李炳男崔亞男楊中華梁濤

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

基于排氣凸輪軸選型試驗的數(shù)據(jù)分析與研究

李炳男1，2崔亞男1，2楊中華1，2梁濤1，2

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

以某1.5T發(fā)動機開發(fā)過程中兩款凸輪軸選型試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合理論計算，分別對比不同排氣凸輪軸包角對發(fā)動機性能的影響；結(jié)合排氣過程中的排氣量模擬計算，對比分析兩種排氣凸輪型線在低速和高速時的換氣過程。結(jié)果表明，排氣凸輪軸包角越大，充氣效率越高，高速段性能越好，但相應(yīng)低速段廢氣回流越嚴(yán)重，不利于低速性能；隨著轉(zhuǎn)速/流量的增加，亞臨界狀態(tài)下的排氣量比重明顯增加。

1 前言

內(nèi)燃機性能在很大程度上依賴于換氣過程的完善程度，因此凸輪軸的設(shè)計與研究對提高發(fā)動機綜合水平尤為重要。頂置凸輪軸因減輕了配氣機構(gòu)的運動質(zhì)量，提高了系統(tǒng)的剛度，被廣泛應(yīng)用在目前的發(fā)動機上[1]。

本文以1.5T頂置凸輪軸發(fā)動機開發(fā)過程中部分凸輪軸數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重點研究排氣凸輪軸對發(fā)動機性能的影響。分別對比不同排氣凸輪軸包角對發(fā)動機性能影響，結(jié)合排氣過程中的排氣量模擬計算，對比分析兩種排氣凸輪軸型線在低速和高速時的換氣過程。

2 排氣過程計算

排氣過程是個復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)流動過程，缸內(nèi)壓力、氣門升程大小、排氣歧管壓力、氣門喉口大小等都影響排氣量。在計算排氣流量時，可以將整個排氣過程分解為多個足夠小的穩(wěn)態(tài)流動步長進(jìn)行計算。在整個排氣過程中，流通面積隨氣門升程的變化而變化，理論流量按一維等熵絕熱流動流量公式進(jìn)行計算，實際流量為理論流量與流量系數(shù)乘積[2]。

排氣過程按排氣流動的性質(zhì)分為超臨界排氣和亞臨界排氣兩個階段。在排氣過程初期，由于缸內(nèi)壓力較高，排氣管內(nèi)氣體壓力與氣缸壓力之比往往小于臨界值（κ為缸內(nèi)氣體的等熵指數(shù)），排氣流過排氣門時的流動呈超臨界狀態(tài)，此時缸內(nèi)氣體以當(dāng)?shù)芈曀倭鬟^排氣門，排氣流量只取決于缸內(nèi)氣體狀態(tài)和排氣門有效流通面積的大小，而與排氣管內(nèi)氣體狀態(tài)無關(guān)。隨著排氣的進(jìn)行，缸內(nèi)氣體壓力不斷下降，排氣管壓力與氣缸壓力之比增加，當(dāng)比值超過后，氣體流動呈亞臨界流動狀態(tài)，氣體流出量不僅與排氣門有效流通面積有關(guān)，還與缸內(nèi)和排氣管內(nèi)氣體壓差有關(guān)[3]。

在超臨界排氣階段，排氣量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率為：

式中，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；μ為流量系數(shù)；Fe為排氣瞬時有效流通面積；R、P、T分別為缸內(nèi)氣體常數(shù)、壓力、溫度。

超臨界流速過程中氣門升程hv較小，在內(nèi)，屬于小升程區(qū)域，其有效流通面積Fe為：

式中，β為氣門座錐角；ω為氣門閥座寬度；Dv為閥盤直徑。

流量系數(shù)μ一般與氣門升程關(guān)系較大：

結(jié)合式（1）～式（3）得：

式中，exo、exs分別為排氣門開啟時刻及超臨界流速結(jié)束時刻對應(yīng)的曲軸角度；DP為喉口直徑；P為缸內(nèi)瞬時壓力。

由于缸內(nèi)燃燒是個非常短暫的過程，在整個的超臨界區(qū)域，缸內(nèi)氣體向排氣歧管流動過程可以假設(shè)為恒溫過程。結(jié)合實際氣門模型進(jìn)行計算，結(jié)果為：

同理，結(jié)合亞臨界氣門幾何面積及排氣量公式，可以得到亞臨界狀態(tài)下的排氣量方程為：

式中，exss為氣門關(guān)閉時的曲軸轉(zhuǎn)角；pex為排氣管壓力。

3 試驗結(jié)果及分析

以某1.5T發(fā)動機性能開發(fā)過程中凸輪軸選型試驗為依據(jù)，對比和分析A、B兩款凸輪軸型線試驗結(jié)果，研究排氣門關(guān)閉時刻對發(fā)動機換氣過程影響。型線設(shè)計及參數(shù)如圖1及表1所示。

