轻型柴油机凸轮型线设计参数优化

2021-03-16王任信

装备制造技术 2021年11期

关键词：包角升程型线

王任信，王菁

（广西玉柴机器股份有限公司，广西南宁 530000）

0 引言

为了逐步解决全球性气候问题，中国提出了在2050年实现碳中和的宏伟目标。众所周知，柴油机是国民生产活动中极为重要的动力源之一，因此，柴油机的节能减排受到了较为广泛的关注。

降低柴油机的碳排放，有机外和机内两条优化路径：对于机外，可采用电控附件、低摩擦运动等措施，使附件耗功和摩擦损失降到最低；对于机内，主要指燃烧系统的优化，包括进排气、喷油、燃烧等过程的优化。

柴油机进排气系统的优化是柴油机研发中极为重要的环节，该过程主要针对柴油机的充气效率、膨胀做功能力和排气能量利用能力等进行优化。在柴油机开发中，通常采用一维热力学性能计算模型对柴油机的进排气过程进行优化，并选最佳的气门正时方案。根据最佳气门正时方案设计进排气凸轮型线。在设计凸轮型线时，应尽可能提升气门升程丰满度，使进排气过程气体流动更加顺畅，流动阻力最小，整机性能更佳。

本研究对本公司某款轻型柴油机进行凸轮型线设计：以一维性能计算得到的最佳气门正时和设计部门要求的最大气门升程作为已知输入，以凸轮校核指标（接触应力、累积飞脱角、气门落座速度、跃度Jerk 值、曲率半径）作为约束条件，以气门升程丰满度为优化目标，进行设计参数的优化，获取最佳型线设计参数。将优化后的型线转换为气门升程曲线，代入一维热力学性能计算模型中计算，对比优化前后的整机进排气性能。

1 计算模型

1.1 柴油机及气门正时基本参数

选用本公司某款轻型柴油机进行凸轮型线设计及优化，该柴油机及气门正时的基本参数见表1。

表1 柴油机及气门正时参数

1.2 凸轮型线

使用MATLAB 语言编写基于多项式组合的凸轮型线设计程序[1-3]，除了可根据设计参数表批量生成气门型线之外，还可同步输出凸轮升程丰满度、最小曲率半径和跃度Jerk 值等参数。

为简化凸轮型线设计和出图，设计的进排气凸轮为对称凸轮。只需设计进排气凸轮的上升部分升程曲线，上升曲线还可细分两段分别设计：（1）缓冲段，凸轮开始推动挺柱，由于气门间隙的原因，气门尚未开启。缓冲段为复合正弦曲线，由线性正加速、等加速、线性负加速和匀速4 个多项式曲线组合而成；（2）工作段，气门开启直至到达最大升程。工作段选择的FMB2 凸轮型线，该型线的加速度曲线由正弦上升段、水平段、正弦下降段、余弦下降段和水平段组成。FMB2 凸轮型线是当前柴油机凸轮设计最常用的一种多项式凸轮型线方案，具有丰满度高、曲率半径大的优点[4，5]。为保证缓冲段和工作段曲线平滑过渡，缓冲段结束时间的凸轮升程、速度和加速度均与工作段起始时间相同，缓冲段和工作段的速度和加速度曲线如图1 和图2 所示。

图1 原机多项式组合凸轮速度曲线

图2 原机多项式组合凸轮加速度曲线

柴油机的配气机构采用传统中置凸轮和平底挺柱的组合结构，使用AVL-Tycon 软件对该配气机构进行建模，如图3 所示。

图3 配气机构计算模型

通过图3 中的配气机构计算模型，可获取凸轮的接触应力、挺柱的累积飞脱角和气门落座速度三项指标作为凸轮参数优化的约束条件。在得到最佳凸轮型线后，还可使用该模型进行余隙高度的校核。

2 气门型线参数优化过程

由于进排气凸轮型线可采用相同的步骤进行优化，本文仅对进气凸轮型线的参数优化过程进行阐述。凸轮校核时，本文按照标定转速3 000 r/min 工况进行校核。

2.1 气门型线优化参数的选择

由于气门间隙的存在，在实际工作过程中，柴油机气门仅在工作段开启，因此工作段的型线设计会直接影响到柴油机最终的整机性能[6，7]。工作段的型线受如下因素影响：

（1）工作段初始速度，该数值是由气门缓冲段决定。缓冲段包角减小，气门需要在更短的时间内到达缓冲段高度，缓冲段终止时的速度将会增大。缓冲段设计涉及的参数较多，为简化缓冲段的过程，仅优化缓冲段的包角α0，缓冲段的其他设计参数采用经验值设定。

（2）工作段包角，由于已通过性能计算获取最佳的气门正时，因此，工作段的包角是已知的。

（3）气门最大升程，由于最大气门升程的改动会涉及较多的零部件变更，设计部门建议不对最大气门升程进行改动，因此，最大气门升程在本文中是已知的。

（4）工作段设计参数，根据文献[1]可知，MBF2 凸轮型线设计参数共有4 个，见式（1）～式（4）。

综上所述，需要优化的参数为：缓冲段包角α0、工作段设计参数m、k、m1和l，共5 个变量。

2.2 缓冲段包角优化

根据经验，缓冲段包角通常为14～26degCA。缓冲段包角减小，气门开启时刻的初始速度加快，气门开启后在初期便能达到更大的升程，有利于提升气门升程曲线的丰满度[8]。缓冲段减小后，气门的落座速度和Jerk 值也会增大。本文保持工作段的设计参数不变，进行缓冲段包角的单变量寻优，计算结果如图4 所示。

