内燃机配气凸轮新型线的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.4MB 56 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪 论
§1.1 引言
内燃机是目前热效率最高的热力发动机，广泛应用于国民经济的各个领域和
部门。它所发出的功率占全世界所有动力装置总功率的 90％左右预计在今后相当
长的时期内，内燃机因其特有的优势仍将处于不可替代的地位。随着内燃机的高
功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行条件下仍
然能够平稳、可靠的工作。这就对内燃机的相关零部件提出了更高的要求，具有
很好的工作可靠性就是关键所在，而配气机构的优化依然是目前解决汽车诸多问
题的最有效措施之一[1]。
配气机构是内燃机的重要组成部分，它用以实现两个工作循环之间气缸充量
的更换。其设计合理与否直接关系到整机工作的可靠性、耐久性，并影响整机的
动力性能、经济性能、排放性能[2]。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。
配气机构设计的优劣很大程度上取决于配气凸轮的轮廓形状，随着内燃机强
化程度的不断提高，一方面要求配气系统具有良好的换气质量，另一方面又要求
配气机构可以稳定、耐久地工作。这两个条件相互制约，因此需要对凸轮设计进
行优化。而整个内燃机配气凸轮机构是由配气凸轮驱动的，所以配气机构的这些
性能指标在很大程度上取决于配气凸轮的结构尤其是当发动机转速提高以后，凸
轮型线设计的好坏对发动机的充气性能和动力性能的影响更大[3]。
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。配气机构凸轮型线优化应该使配气机构遵循以下准则：
1) 使气门在设计者所要求的时刻开启和关闭，即有准确的配气相位；
2) 使配气机构有良好的充气性能，进气充分，排气彻底；
3) 使配气机构工作平稳,振动和噪音较小；
4) 凸轮与挺柱间的接触应力不应过大；
5) 凸轮有良好的润滑特性；
6) 气门与活塞不能相碰。
本项目主要针对复合函数凸轮进行优化分析，以参数的变化来进行测试和仿
真，从而生成比较理想的凸轮型线以提高配气机构的整体性能。目的在于为不断
内燃机配气凸轮新型线的研究
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提高我国汽车发动机配气机构自主开发的能力和科技创新水平，为我国汽车工业
的健康可持续发展作出一点铺垫。
§1.2 国内外研究发展概况
配气机构是内燃机的重要组成部分，目前四冲程往复式发动机都采用气门式
配气机构，配气机构的作用是控制发动机的换气过程。发动机的换气过程是发动
机排出本循环的己燃气体和为下一循环吸入新鲜充量的进排气过程，即从排气门
开启到进气门关闭的整个过程，它保证了工作循环得以连续不断的进行[4]。发动
机的性能很大程度上依赖其换气过程，如换气过程中的充气效率决定了发动机的
动力性，进排气过程中的流动损失影响了发动机的经济性，而合理组织发动机的
换气过程，实行内部 EGR 等措施，还可以改善发动机的氮氧化物等污染物排放。
所以设计控制发动机每个工作循环的换气过程的配气机构非常重要，而设计出适
合特定发动机的配气机构，不但要考虑该机构的换气性能，还要考虑到机构本身
的机械特性，如动力学特性、工作可靠性等[5]。目前发动机的配气机构几乎都是
通过凸轮机构驱动气门开启和闭合，气门按照凸轮的运动规律工作[6]。不同的发
动机的配气机构组成部件也不尽相同，但大多传统的配气机构可分为凸轮下置式、
凸轮中置式和凸轮上置式配气机构[7]。这三种类型的配气机构主要区别是凸轮轴
安装的位置不同，凸轮下置式配气机构的凸轮轴离曲轴近，可用一对齿轮传动，
但配气机构部件多，传动链长，整个机构的刚度差；而凸轮轴上置式配气机构的
凸轮轴安装在气缸盖上，传动链很短，整个机构刚度很大，适合高速发动机。传
