运用AVL_Excite Designer对YC4A发动机进行曲轴偏置设计

2021-03-21赵泉卢年红

科技创新导报 2021年29期

赵泉卢年红

摘要：发动机的产品力是发动机竞争力的重要组成及影响因素，直接影响发动机的市场推广情况。发动机产品力由动力性、经济性、NVH、油耗、机油耗、可靠性、价格水平、质量水平、服务水平等各个重要维度组成。每一个产品力维度均会开展长期及深入的开发和提升，其中曲轴的偏置对发动机的油耗、NVH、摩擦功有局部的积极影响，需持续并深入探究其相关性，最大限度地提升动力系统的产品力。

关键词：发动机产品力曲轴偏置摩擦功 NVH

Using AVL_ Excite Designer Carries out Crankshaft Offset Design for YC4A Engine

ZHAO Quan LU Nianhong

（Guangxi Yuchai Machinery Co.， Ltd.， Yulin， Guangxi， 537005 China）

Abstract： Engine product power is an important component and influencing factor of engine competitiveness， which directly affects engine market promotion. It consists of power， economy， NVH， fuel consumption， engine fuel consumption， reliability， price level， quality level， service level and other important dimensions. Each product force dimension will carry out long-term and in-depth development and improvement. The offset of crankshaft has a local positive impact on engine fuel consumption， NVH and friction work. Its correlation needs to be continuously and deeply explored to maximize the product force of power system.

Key Words： Engine; Product force; Crankshaft offset; Friction work; NVH

發动机的产品力是发动机竞争力的重要影响因素，直接影响发动机的市场推广情况^[1]。发动机产品力由动力性、经济性、NVH、油耗、机油耗、可靠性、价格水平、质量水平、服务水平等各个重要维度组成。其中，曲轴的偏置对发动机的油耗、NVH、摩擦功有局部的积极影响，需持续并深入探究其相关性^[2]。现针对一款新开发的四缸机做曲轴偏置分析，深入探究曲轴的偏置对发动机的性能、油耗、NVH、摩擦功的相关性，最大限度地提升发动机的表现水平，获得更好的产品力。

1发动机相关计算边界

1.1 发动机主要技术参数

发动机型号：YC4A*。

发动机型式：立式、直列、四缸、水冷、四冲程。

气缸数：4。

缸径×行程（mm×mm）：108mm×132mm。

标定功率/转速（kW/r/min）：129/2200。

最大扭矩/转速（N·m/r/min）：620/1600～1800。

怠速/最高空车转速（r/min）：750/2310。

1.2 计算模型

根据内燃机设计的相关公式，在Excel中建立计算模型。在Excite Designer中分析发动机主轴承的受力情况和有效输出功率，计算模型如图1所示。同时以YC4A机型爆压实测数据作为分析的载荷及边界。

2计算分析

2.1 缸内气体作用力

根据性能实测发现：800rpm、1200rpm和2000rpm爆压峰值在一缸曲拐上止点后，其余转速的爆压峰值在曲拐上止点位置。

2.2 活塞侧推力、发动机倾覆力矩

作用在主推力面时，活塞侧推力为正;反之为负。随着偏置距离的增加，主推力面上的最大活塞侧推力逐渐减小，副推力面上的最大活塞侧推力逐渐增大。活塞侧推力暂无评价标准，但其对倾覆力矩和活塞-缸壁的摩擦功有影响[3]。

从发动机前端往后看，逆时针旋转为倾覆力矩的正向。随着偏置距离的增加，正向最大倾覆力矩逐渐减小，负向最大倾覆力矩逐渐增大。倾覆力矩绝对值越大，对整机振动影响越大。倾覆力矩绝对值的最大值比较如表1所示，高转速时曲轴左偏10mm对倾覆力矩有较好的减小效果。

倾覆力矩绝对值的最大值比较如图2所示，高转速时曲轴左偏10mm对倾覆力矩有较好的减小效果。

2.3 二阶往复惯性力

曲轴不偏置时，活塞加速度为J₀= rω²[ cos α + λ· cos（2α） ]，曲轴偏置时，活塞加速度为 J₁= rω²[ cos α + λ· cos（2α） + λε· sin α ]，λ = 曲柄半径/连杆长度，ε = 偏置距离/曲柄半径[4];曲轴左偏置后，活塞加速度比不偏置时多一项单项式，即为λε· sin α。λε是一个较是一个较小值，因此曲轴左偏置后，对活塞加速度影响微小。偏置前后，活塞二阶加速度相同，即发动机二阶往复惯性力相同^[5]。

2.4 活塞与缸壁的摩擦功

曲轴左偏有利于降低活塞与缸壁的摩擦功;活塞与缸壁的摩擦功随偏置距离增大而减小，各偏置方案间比较（不偏置方案不进行比较），减小幅度差异较小^[6]。

2.5 指示输出力矩

爆压曲线相同时，曲轴左偏置对发动机的指示输出力矩影响微小。

3分析结论

曲轴偏心率，取值范围通常为0.05～0.2，某新开发机型的曲柄半径为66mm，则曲轴偏置距离推荐值为3.3～13.2mm。现初定曲轴左偏置范围为10～15mm，分析结论如下。（1）随着偏置距离的增加，主推力面上的最大活塞侧推力逐渐减小，副推力面上的最大活塞侧推力逐渐增大。曲线变化规律和具体数值见2.2节的图表。（2）从前端往后看，逆时针方向為倾覆力矩的正向，倾覆力矩绝对值大会增强整机的振动。随着偏置距离的增加，正向最大倾覆力矩逐渐减小，负向最大倾覆力矩逐渐增大。高转速时对于降低最大倾覆力矩，左偏10mm的方案改善较好。（3）曲轴偏置对活塞往复惯性力影响微小，对二阶往复惯性力没有影响。（4）曲轴左偏有利于降低活塞与缸壁的摩擦功;活塞与缸壁的摩擦功随偏置距离增大而减小，各偏置方案间比较（不偏置方案不进行比较），减小幅度差异较小。（5）本设计计算分析结果表明：可采用左偏10mm方案，发动机倾覆力矩较小，摩擦功较小，对NVH、油耗、机油耗均有积极影响。