第３４卷第２期 ２０１７年４月 内燃机与动力装置Ｉ．Ｃ．Ｅ＆Ｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１７ 【仿真计算】 基于配气机构动力学分析的米勒循环凸轮型线设计 刘兰兰 （胜利油田胜利动力机械有限公司，山东东营２５７０３２） 摘要：为了解决在不降低动力性的前提下，减少发动机ＮＯ 排放量的问题，配气机构的优 良与否显得尤为重要。本研究以某１６Ｖ发动机配气机构进气部分为研究对象，运用米勒循环 原理设计了三组进气相位．在原机配气机构的基础上．应用ＧＴ—ＰＯＷＥＲ软件建立配气机构运 动学和动力学模型，对三组凸轮型线进行设计及模拟计算，从气门运动规律、动力学特性等方 面对该配气机构进行了评价 关键词：配气机构；凸轮型线；动力学；ＧＴ—ＰＯＷＥＲ ＤＯＩ：１０．１９４７１／ｊ．ｅｎｋｉ．１６７３—６３９７．２０１７．０２．０１４ 中图分类号：ＴＫ４２３．４文献标志码：Ａ文章编号：１６７３—６３９７（２０１７）０２—００６０—０６ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｉｌｌｅｒ Ｃｙｃｌｅ Ｃａｍ Ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＧＴ——ＰＯＷＥＲ ＬＩＵ Ｌａｎ——ｌａｎ （Ｓｈｅｎｇｌｉ Ｏｉｌ Ｆｉｅｌｄ Ｓｈｅｎｇｌｉ Ｐｏｗｅｒ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ ２５７０３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｅｎｇｉｎｅ ＮＯ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｊｅｏｐａｒｄｉｚｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ， ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｖａｌｖｅ—ｔｒａｉｎ ｉｓ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｔｏｏｋ ａ １６ｖ ｖａｌｖｅ—ｔｒａｉｎ ｅｎｇｉｎｅ ｉｎｌｅｔ ｐａｒｔ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｒｅｅ ｓｅｔｓ ｏｆ ａｉｒ ｉｎｔａｋｅ ｐｈａｓｅｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｌｌｅｒ ｃｙｃｌｅ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｍａｃｈｉｎｅ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＧＴ—ＰＯＷＥＲ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｖａｌｖｅ——ｔｒａｉｎ ＣＡＭ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｇｒｏｕｐｓ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｖａｌｖｅ ｍｏｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｇｅｎ— ｃｙ ｗｅｒｅ ｅｖａｌｕａｔｅｄ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；Ｃａｍ Ｐｒｏｆｉｌｅ；Ｋｉｎｅｔｉｃｓ；ＧＴ—ＰＯＷＥＲ 引 言 随着雾霾天气的增多和人们环保意识的增强， 国家对发动机排放要求更加严格。