统的配气机构结构简单，组成部件包括挺柱、推杆、摇臂、气门弹簧、气门和凸
轮轴等，设计与相应机型配套的配气机构时，往往通过优化设计凸轮的型线来提
高发动机的充气效率[8]。但是由于传统的配气机构工作中的运动规律己被凸轮形
状控制，所以设计配气机构时只能提高某些转速下的充气效率，不能使发动机整
个转速范围内的充气效率达到最优化。
早期的配气凸轮，其轮廓一般由几种圆弧段或直线段组成，称为几何凸轮。
现在多数凸轮为函数凸轮，函数凸轮的设计方法是从确定的挺柱升程函数出发，
然后据此确定凸轮的几何外形[9]。
目前，对配气凸轮的研究已经涉及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。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，我国
也在致力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[10]。国内从上世纪六、七十年代开始就已经有许多科
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研工作者运用数理方法和电子计算机技术来研究配气机构的运动学、动力学特性，
并提出了许多凸轮新型线[11]。其中复旦大学的尚汉冀教授长期研究配气机构的分
析，取得丰硕成果。他的“内燃机配气机构计算方法，程序和应用”研究项目的
成果曾获国家级科技进步一等奖，并出版了配气机构设计和计算的专著。尚汉冀
教授的工作包括了凸轮配气机构研究的各个方面，研究成果在实际应用中也取得
了良好的效果。西安交通大学的张可村在凸轮型线设计方法及配气机构的优化设
计的数值方法方面有独到见解，发表了大量文章。清华大学的陆际清教授等人提
出了新的凸轮轴配气机构动力学分析模型，研究了摇臂刚度和摇臂比的变化对配
气机构动力学计算结果的影响，其专著透彻地分析了顶置凸轮配气机构的相对运
动关系。吉林工业大学的李惠珍教授等人对发动机配气机构的研究也做了大量的
工作。运用多体系统动力学研究配气机构，建立了配气机构分析的多柔体动力学
模型。清华大学的俞海清对凸轮－挺杆的润滑油膜厚度问题做了长期的研究，得
出了动态润滑油膜厚度计算及测量方法。上海交通大学的邹慧君教授内燃机配气
凸轮机构动力性能作出了全面的分析并给出了相应的改进措施。大连理工大学的
唐占飞教授对发动机凸轮接触应力与疲劳磨损失效方面做了一些探讨。
国外的一些著名汽车生产企业已经开发形成了自己的一套凸轮型线性能的
评价方法，以实现高效率、低成本的产品开发，提高自己在国际市场中的竞争力。
1985 年日本雅马哈公司的研究人员发表了高速发动机气门运动模拟方法的论文，
介绍了单顶置和双顶置凸轮配气机构的多质量系统方法。1989 年福特汽车公司做
了配气机构和气门弹簧模拟的研究，主要内容有建立配气机构动力学方程；挺杆
刚度随接触点的变化；液压间隙调节器的动力学模型和气门弹簧振动的动力学模
型等工作。其理论分析与实际测量的结果相符合。德国 Holland 提出线接触动态
承载油膜厚度计算方法，其计算结果与试验较为接近。这一理论成为配气机构的
应力和润滑分析的有力工具。近年来 SAE 上不断发表关于配气机构最新研究进展
的文章。其中 SAE-1999 的一篇文章介绍了德国 FEV 公司在商用软件平台上实现的
配气机构仿真，大大增强了凸轮型线评价效果。奥地利著名的发动机设计公司 AVL
专门针对凸轮的设计校核开发了一款名为 TYCON 软件。
在现代发动机配气机构设计中，除了凸轮型线的优化设计，还有各种相关技
术来提高发动机的充气效率，以进一步提高配气机构的性能。如采用多气门、可
变配气系统技术等[12]。多气门方案一般采用顶置凸轮驱动方式，如双顶置凸轮轴
驱动 4 气门，这样除了充气效率得到提高外，还可以将火花塞或喷油器布置在中
央，有利于提高压缩比和改善混合气形成质量，并且可减轻气门系统的运动零部
件质量，适应高速运转要求[13]。采用可变配气系统的目的是根据发动机的运转工
