配氣相位對柴油機性能的影響及配氣凸輪型線設計

王素梅++曹金祥

摘 要：現代發動機都采取延長進、排氣門開啟時間的方法，以改善進、排氣狀況，從而提高其動力性能指標。依據GT-POWER軟件對4115柴油機進行建模，設置各種結構參數、邊界條件和初始條件，計算柴油機功率、扭矩和油耗等外特性曲線，驗證其符合要求。對配氣相位角度進行組合，確定進、排氣提前角和遲閉角的角度范圍，細化分組研究各組配氣相位在全負荷工況下對柴油機動力性和經濟性的影響，確定每個轉速下的最優配氣相位。模擬結果表明：在最佳配氣相位下，扭矩、功率都有所提升，燃油消耗率也隨之降低，達到優化配氣相位的預期目標。最后利用優化好的配氣相位進行凸輪型線設計。

關鍵詞：柴油機 配氣機構 配氣相位 凸輪型線設計

中圖分類號：TK429 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（a）-0001-02

近年來，環境污染成為世界關注的焦點問題，而汽車排放已經成為許多城市空氣污染的主要原因之一。配氣機構是內燃機的重要組成部分，配氣相位角對柴油機整機性能有著一定的影響，研究表明：進氣提前角和排氣遲閉角直接影響換氣過程，因此對動力性的影響比較顯著。而過大的進氣提前角和排氣遲閉角又會使得動力性能急劇下降。所以，合理選擇配氣相位角能夠提高柴油機的綜合性能。配氣凸輪作為配氣機構的關鍵零件，對配氣機構的工作性能起著決定性作用。配氣凸輪型線的優劣直接關系到發動機的動力性、經濟性、排放性、可靠性以及振動噪聲水平。因此，如何設計出合理的凸輪型線是整個配氣機構設計中最為重要的問題[1-3]。

1 配氣機構模型的建立及參數設置

利用仿真軟件對配氣機構進行模擬分析是研究配氣機構的重要手段。在GT-POWER軟件中建立4115柴油機配氣機構的模型，主要包括進排氣系統、渦輪增壓系統、噴油組件、氣缸、曲軸箱等。配氣機構計算模型設置的參數主要包括結構參數，邊界條件、初始條件等。結構參數由設計得到，邊界條件和初始條件由發動機的特性獲得。設置轉速為1000、1500、2000、2500、3000時的運算結果，仿真計算得出模型的扭矩、功率與實際值的偏差在工程允許范圍之內。所以可以基于建好的模型進行研究[4-6]。

2 配氣相位的研究及優化

內燃機的換氣過程是為了排出已燃廢氣和吸入新鮮充量的過程，而換氣過程的好壞很大程度上取決于氣門正時時刻，本文從平移配氣相位和改變氣門正時和持續期兩方面來進行優化。通過改變凸輪的轉角實現配氣相位平移，改變氣門正時和持續期的方法是：改變凸輪轉角和升程曲線。運行軟件得出發動機的功率、扭矩、充氣效率和燃油消耗率，對比分析確定出最優配氣相位[7-8]。

經過比較兩種優化方法，可以得到各轉速下的最優配氣相位，如表1所示。

3 配氣凸輪型線設計

利用優化好的配氣相位進行凸輪型線的設計，圓弧凸輪含有緩沖段與工作段，由于進排氣凸輪工作角度不同，所以兩個凸輪的緩沖段相同但工作段不同，需要分別設計。采用等加速—等速型方法設計緩沖段。跟據計算結果得出進氣凸輪工作段升程、速度、加速度隨凸輪轉角的變化曲線[9]，如圖圖1、圖2、圖3所示。

4 結論

（1）為了提高發動機的動力和性能指標，采用可變配氣相位，保證在每個工況下都可以以最佳狀態運轉，輸出最大的功率和扭矩。從而達到了優化配氣相位的目的。

（2）在最優配氣相位中，進氣提前角和排氣遲閉角隨著轉速的增大而增大。進氣提前角增大是因為減少進氣阻力，使燃油空氣混合物的進氣量增大，提高的充氣效率，使燃燒更完全，獲得更多的功率和扭矩；排氣遲閉角增大是因為可以充分利用下止點時氣流的慣性，排除更多廢氣，進氣阻力減少就可以增大進氣量，使得下一循環的充氣效率提高，提高發動機輸出的功率和扭矩。

（3）每個轉速下選出的最優配氣相位與原柴油機的配氣相位相比，功率、扭矩、充氣效率都有所提高，燃油消耗率也有所下降，達到優化配氣相位的目的。

參考文獻

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