如何在不减弱动 传统的发动机采用节气门控制负荷，泵气损失较 大，循环的膨胀比较小，热效率较低。米勒循环以其 适用性强、技术限制较低、对发动机结构改变影响较 力性的前提下，降低排气温度和ＮＯ 排放量，成为 摆在发动机设计者面前的首要问题。 配气机构是发动机的重要组成部分，其设计合理 小而被发动机生产商作为首选的降排放方案ｌ２］。将 米勒循环应用到配气机构设计中，设计出优良可靠的 凸轮型线．通过改变进气门关闭时刻部分代替节气门 来控制负荷，达到增大节气门开度，增大进气压力，减 少泵气损失的目的，使发动机进气充分．排气彻底，在 提高动力性的同时能够有效解决排放问题［３ｊ。 本研究就在上述问题的基础上展开。 与否直接关系到发动机的工作性能和可靠性。配气 机构运动学、动力学是当前发动机研究的热点领域之 一，整个发动机配气机构是由配气凸轮驱动的，因此 凸轮的设计对配气机构的性能起着决定性作用ｌｌ 。 作者简介：刘兰兰（１９８７一），女，汉，陕西宝鸡人，工程师，硕士，主要从事内燃机设计及数值模拟计算方面的研究。 收稿日期：２０１７—０１—０４ 刘、 、 ．等： 甚于 气机构动力学分析的米恸循环ｆ”Ｊ轮型线设计 ｌ 建立配气机构模型 １．１ 建立配气机构运动学模型 丧１为配气机构的 小参数 １为建立的配 机构模型 表Ｉ 配气机构基本参数 ａ）运动学模型简图 ｂ）动力学实际动态模型 鬈一ｔ…譬 ： 《ｌ！ｊ 冀竺攀 ｝ ｃ）动力学物理模型 １ Ｃ机构模型 １．２建立配气机构动力学模型 表２为本研究所需零部件卡¨父参数． 表２主要零部件部分参数 运川Ｉ ＰＦｏＥ ｉ维软什进仃各零部件质量、转动惯 乖兀Ｉｘ］０度等参数的计算 、 ２所示汁算 气 任 州 的作川下产生位移为７．００６×１０ ｌｌｌｉｎ，川力除 以位移即得此种情况下气门刚度为ｌ４２８００ Ｎ／Ｉｎ１１１。 ７．００６ｅ．０６ ” 辩 ０ ０ 辩 Ｆ “ ６，３０６ｅ－０ ７ Ｏ０６ｅ．０７ ｉ ０ Ｏ００ｅ＋Ｏ０ ’√ ｆ冬Ｉ ２ Ｉ 】冈《度Ｈ一３’： － ｉ 『冬Ｉ 将 ｌ所爪的运动学模型干¨动 模 ＿卡｝１连 接．建直完整的配气机构动力学物 馍型（冈ｌ ｃ・）） 系统输ｆＩＩ如 所示的动力学实际动态馍 ．埘其进 行仿真演，Ｊ÷，检查ｉ亥配气机构运转足 甲 ，两个气 门落 时刻是否一致等，通过不断洲憋 巾各连接 件之间ｆｉＯ￣ｒｌ关参数．完善动力学模 ， ：刮满足使 要求为止 ． ２凸轮型线设计 ２．１ 选择米勒循环类型 本研究采 米勒循环进气 一父原删，进 Ｊ存 Ｉ卜 之｝ｊｉ＝『父『才Ｊ，活塞继续下 ｊｊ；＇ＩＪ达１－ＪＬ ，使缸内 气体 『Ｊ 短暂膨胀过程后才斤始 缩，他 缩冲 始时缸内 乃较低，降低最高燃烧Ｊ 力和ｌ温度，达 到降低ＮＯ、排放，改善发动机燃烧悱能的ＬＩ的 参号 外同等缸径的燃气发动机，提…菜ｌ６Ｖ燃 气机ｔ种米勒定时方案，分别标 为ｌ（）。、ｌ５。干Ｉ１ ２（）。 ２．２配气相位设计 按照前 提…的 种 米恸循环．没¨‘女ｒ的配 十Ｉ｛位科１ Ｌ酉 ｌ卡Ｈ位对比图＆¨ｌ冬Ｉ ３昕，Ｊ 内燃机与动力装置 ２０１７年４月 ２．３型线方案确定 图４为原机凸轮外形。新凸轮型线初步设计如 下：ａ）维持原型线缓冲段的凸轮转角和升程不变： ｂ）根据进气阀关闭时刻，设计工作段凸轮转角和升 程；ｃ）整个凸轮型线为对称模式＿５］。