高压缩比HCNG发动机配气机构优化设计与仿真研究

摘要

能源和环保是当今世界发展的两大主题。在世界各国积极开发的替代燃料中，天然气掺氢(HCNG)燃料是较理想的替代燃料之一。然而随着压缩比的提高，进气道喷射式火花点火HCNG发动机易出现回火异常燃烧现象。配气机构是发动机的重要组成部分，其设计合理与否直接影响到发动机的进、排气性能，进而影响到发动机的整机性能。本文通过优化配气机构，合理选择配气相位并优化凸轮型线，以解决高压缩比HCNG发动机的回火问题。
　　本文通过应用GT-VTRAIN软件，建立了本课题中HCNG发动机配气机构的运动学和动力学模型，并对原机凸轮型线进行了运动学和动力学的计算与分析。在原机配气凸轮仿真的基础上，针对本文研究目的，重新设计了凸轮轴，优化了配气相位和凸轮型线;并利用AVL BOOST软件建立了发动机整机模型，对新型线的整机性能进行了模拟计算，从中选取了一组能达到本文优化目的的型线设计方案。
　　基于GT-VTRAIN软件建立HCNG发动机配气机构的运动学和动力学模型，并对原机凸轮型线进行了运动学和动力学仿真，计算结果表明，原机配气机构在凸轮桃尖区域存在两处异常突变点，尤其是排气凸轮;原机配气机构的进、排气门亦存在轻微反跳现象。
　　结合原机配气凸轮的计算结果，针对本文凸轮型线的优化目的，重新调整了配气相位，并利用组合多项式函数重新设计了凸轮型线，得到气门重叠角分别为10°CA、0°CA、-10°CA、-30°CA、-50°CA、-70°CA的六条凸轮型线;对优化后的型线进行了运动学和动力学校核，从气门升程、速度、加速度、跃度、凸轮与挺柱的接触应力和润滑效果、气门落座时是否出现反跳、气门弹簧是否出现并圈等多方面进行了评估，计算结果表明，新型线并未出现凸轮飞脱、气门反跳、气门弹簧并圈、气门与活塞相碰等现象。
　　利用AVL BOOST软件建立HCNG发动机的整机计算模型，对新型线的整机性能进行了模拟，计算结果表明，随着气门重叠角的减小，发动机的功率和转矩减小，有效燃料消耗率上升;随着压缩比的提高，发动机的功率和转矩增大，有效燃料消耗率降低;综合比较各型线的性能指标，从中选取了一组最优的型线设计方案。

目录

声明

摘要

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．1．1 汽车工业的发展及其对能源环保的压力

1．1．2 开发代用燃料的意义

1．1．3 HCNG燃料发动机回火问题

1．2 HCNG发动机国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 HCNG发动机国内外研究现状

1．2．2 HCNG发动机的发展趋势

1．3 配气机构的国内外研究现状及发展趋势

1．3．1 配气机构的国内外研究现状

1．3．2 配气机构的发展趋势

1．4 本文研究的目的、内容、方法及研究意义

第二章 配气凸轮设计及理论计算分析

2．1 配气凸轮设计

2．1．1 配气凸轮优化设计方法

2．1．2 配气凸轮设计准则

2．1．3 配气凸轮型线的类型及特点

2．1．4 配气机构动力学计算理论

2．2 本章小结

第三章 配气机构模型建立及原机配气机构分析

3．1 GT-VTRAIN软件介绍

3．1．1 GT-VTRAIN凸轮型线设计方法介绍

3．1．2 凸轮型线设计流程

3．1．3 GT-VTRAIN运动学建模介绍

3．1．4 GT-VTRAIN动力学建模介绍

3．2 配气机构运动学及动力学模型建立

3．2．1 配气机构运动学模型建立

3．2．2 配气机构动力学模型建立

3．2．3 模型特征参数计算

3．3 原机配气机构运动学与动力学仿真分析

3．3．1 原机配气机构运动学仿真分析

3．3．2 原机配气机构动力学仿真分析

3．4 本章小结

第四章 配气机构凸轮型线优化设计

4．1 配气凸轮型线优化设计

4．1．1 凸轮型线优化目的及优化思路

4．1．2 工作段的设计

4．1．3 缓冲段的设计

4．2 新型线运动学和动力学分析

4．2．1 新型线运动学分析

4．2．2 反推凸轮型线

4．2．3 新型线动力学分析

4．3 新型线与原机凸轮型线运动学和动力学特性对比分析

4．4 本章小结

第五章 新型线的发动机整机性能计算

5．1 BOOST软件介绍

5．2 HCNG发动机整机模型的建立及验证

5．2．1 BOOST模型的建立

5．2．2 BOOST模型的参数设置

5．2．3 BOOST模型的验证

5．3 新型线对发动机整机性能的影响

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果