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况相应地调整气门驱动机构，从而达到理想的气门正时和升程规律。可变配气系
统按驱动方式可分为机械式和电子控制无凸轮机构等，目前商品化的系统主要是
机械式的，电子控制无凸轮机构虽然可实现精确控制，但目前还仅处于研究阶段。
凸轮驱动的可变配气系统有可变凸轮机构和可变气门正时等形式，基本可以实现
可变气门正时、可变气门升程和可变气门持续角等功能。可变凸轮机构(Variable
Camshaft System)一般是通过两套凸轮或摇臂来实现气门升程与持续角的变化，
即在高速时采用高速凸轮，气门升程与持续角都较大，而在低速时切换到低速凸
轮，升程与持续角均较小。这类机构中比较典型的有本田公司的 VTEC(Variable
Valve Timing and Lift Electronic Control System)，l 989 年本田公司第一
批装有 VTEC 的 1．6L 发动机，其最大功率增加了 30KW，并且可以达到很高的转
速 14。目前本田发动机上装配了三段式 VTEC，用三个摇臂和三个凸轮驱动两个气
门，能在低、中、高三种不同状态下让气门以三种不同的方式工作。其工作原理
为转速较低时，主、次摇臂分别由主凸轮和次凸轮驱动，中间摇臂随中间凸轮运
动，但不与气门接触，这样主、次进气门升程曲线不同可产生涡流，促进燃烧。
而在高转速时，通过机油油压推动圆柱销固定三个摇臂而使它们一起运动，此时
两个气门受凸轮升程最大的中间凸轮驱动，以满足发动机的高速要求。与上述机
构类似的可变凸轮机构还有 Mitsubishi 公司的 MIVEC 机构及 Porsche 公司的
Vario-Cam 等。另外，Fiat 公司早期开发了凸轮型线在轴向可连续变化的 3D 凸轮
机构。改变凸轮轴的轴向位置，可实现气门的连续可变。但这种凸轮机构在与从
动件接触时会产生点接触，磨损较严重，因此应用也不广泛。可变气门正时
(Variable Valve Timing)是通过一套特殊的机构根据发动机的工况将进气凸轮轴
转过一定的角度，从而达到改变进气相位的目的。虽然这类机构不能改变气门升
程和持续期，但是它机构原理简单可以保持原发动机气门系不变只用一套额外的
机构来改变凸轮轴相角对原机改动较小便于采用应用较广泛。这类机构典型的有
丰田公司发展的 VVT-i 机构、本田的 i-VTEC、福特的 VCT 及宝马公司的 Vanos 机
构，可变气门正时可与缸内直喷技术结合来改善缸内燃烧，提高发动机性能。除
上述几种机械式可变配气技术外，许多公司还开发出了控制自由度更大的机械式
全可变气门机构，其中宝马公司的 Valvetronic 是较为典型的结构，已经广泛应
用在其公司的发动机上。这些配气可变技术的应用，不但提高了传统柴油机和汽
油机的各种性能，而且可用于其他新型燃烧方式如 HCCI 等。无凸轮轴可变配气相
位机构没有凸轮轴，直接利用电磁和液压等方式对气门进行控制，其优点是能对
气门正时的所有因素进行控制，在各种工况下获取最佳气门正时。德国 FEV 电磁
控制全可变气门机构、美国 Ford 公司的 ECV 及德国 Benz 公司的无凸轮电控液压
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可变配气相位机构属于该类型的典型机构，但这类机构还没有完全实现批量化生
产[14] [15] [16]。
综上所述，随着世界范围内汽车行业中存在的竞争正日趋激烈，为了提高自
身汽车产品的国际竞争力，探讨一种新颖的设计方法，开发出自己的配气机构凸
轮型线已迫在眉睫。
§1.3 课题的提出
根据当前内燃机配气机构凸轮型线的研究方法及现状，这里采取了设计计算
和 ADAMS 仿真相结合的方法，针对现有发动机配气机构凸轮型线存在的问题进行
了新型复合函数凸轮的设计研究。
§1.4 本课题研究的内容及主要研究工作
本文以配气机构凸轮型线的开发为研究目的，对配气机构结构形式和特点进
行了简单的概述。通过对国内外一些常见配气机构凸轮型线的计算和比较，进行
了新型线的设计开发，设计出了新型的复合函数凸轮型线 FH1 和 FH2。并在此基