经计算，三种 方案的凸轮型线如表３所示 图４原机凸轮 表３米勒型线设计方案 将表中的参数代到ＶＴ－Ｄｅｓｉｇｎ中用作方程已知 条件，反复验算，最终得到满足使用条件的凸轮型线。 ３ 凸轮型线设计结果分析（运动学） 图５～９依次为原机与新设计的１０。、１５。、２０。四 种凸轮型线的气门升程、速度、加速度、跃度和凸轮 型线丰满系数曲线图。 ３．１气门升程曲线 从图５中可以看出气门升程曲线光滑良好．无 波动现象发生，表明气门运行平稳，配气机构的稳定 性较好 凸轮转／ｄｅｇ 图５气门升程曲线 ３．２气门速度曲线 从图６可以看出，所设计的ｌ０。、１５。、２０。三种气 门速度曲线连续光滑，而原机气门速度曲线在缓冲 段和工作段连接处有轻微弹跳。表明所设计的三组 型线在气门速度方面比原机型线更好。 Ｏ ｉ。 。 凸轮转角／ｄｅｇ 图６气门速度曲线 ３气门加速度曲线 从图７可以看出。原机凸轮气门加速度在缓冲 段和工作段交接处有较大波动，可导致气门工作运 行不稳定，凸轮磨损严重。而新设计的三组型线的 气门加速度曲线均过渡圆滑平稳。表明所设计的凸 轮型线在气门加速度方面比原机型线更加优良。 图７气门加速度曲线 ３．４气门跃度曲线 气门跃度是关系到从动件振动响应的一个重要 指标，凸轮与从动件之间的接触力应尽可能无突跳， 以避免振动。 原机 ｝１０。 ｛１５ｏ ５０Ｏ０ 十２０。 ２５００ 。一— ｝ 一 一 ≥ ＼一．、 泌， 、 “ 一 ｇ 茸－２５００ ｝ 趟 ．５Ｏ０Ｏ 图８气门跃度 ３．２０１７年第２期 刘兰兰，等：基于配气机构动力学分析的米勒循环凸轮型线设计 ‘６３・ 由图８可见，除原机最大跃度值为７０３１ ｍｍ／ ｒａｄ 外．剩余三组型线的最大凸轮跃度为６７９ ｍｍ／ ｒａｄ 小于凸轮型线设计要求的ｌＯ００ｍｍ／ｒａｄ 。表 厂＼ 、 Ｉ ＋原机 ｛１５￣ ４－２ｏ。 ∥ ＼ 明所设计的三组型线满足气门跃度要求。 ３．５ 凸轮型线丰满系数 从图９可见。四种型线下最小丰满系数０．５２１５ 大于０．５，均满足凸轮型线丰满系数设计要求。 图９凸轮型线丰满系数 图５～９的运动学计算结果表明，发动机配气机 构工作平稳，充气性能良好＿７］ ４仿真结果分析（动力学） 将设计好的凸轮型线代人建立的动力学仿真模 型中进行计算。 ４．１ 凸轮与滚轮挺柱之间的接触应力 从图１０中可以看出所设计的三条型线在气门启 闭过程中均没有出现接触应力为零的现象，说明凸轮 没有飞脱 ］。且凸轮与滚轮挺柱之间的最大接触应 力均小于８００ＭＰａ，在许用力范围内（１２００～１３００ ＭＰａ） ］。同时表明该凸轮与挺柱磨损程度较小。 ＢＤＣ ＴＤＣＦ ＢＤＣ ＴＤＣ ＢＤＣ 凸轮转角／ｄｅｇ 图１０接触应力 ４．２气门升程曲线 从图ｌ１中可以看出气门升程曲线光滑，没有出 现气门“反跳”现象．配气机构在工作过程中不会出现 从动件飞脱的现象，四种型线均满足气门升程要求。 ／／ 《 ＼ ｆ 图１１仿真计算后的气门升程曲线 ４．３气门落座速度曲线 图ｌ２为四种型线下的气门速度．在２１０。至２８０。 区间内最大波动为原机型线０．３１７６ ｍ／ｓ。其余三条设 计型线均为小于Ｏ．３ｍ／ｓ的轻微波动，这是由于动力 学模型考虑了构件弹性变形及冲击波的影响 】 ，波 动幅度均小于凸轮型线设计要求。表明气门不易发 生飞脱和反跳现象，且气门和气门座不易出现磨损。 曲柄转￣／ｄｅｇ童妇 图１２仿真计算后的气门速度曲线 ４．４气门落座力曲线 图１３展示了４种型线下的气门落座力曲线图。 可以看出最大气门落座力为３４００Ｎ，小于凸轮型线 设计要求的６倍弹簧力３６００Ｎ的限制值 ¨］。气门 和气门阀之间不会产生撞击，气门不易发生反跳现 象，四种型线均满足气门落座力要求。 ｝原机 ｝１０。 