米勒循環(huán)與阿特金森循環(huán)凸輪軸摩擦扭矩對(duì)比研究

劉振興 ， 歐陽(yáng)憲林 ， 景國(guó)璽 ， 曾小春 ， 張文凱

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330000；2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300000）

0 前言

不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要趨勢(shì)。對(duì)于汽油機(jī)，部分負(fù)荷泵氣損失和高負(fù)荷爆震是限制其熱效率的主要原因[1-2]，因此，降低泵氣損失和抑制爆震對(duì)提高燃油經(jīng)濟(jì)性具有重要意義[3-4]。泵氣損失，主要原因是缸內(nèi)壓力在進(jìn)氣沖程低于排氣沖程，這是汽油機(jī)在部分負(fù)荷工況時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)性較差的一個(gè)原因。減少壓縮過(guò)程的消耗功、充分提高膨脹過(guò)程的膨脹程度，是提高內(nèi)燃機(jī)熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性行之有效的方法[5]。

米勒循環(huán)和阿特金森循環(huán)正是在此想法的基礎(chǔ)上被創(chuàng)造出來(lái)的。1882 年，英國(guó)工程師詹姆斯·阿特金森在奧托循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)之上,通過(guò)復(fù)雜的連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)做功行程長(zhǎng)度大于壓縮行程，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比高于壓縮比的目的。做功行程更長(zhǎng)，就可以進(jìn)一步利用燃燒后缸內(nèi)殘存廢氣的高壓做功，有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，這就是阿特金森循環(huán)[5]。1947 年，由于可變氣門技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)人羅爾夫·米勒發(fā)明米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)氣門正時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹比高于壓縮比，避免了復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)可靠性增加，改善了阿特金森循環(huán)[5]。

基本型循環(huán)（奧托循環(huán)）、米勒循環(huán)和阿特金森循環(huán)的最大區(qū)別是，基本型循環(huán)壓縮比等于膨脹比；米勒循環(huán)和阿特金森循環(huán)壓縮比小于膨脹比[6]。本文通過(guò)對(duì)這三種循環(huán)對(duì)比分析，理論計(jì)算與仿真分析結(jié)合，綜合比較了三種循環(huán)凸輪的接觸力、力臂以及摩擦扭矩之間的關(guān)系，為以后凸輪的選型設(shè)計(jì)以及提高燃油經(jīng)濟(jì)性的措施有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究對(duì)象

本文以一款1.5L GTDI汽油機(jī)為研究對(duì)象。通過(guò)改變?nèi)N循環(huán)[米勒循環(huán)、基本型（奧托循環(huán)）、阿特金森循環(huán)]不同的進(jìn)氣凸輪對(duì)三種凸輪的摩擦扭矩進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析結(jié)果，研究三種凸輪的摩擦扭矩趨勢(shì)變化，圖1為三種凸輪的實(shí)物對(duì)比圖。

圖1 三種凸輪實(shí)物對(duì)比圖

2 仿真模型建立

三種凸輪配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型是一致的，只是凸輪型線參數(shù)不同。目前，測(cè)量凸輪升程值一般采用兩種方法[7-9]。1）接觸測(cè)量法：在凸輪輪廓測(cè)量?jī)x或三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上對(duì)凸輪廓形進(jìn)行接觸測(cè)量。2）成像測(cè)量法：在萬(wàn)能工具顯微鏡上通過(guò)光學(xué)成像測(cè)量凸輪廓形。

如圖2三種凸輪升程對(duì)比所示：由于米勒循環(huán)是通過(guò)進(jìn)氣門提前關(guān)閉實(shí)現(xiàn)，米勒循環(huán)凸輪包角最小，因此也導(dǎo)致米勒循環(huán)凸輪的升程最小，外觀看起來(lái)就是最“矮”。阿特金森循環(huán)是通過(guò)進(jìn)氣門延遲關(guān)閉實(shí)現(xiàn)，阿特金森循環(huán)凸輪包角最大，升程隨著提高，外觀看起來(lái)就是最“胖”。居中的就是奧托循環(huán)凸輪。

圖2 三種凸輪升程對(duì)比圖

配氣機(jī)構(gòu)模型采用動(dòng)力計(jì)算軟件EXCITE Timing Drive建模，利用軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)仿真，可在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)性能影響的仿真試驗(yàn)，在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)或改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可大幅度提高其設(shè)計(jì)精度和效率。由于是4缸汽油機(jī)，每缸有2個(gè)進(jìn)氣門，整個(gè)進(jìn)氣機(jī)構(gòu)有8個(gè)進(jìn)氣門。圖3為配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型。

圖3 配氣機(jī)構(gòu)計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 凸輪及從動(dòng)件接觸力對(duì)比

