pro/E开发柴油机配气机构的虚拟样机设计建模原型模块，建立配气机构模型，进行配气机构运动仿真研究。
三、研究步骤、方法及措施：
1.查阅相关资料，编写开题报告及文献综述
2.学习三维实体建模软件
3.学习进行运动分析的计算仿真软件
4.使用Pro/E等实体建模软件建立汽车发动机配气机构的实体模型
5.利用计算仿真软件对发动机气门机构在工作状态下运动进行分析，得到应力、变
形等参数
6.以仿真结果作为依据，对发动机气门机构给以优化
7.整理资料，完成毕业论文
四、研究工作进度：
序号时间内容
1 2011/11/11 布置任务，确定题目，审题
2 2012/2/1-2012/2/28 查阅相关文献资料并撰写开题报告
3 2012/3/9-2012/3/15 开题报告答辩
4 2012/3/17-2012/3/24 了解配气机构的结构，建立汽车发动机配气机
构的实体模型
5 2012/3/25-2012/3/5 完成外文翻译
6 2012/4/6-2012/4/20 绘制CAD技能训练图
7 2012/4/21 上交外文资料翻译，接受中期检查
8 2012/4/22-2012/5/5 对配气机构进行运动学和动力学分析
9 2012/5/6-2012-51-/15 以仿真结果作为依据，对发动机气门机构给以优化，
并着手写毕业论文
10 2012/5/16-2012/5/28 整理有关资料，完成并上交毕业论文，准备答
辩
五、主要参考文献：
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六、指导教师审核意见：
指导教师签字：
年月日七、系（教研室）评议意见：
系（教研室）主任签字：
年月日
八、开题小组评审意见：
开题小组负责人签字：
年月日
九、学院领导审核意见：
1．通过； 2．完善后通过；３．未通过
学院领导签字：
年月日。