柴油机配气凸轮型线优化设计与其配气相位优化

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1、武汉理工大学硕士学位论文．1．1引言第1章绪论非道路用柴油机是指工程机械、农业机械(包括林业机械、渔业机械、场院机械、农副产品加工机械)等非道路用机械所配备的柴油机。非道路用柴油作业条件较差(无迎风面、冷却条件差)、工作环境大多比较恶劣(受冲击和振动、飞尘大、负荷重)，比车用柴油机使用的功率范围更宽广，所使用的机油质量难以保证，要求储备较大的扭矩，对发动机的可靠性、加速性、经济性、启动性有较高的要求。非道路用柴油机的排放日益得到人们的重视，各国先后制定了非道路用柴油机排放法规。目前全球的非道路用柴油机排放法规有日本、欧洲、美国三大体系，我国的非道路用柴油机排放国家标准参照欧洲标准制定，于2

2、007年4月3日发布，并已于2007年10月1日正式实施。美国于2008年实施EPATier4非道路用柴油机排放标准。车用柴油机的排放控制技术有了比较深入的研究，但是针对非道用柴油机的排放控制技术研究相对较少。虽然用于车用柴油机排放控制技术可于非道路用柴油机，但因其高成本，限制了在非道路用柴油机上的应用。对非道路用柴油机而言，进一步提高性能的关键在于优化进气系统、供油系统和燃烧室结构三者之间的匹配11】。配气机构对进气系统有着很大的影响，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，这些对柴油机的排放有着重要影响。配气机构是内燃机的重要组成部分，而配气凸轮

3、是配气机构的心脏，在配气机构中起着决定性的作用，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，也包括运转性能，如内燃机的振动、噪声及排放指标。内燃机配气机构的弹性变形将引起气门的激烈振动，严重时使气门产生“飞脱"和“反跳"现象，破坏气门机构的正常运行12J。一般来说，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；同时，配气机构应具有良好的动力性，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武汉理工大学硕士学位论文．动加速度变化规律和不太大的正负加速度值，而整个内燃机配气机构是由配

4、气凸轮驱动的，所以配气机构的这些性能在很大程度上取决于配气凸轮的结构，尤其是当发动机的转速提高以后，凸轮型线设计的好坏对发动机的充气性能和排放性能的影响更大。对气门通过能力的要求与对机构动力特性的要求间存在一定矛盾，应视所设计发动机的特点，如发动机工作转速、性能要求、配气机构刚度大小等，主要在凸轮型线设计中兼顾解决13吲。由此可见，配气凸轮是影响配气机构工作质量的关键零件。如何设计和加工出具有合理外形的凸轮是整个配气机构设计中最为关键的问题。配气凸轮的设计其实就是凸轮型线的设计，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。配气相位直接影响着发动机的

5、进排气性能，对燃烧过程的好坏起着至关重要的作用，因而对发动机的动力性、经济性及排气污染都有重要的影响。在柴油发动机排气提前角、迟闭角和进气提前角、迟闭角这4个角度中，以进气迟闭角和排气早开角更重要，进气迟闭角对进气充量影响最大，排气提前角对换气，功率损失影响最大16J。近年来对柴油机的经济性、动力性及排放等各方面的要求不断提高，如何更有效地组织整机的热力过程、合理地选择工作过程的参数及与之有关的结构参数，使全工况性能进一步提高，即所谓性能优化，是柴油机工作者都在研究的一个方向【瑚J。因此，本文针对TY3100柴油机应用AVLTycon软件建立配气机构运动学与动力学模型，进行配气凸轮型线的优

6、化设计，并应用GT-Power软件模拟其工作过程，优化配气相位，为TY3100柴油机的改进设计和性能优化提供重要的理论依据。1．2配气机构技术现状与分析模型’，’‘，．。_一’配气机构是发动机的重要组成部分，配气机构性能的好坏直接影响到发动机的经济性、动力性、排放，并对发动机噪声与振动产生直接影响。此外，它对发动机的耐久和可靠性能也会产生直接影响。因此，研究内燃机配气机构的优化设计，特别是配气凸轮型线的优化设计，对内燃机的发展格外重要。模拟计算和试验研究是内燃机配气机构研究的两种重要手段。2武汉理工大学硕士学位论文．1．2．1配气机构技术现状配气机构的任务是根据内燃机工况的需要适时适度地开

7、闭进排气门，对气缸进行换气。目前广泛采用的是气门．凸轮式配气机构，它具有保证气缸密封性的优点。气门．凸轮式配气机构按气门布置分为侧置气门和顶置气门机构。现在发动机配气机构采用的技术主要有以下技术：一是顶置凸轮轴技术；二是多气门技术；三是可变配气定时及可变气门升程技术；四是无凸轮电液驱动配气机构；五是液压挺柱配气机构【州列。(1)顶置凸轮轴技术对于轿车用小型、高速发动机来说，顶置式凸轮轴机构是最佳的选择。目前顶置式凸轮轴配