試驗結(jié)果如圖2所示?？芍?，低轉(zhuǎn)速段（轉(zhuǎn)速≤1 700 r/min）A款凸輪軸扭矩相對較優(yōu)，油耗方面兩款凸輪軸基本一致；高轉(zhuǎn)速段（轉(zhuǎn)速為4 000～5 600 r/min）B款凸輪軸性能方面優(yōu)于A款，且油耗也相對較低。

利用INDICOM（燃燒分析儀）采集的瞬時缸壓信號及對應(yīng)的進(jìn)、排氣凸輪軸型線數(shù)據(jù)，結(jié)合式（5）和式（6）進(jìn)行排氣門開啟過程排氣量計算，結(jié)果如表2所列。

表2 排氣階段排氣量計算結(jié)果 kg

結(jié)果表明，低轉(zhuǎn)速段（1 000 r/min）兩款凸輪軸在超臨界階段排出廢氣量較多，約占總排氣量的64.6%（A款）和71.3%（B款）；高轉(zhuǎn)速段（5 600 r/min）兩款凸輪軸亞臨界區(qū)域廢氣排出量占主導(dǎo)地位，約占總排氣量的62.6%（A款）和69.4%（B款）?？梢?，超臨界區(qū)域?qū)Φ娃D(zhuǎn)速的性能影響較大，而亞臨界區(qū)域排氣量直接影響高轉(zhuǎn)速性能。

為進(jìn)一步研究亞臨界區(qū)域排氣量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速/流量的關(guān)系，針對兩款凸輪軸各轉(zhuǎn)速下的亞臨界區(qū)域排出廢氣量比重進(jìn)行研究，結(jié)果如圖3所示。

可知，隨著轉(zhuǎn)速/流量的增加，亞臨界區(qū)域排氣量在總排氣量中所占比例逐漸增多，在4 000～5 600 r/min范圍內(nèi)壓臨界區(qū)域排氣量占主導(dǎo)地位，所以排氣門相對較晚關(guān)閉對高轉(zhuǎn)速性能尤其功率點影響較大。

圖4和圖5為兩款凸輪軸外特性充氣效率對比以及亞臨界排氣量對比狀況。

可知，隨著轉(zhuǎn)速/流量的增加，B款凸輪軸亞臨界區(qū)域排氣量逐漸加大，充氣效率也相應(yīng)增加，在高轉(zhuǎn)速段的性能優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)；1 000 r/min附近，B款排氣量較A款少13.4%，其主要由于B款排氣包角過大且排氣凸輪軸較晚關(guān)閉，導(dǎo)致少量排氣歧管中廢氣重新回流至缸內(nèi)。

圖6為兩款凸輪軸在1 000 r/min時的缸內(nèi)壓力與排氣歧管壓力差對比，可知，在排氣門關(guān)閉時，從1 mm升程到關(guān)死過程中，B款缸內(nèi)壓力與排氣歧管壓力差明顯低于A款，即排氣凸輪關(guān)閉過晚導(dǎo)致廢氣回流，影響低轉(zhuǎn)速充氣效率。

4 結(jié)束語

通過選取1.5T發(fā)動機開發(fā)過程中兩款排氣型線不同的凸輪軸試驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合排氣量理論計算過程，總結(jié)得出:在排氣凸輪軸開啟角度不變情況下，其關(guān)閉越晚（包角越大），高轉(zhuǎn)速段下排氣量越多，充氣效率越高，性能越好，但相應(yīng)的低速段存在廢氣回流可能性越大，影響低轉(zhuǎn)速性能。通過理論排氣量結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速/流量的增加，亞臨界排氣量比重明顯增多，對高轉(zhuǎn)速性能影響較大，與試驗結(jié)果一致。

1 裴梅香.雙頂置凸輪軸正時齒形帶傳動系統(tǒng)的設(shè)計研究.內(nèi)燃機工程,2002:38.

2 周松，等.內(nèi)燃機工作過程仿真技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

3 周龍保.內(nèi)燃機學(xué).北京：機械工業(yè)出版設(shè)，2010.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年4月1日。

Data Analysis and Research Based on Exhaust Camshaft Type Selection Test

Li Bingnan1,2,Cui Yanan1,2,Yang Zhonghua1,2,Liang Tao1,2
（1.Technical Center,Great Wall Motor Co.Ltd;2.Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center）

In this article,the influence of different camshaft angles on engine performance is compared based on type selection test result of two camshafts during the development of a 1.5T engine,and in combination of theoretical calculation.The gas exchange process of two exhaust cam profiles in high and low speed is compared and analyzed based on simulative calculation of exhaust gas in the exhaust process.The result show that:the larger the camshaft angle,the higher the charge efficiency,and the better performance in high speed road will be,whereas the worse the exhaust gas return in low speed driving,therefore this design is not good for low speed.The phenomenon also shows that the ratio of discharged exhaust gas rises remarkably in subcritical condition as the speed/flow increases.

Engine,Exhaust camshaft,Camshaft profile,Type selection test

發(fā)動機 排氣凸輪軸 凸輪軸型線 選型試驗

U464.134

A

1000-3703（2015）07-0035-03