础上，以 MATLAB 和 ADAMS 为研究工具，进行了凸轮型线的图形和计算分析和仿
真研究。
第二章对凸轮配气机构的机构形式及特点进行了简单的概述，对凸轮几何形
状对从动件的运动规律影响以及配气机构凸轮型线的设计方法进行了研究。
第三章在对几种常见车用发动机凸轮型线分析研究的基础上，重点以复合摆
线Ⅱ型凸轮型线（FB2）为研究对象，研究了影响 FB2 型凸轮型线性能的主要因
素。根据 FB2 型凸轮型线设计灵活的特点，寻找出了复合函数型线各主要设计参
数对型线性能的影响规律和设计调整方法。提出了通过改变型线的三个主要参数
m、n、p，来实现改变丰满系数、正负加速度峰值、凸轮桃尖处的凸—挺接触应
力等性能的设计思路。在此基础上，开发出了一种能够更好地改善凸轮与挺柱接
触应力的新型复合函数凸轮型线 FH1 和一种能实现发动机内部 EGR 功能的新型
线FH2。，并对新型线进行了实例分析。
第四章将其物理模型转化为数学模型，建立了该配气机构的仿真模型，进行
了型线的仿真研究。对新型线下的气门运动规律以及凸轮与挺柱的接触力和接触
应力进行了仿真，证实了新型线理论上的可行性。
第五章对全文进行总结。
最后，对此课题研究内容进行了总结并对后期工作的进行了展望。
内燃机配气凸轮新型线的研究
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第二章 影响配气机构凸轮型线优化的相关因素
影响配气机构凸轮型线优化设计的因素很多，其中配气机构的机构形式是我
们设计凸轮型线的基础，不同的结构要求不同的凸轮型线来满足性能的最优。同
时配气机构凸轮运动规律研究和型线的设计方法的选取也是型线优化的前提条
件。
§2.1 配气机构结构形式及特点
气门式配气机构由气门组和气门传动组两部分组成，每组的零件组成则与气
门的位置、凸轮轴的位置和气门驱动形式等有关。现代汽车发动机均采用顶置气
门，即进、排气门置于气缸盖内，倒挂在气缸顶上。 凸轮轴的位置有下置式、中
置式和上置式 3种，见图 2.1。
图2.1 凸轮轴的位置
凸轮轴置于曲轴箱内的配气机构为凸轮轴下置式配气机构 。 其中气门组零
件包括气门、气门座圈、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座和气门锁夹等；气门
传动组零件则包括凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴、摇臂轴座和气门间隙调
整螺钉等。下置凸轮轴由曲轴定时齿轮驱动，发动机工作时，曲轴通过定时齿轮
驱动凸轮轴旋转。当凸轮的上升段顶起挺柱时，经推杆和气门间隙调整螺钉推动
摇臂绕摇臂轴摆动，压缩气门弹簧使气门开启。当凸轮的下降段与挺柱接触时，
气门在气门弹簧力的作用下逐渐关闭。 四冲程发动机每完成一个工作循环，每个
气缸进、排气一次。这时曲轴转两周，而凸轮轴只旋转一周，所以曲轴与凸轮轴
的转速比或传动比为 2∶1。缺点是构件多，运动质量较大，系统刚度较低，固有
频率低，出现机构脱节、气门反跳等不正常现象的临界转速低于顶置凸轮轴配气
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1引言内燃机是目前热效率最高的热力发动机，广泛应用于国民经济的各个领域和部门。它所发出的功率占全世界所有动力装置总功率的90％左右预计在今后相当长的时期内，内燃机因其特有的优势仍将处于不可替代的地位。随着内燃机的高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行条件下仍然能够平稳、可靠的工作。这就对内燃机的相关零部件提出了更高的要求，具有很好的工作可靠性就是关键所在，而配气机构的优化依然是目前解决汽车诸多问题的最有效措施之一[1]。配气机构是内燃机的重要组成部分，它用以实现两个工作循环之间气缸充量的更换。其设计合理与否直接关系到整机工作的可靠性、耐久性...

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