基于MATLAB的柴油机凸轮型线拟合优化设计研究

杨建坤

（中海油能源发展油田建设工程分公司，天津300452）

1 引 言

凸轮轴是发动机中非常重要的零件，而凸轮型线对发动机的性能有很大的影响，一台发动机的经济性能是否优越，排放性能是否完好，工作是否可靠，以及其振动、噪声条件是否能控制在较低的限度，常常与其配气机构的设计是否合理有密切的关系。

当发动机的总体布置结构、目标参数和综合限定条件确定后，配气机构零件的结构设计已在很大程度上受到了边界条件的制约，配气机构优化设计的重点相应地转移到凸轮型线的设计上来。笔者利用MATLAB 软件，通过编写相应程序对进口柴油机的凸轮型线进行拟合的方法，为发动机凸轮型线的设计、优化提供了高效、低成本开发的有利条件。

2 配气凸轮型线优化设计的方法

利用一种高次方凸轮基本段的拟合方法，在利用三次插值样条函数以及回弹法等的基础上，对完成了的经光顺的挺柱升程表利用高次多项式进行拟合，并对其进行优化设计。

根据原型发动机的进排气门挺柱升程表，利用MATLAB 软件，通过编写程序来对这些离散的数值进行拟合，拟合完成后找出原型机挺柱升程所满足的数值规律，随后在此基础上对原型机的配气机构进行优化设计。

3 配气凸轮型线优化前后的动力学分析

某进口柴油发动机配气机构采用下置凸轮轴式2 气门机构，为了改变原型机HC 和NOx 排放过高的现象，对原型机配气机构进行了优化，优化前后发动机配气机构参数对比如表1 所示。

通过MATLAB 软件编写了相应的程序，对原型发动机挺柱升程值和所对应的曲轴转角进行了拟合，并对优化后和优化前发动机进排气门挺柱升程、速度、加速度所对应的凸轮轴转角进行了对比分析，优化前后的进排气门挺柱升程与凸轮轴转角关系，对比结果见图1，优化前后进排气挺柱速度与凸轮轴转角关系对比结果见图2，优化前后进排气挺柱加速度与凸轮轴转角关系对比结果见图3。

表1 优化前后发动机配气机构参数对比表

图1 优化前、后进排气挺柱升程与凸轮轴转角关系对比图

图2 优化前、后进气挺柱速度与凸轮轴转角关系对比图

图3 优化前、后进气挺柱加速度与凸轮轴转角关系对比图

4 结 论

笔者利用MATLAB 语言编制了发动机配气凸轮拟合及优化设计的相应程序，通过这个程序不仅可以对曲线进行拟合，而且能够对其进行动力学计算，得出了升程、速度和加速度曲线，用图形显示了改变前后的升程、速度和加速度的变化情况。通过优化设计前后的对比分析，我们知道优化后发动机的最大速度和最大加速度与原型机相比较没有改变，这就使得优化后的配气机构能够与原型机的其他系统相匹配，较好地反应了优化后配气机构的动力特性，这为今后对发动机配气凸轮型线进行优化设计及制造提供了重要的理论依据。

［1］ 尚汉冀，内燃机配气凸轮机构－设计与计算［M］.上海：复旦大学出版社，1988.

［2］ 浦耿强，蒋国英，白羽.高速发动机配气机构凸轮设计［J］.汽车科技，1998，145（4）：1-2.

［3］ 洪家娣，洪振邦.高速凸轮机构的动态优化设计研究［J］.华东交大学报，1993（3）：31-32.