在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，慣性力的作用不明顯，接觸力主要與彈簧力相關(guān)，最大接觸力出現(xiàn)在凸輪最大升程處。在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，慣性力與彈簧力作用相當(dāng)，凸輪加速度產(chǎn)生很大的沖擊影響到接觸力，在凸輪正加速度區(qū)域，慣性力與彈簧力疊加，使接觸力增加。在負(fù)加速度段，慣性力抵消彈簧力是接觸力減小。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很高時(shí)，接觸力主要由最大慣性力決定。

由于米勒循環(huán)凸輪最大升程更小，在低速時(shí)接觸力最小，在高速時(shí)，接觸力反而最大。如圖4所示，從三種凸輪接觸力分布看，接觸力最大值差別不大。主要區(qū)別是接觸力持續(xù)時(shí)間不一樣，阿特金森循環(huán)凸輪延遲了進(jìn)氣門的關(guān)閉時(shí)刻，凸輪包角最大，接觸力持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，奧托循環(huán)凸輪次之，米勒循環(huán)凸輪最小。

3.2 凸輪軸摩擦扭矩計(jì)算

圖4 凸輪及從動(dòng)件接觸力對(duì)比圖

凸輪軸摩擦力矩主要來(lái)源于凸輪軸于搖臂滾體接觸摩擦力。圖5為凸輪軸摩擦扭矩計(jì)算示意圖。凸輪與從動(dòng)件摩擦力F可由滾體滾動(dòng)軸承得到，r是滾體半徑。則摩擦力矩為：

圖5 凸輪軸摩擦扭矩計(jì)算

3.3 力臂計(jì)算對(duì)比

力臂R2最大值由凸輪最大升程決定，米勒循環(huán)凸輪由于最大升程最小，故其力臂最大值最小。奧托與阿特金森循環(huán)凸輪由于最大升程相當(dāng)，所以力臂最大值相當(dāng)，均出現(xiàn)在凸輪轉(zhuǎn)角180°附近。阿特金森循環(huán)凸輪由于包角最大，所以接觸的范圍最大。奧托循環(huán)凸輪次之，米勒循環(huán)凸輪最小。圖6為三種凸輪力臂對(duì)比。

圖6 力臂對(duì)比圖

3.4 凸輪軸扭矩計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果

通過(guò)上述的摩擦力矩計(jì)算方法可得到三種凸輪的摩擦力矩。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，摩擦力矩較大，主要是由于低轉(zhuǎn)速時(shí)，力臂起作用范圍內(nèi)，摩擦力矩較大。隨著轉(zhuǎn)速升高，力臂起作用范圍內(nèi)，凸輪接觸力降低。摩擦力矩隨著降低。

三種進(jìn)氣凸輪的摩擦扭矩還可以通過(guò)倒拖實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到。計(jì)算結(jié)果顯示，氣門及從動(dòng)件摩擦扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成線性反比，阿特金森與基本型有同樣的特性。米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)只有阿特金森及基本型循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的一半。與實(shí)測(cè)對(duì)比，實(shí)測(cè)摩擦扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)更強(qiáng)的非線性。計(jì)算與實(shí)測(cè)還有明顯的區(qū)別是：三種循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪摩擦扭矩分布差異一致；米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)最小摩擦扭矩在3 000rpm，不是在最大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在3 000rpm以上，米勒及阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比基本型(奧托)裝配普通進(jìn)氣凸輪軸、米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配短進(jìn)氣凸輪、阿特金森裝配長(zhǎng)進(jìn)氣凸輪三種進(jìn)氣凸輪軸摩擦扭矩的區(qū)別，如圖7所示。得出以下結(jié)論。

圖7 三種凸輪摩擦力矩對(duì)比圖

1）三種進(jìn)氣凸輪軸接觸力大小近似相等，但阿特金森循環(huán)凸輪接觸時(shí)間最長(zhǎng)，米勒循環(huán)凸輪接觸時(shí)間最短，這是由凸輪升程的差異導(dǎo)致的。

2）三種進(jìn)氣凸輪軸的力臂，米勒循環(huán)凸輪的力臂最小，其余兩種凸輪力臂大小相差不大。力臂的大小為以后的摩擦扭矩計(jì)算提供了基礎(chǔ)。

3）米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩低于基本型，阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩高于基本型。阿特金森循環(huán)與基本型循環(huán)的差異、基本型循環(huán)與米勒循環(huán)的差異類似。并通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，顯示模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果接近。

4）盡管計(jì)算扭矩沒(méi)有表示出與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的非線性關(guān)系，但是三者的區(qū)別還是與實(shí)測(cè)一致。計(jì)算結(jié)果在2 500rpm以下對(duì)凸輪摩擦扭矩預(yù)測(cè)比較合理。隨著轉(zhuǎn)速升高，預(yù)測(cè)結(jié)果偏差越大。