音１５ｏ ｝ Ｉ 一 ＼ ｊ —— ＢＤＣ ＴＤＣＦ ＢＤＣ ＴＤＣ ＢＤＣ 曲柄转角／ｄｅｇ 图１３气门落座力曲线 ・６４・ 内燃机与动力装置 ２０１７年４月 ４．５弹簧特性 图ｌ４、１５为４种型线下气门内、外弹簧位移。 从气门弹簧位移对比图中可以看出，各弹簧均 有振动，但无并圈现象产生，气门弹簧工作正常，表 明四种型线均满足气门弹簧要求，配气机构运动过 程稳定。 曲柄转角／ｄｅｇ 曲柄转角／ｄｅｇ ｂ、１０。 ２ ａ１原机 ０ 产 ２ § 。１３ ４ 趟 －７ 。９ ” ．１２ １８０ ＢＤＣ ．Ｏ ＴＤＣＦ ｌ８０ ＢＤＣ ３６０ ＴＤＣ ５４０ ＢＤＣ 曲柄转角／ｄｅｇ ｃ、１５。 曲柄转角／ｄｅｇ ｄ１ ２０。 图１４气门内弹簧位移 ３ ０ ３ 基 ． ９ ．１２ 。ｌ６ 曲柄转角／ｄｅｇ ａ）原机 曲柄转角／ｄｅｇ ｂ、１０。 ＾Ａ＾矗 Ａ ，’ 一 Ａ Ａ Ａ 五▲－ ＂ 一 Ｖ Ｖ ＼ ｛ ／ 曲柄转／ｄ．ｅｇ 曲柄转角ｌｄｅｇ ｄ、２０。 ｃ１ １５。 图１５气门外弹簧位移 ２０１７年第２期 刘兰兰，等： 基于配气机构动力学分析的米勒循环凸轮型线设计 ・６５・ 低Ｎ０ 排放的研究［Ｊ］．铁道机车与动车，２０１５（６）：１９— ５ 结 论 （１）从配气机构运动学结果可知，原机气门工 作不稳定，凸轮磨损严重，从动件振动严重，新设计 ２１． ｆ ３］朱琳．１２Ｖ２４０型柴油机工作过程与米勒循环的模拟计算 『Ｄ］．大连理工大学硕士学位论文，２０１１． ［４１李翔，任自中，王新权，等．中速大功率柴油机应用米勒循 环的仿真与试验研究［Ｊ］．柴油机，２０１０，３２（２）：２７—３０． ［５］杨连生．内燃机设计［Ｍ］．北京：中国农业机械出版社． １９８０． 的三组型线运动学性能都比原机型线优良许多，气 门工作稳定，凸轮无磨损．从动件无振动； （２）从配气机构动力学计算结果可知，发动机 在１５００ｒ／ｍｉｎ的转速下，原机型线的气门落座速度 超出了凸轮型线设计要求的０．３ｍ／ｓ．气门易发生飞 脱和反跳现象：新设计的三组型线，从动件没有发生 “飞脱”，气门没有出现“反跳”现象．气门弹簧振动 正常，无并圈现象产生，配气机构动力学性能良好； （３）所设计的三组凸轮型线满足各方面设计要 ［６］张健．发动机配气机构凸轮型线设计及动力学研究［Ｄ］． 太原理工大学硕士学位论文，２０１０． ７］余志敏．柴油机配气凸轮型线优化设计及其配气相位优 化『Ｄ１．武汉理工大学硕士学位论文，２００９ ［８］秦辉．Ｎ３３０柴油机配气凸轮型线改进及优化设计［Ｄ］．武 汉理工大学硕士学位论文．２０１ １． 求，为后续试验的开展奠定了良好的基础。 参考文献： ［１］吴国辉．ＪＹＭ１５４ＦＭＩ发动机配气机构仿真分析及凸轮型 线设计研究［Ｄ］．重庆大学硕士学位论文，２００８ ［２］李友峰，仲怀清，廖玉辉．大功率柴油机应用米勒循环降 『９］张桂昌．柴油机配气机构动力学分析及凸轮型线优化设 计『Ｄ］．天津大学硕士学位论文，２００９． ［１Ｏ］冯仁华．发动机配气机构优化改进设计［Ｄ］．湖南大学 硕士学位论文，２００９． ｆ １ １ １肖凯．汽油机配气机构与凸轮型线特性研究及仿真优化 设计『Ｄ１．华南理工大学硕士学位论文，２０１３． 欢迎订阅 欢迎投稿 《 燃机与动力装置 ＩＮＴＥＲＮＡＬ ＣｏＭＢＵＳＴＩｏＮ ＥＮＧＩＮＥ＆ＰｏＷＥ 主 办：山东省内燃机研究所、潍柴控股集团有限公司 协 办：山东内燃机学会 ３－６３９７ 中国连续出版物号：—ＩＳＳＮ１６７—ＣＮ３７一ｌ４４５／ＴＫ 刊 期：双月刊 定 价：５４７Ｌ／年（含１元／期邮资） 联系电话：０５３ １．８２９６７０３２ 邮 箱：ｓｄｎｒｊ＠１６３．ｔｏｍ 订阅方式：请联系本编辑部订阅！