图4 落座速度与缓段包角的关系

从图4 看出，随着缓冲段包角减小，丰满度和落座速度均增大。根据某公司内部设计规范，标定点落座速度不能超过0.45 m/s，因此，建议进气门缓冲段的包角取16degCA。

2.3 工作段参数优化

为提升气门升程丰满度，需对工作段4 个设计参数进行优化，这4 个设计参数分析如下：

（1）参数m表示负加速段包角与正加速段包角的比值，比值越大，凸轮在前半段的上升过程越陡峭，丰满度也越高[9]。但正加速度过大，会导致凸轮与挺柱接触应力过大。根据经验，m值通常建议在2～4 这个范围。

（2）参数m1表示负加速段中的正弦负加速段包角在整个负加速段包角的占比，通常建议取0.5。该值越小，凸轮负加速度在下降初期以更快的速度降低。若m1过小，凸轮上升的速度下降过快，导致凸轮升程上升速度跟不上挺柱的惯性运动速度，会造成挺柱飞脱[9，10]。此时，可采用加大弹簧力的办法解决飞脱问题，但加大弹簧力同时也会带来凸轮接触应力的增加。为减少柴油机零部件的改动，不优化气门弹簧。

（3）参数k和l分别为正加速度曲线的上升段和下降段包角在整个正加速度包角中的占比。通常建议k取0.35，l比k要大一些，取0.45。这是因为l值取大一些，能保证凸轮正加速度运动转向负加速度运动时，能有一个比较平滑的过渡。

由于参数m和m1对丰满度影响较显著，本研究优先选择这两个参数进行优化。为考虑这两个参数的交叉影响，本文对参数m和m1采用双变量多水平全因子设计DOE，在MATLAB 程序中批量生成凸轮升程曲线，放入AVL-Tycon 配气机配模型中计算，计算结果如图5～9所示。

图5 m 和m1 对丰满度的影响

图6 m 和m1 对型线最小曲率半径(mm)的影响

图7 m 和m1 对凸轮接触应力(MPa)的影响

图8 参数m 对气门落座速度与累积飞脱角的影响

图9 m 和m1 对跃度Jerk 值（mm/rad3）的影响

从图5 ～9 可看出：

（1）丰满度和最小曲率半径两个指标等高图曲线比较光顺，这是因为这两个指标为运动学指标，受参数m影响显著，受参数m1影响相对较弱。单从丰满度指标出发，参数m值应尽可能的往大的数值选择，参数m1建议往小的方向选择。

（2）型线的最小曲率半径与凸轮生产加工有关[8]，根据工厂的工艺要求，为提升加工质量，延长砂轮寿命，最低曲率半径不能低于3 mm。因此，根据曲率半径的约束，要求参数m＞2.8，参数m1选择0.4 附近。

（3）凸轮接触应力为动力学指标，由于受配气机构的刚度和阻尼等参数影响，等高线波动较大，在m=2.8，m1=0.3 附近存在最小接触应力区域。接触应力与材料有关，根据公司工艺要求，本凸轮的接触应力不大于800 MPa，因此，参数m需要在1.8 ～3.7 的范围内选择，参数m1建议选择0.5 以下。

（4）气门落座速度和累积飞脱角均为重要的动力学指标，计算结果显示，参数m对这两个指标影响较为显著，参数m1对这两个指标的影响无规律可循，无法进行响应面拟合，因此没有绘制这两个指标的等高线图。仅使用全因子方案的计算结果绘制散点图（图8）。根据内部设计规范，气门落座速度需限制在0.45 m/s 以内，累积飞脱角须小于20degCA，因此要求参数m＜3.75。

（5）跃度Jerk 值为加速度的导数，可表征冲击情况，根据本公司设计规范，Jerk 值不能大于1 000 mm/rad3，建议m＜3.7。

参数的选择，从产品开发的角度出发，在优化丰满度的同时，需要兼顾配气系统的可靠性和裕度。因此，在参数选择时对丰满度和接触应力之间取折中，在尽可能小的接触应力下能达到尽可能高的丰满度。建议进气凸轮工作段设计参数m=3.3，m1=0.3。

在选定参数m和参数m1的最佳值后，接下来对参数k和参数l进行双变量、多水平、全因子DOE，并使用MATLAB 程序批量生成凸轮升程，放入配气系统模，计算结果如图10～14 所示。

图10 k 和l 对丰满度的影响

图11 k 和l 对型线最小曲率半径（mm）的影响

图12 k 和l 对凸轮接触应力（MPa）的影响

图13 k 和l 对落座速度（m/s）的影响

图14 k 和l 对跃度Jerk 值（mm/rad3）的影响

从图10 ～14 可看出：

（1）参数k减小，l增大，即提升初始加速过程，延缓加速度下降的时间，能提升丰满度。

（2）在大部分区域，接触应力、落座速度和累积飞脱角均未超过限值，因此这些指标对参数k和l的选择没起到明显的约束作用。

（3）参数l或k太小，均会导致跃度Jerk 值急剧增加，由于Jerk 值的限制，建议k= 0.28，l= 0.45，较小的Jerk 值能降低冲击带来的噪音。

通过上述过程优化，本文最终进气凸轮工作段设计参数为：m=3.3，m1=0.3，k=0.28，l=0.45。

同理，采用同样的优化方法对排气凸轮型线进行优化。最终获取的排气凸轮型线的设计参数为：缓冲段包角16degCA，m= 3.5，m1= 0.27，k= 0.25，l= 0.45。本文优化前后的气门升程曲线如图15 所示，优化前后相关校核指标见表2。从图15 及表2 中可看出，在强度满足要求的前提下，优化后的方案丰满度得到显著提升，进排气凸轮升程的丰满度分别提升9.6%和9.4%。