煤层气发动机配气机构优化设计及仿真研究

摘要

在能源危机和环境问题的时代背景下，煤层气作为代用燃料越来越受到人们的关注与重视。煤层气是一种低环境污染能源，其包括甲烷、重烃气体、氮气以及二氧化碳等。山西省煤层气资源储存量大，可以就地开发利用，减少运输成本和直接排放，有优秀的市场环境与资源。在以柴油机为基型的火花塞点火式煤层气发动机改造研究过程中，由于胜动公司对原396柴油机配气机构的改造结果在工作过程中存在气门冲击较大、磨损严重等问题，通过对原机配气机构动力学计算及其凸轮型线反求分析，实现煤层气发动机配气凸轮型线动力学优化。配气凸轮作为发动机配气机构的关键部件，在驱动气门的打开与闭合的同时，完成有规律运动，因此配气机构凸轮型线优化设计尤为重要，一方面可以改善气门的落座冲击，另一方面可有效提高气门时面值，增大充量系数，以少量的燃料消耗获取较大功率。 本文采用AVL-Excite Timing Drive软件，建立了配气机构运动学、动力学仿真模型，并对其模型的刚度参数、阻尼参数、质量参数进行计算。结合配气机构运动学、动力学评价指标，针对原机配气机构进行仿真分析，包括弹簧裕度、气门跃度、润滑特性和气门落座力等;总结了原机配气凸轮机构气门凸轮和气门磨损的原因，包括进排气门加速度曲线不光滑、进排气门的最大跃度值太大、进排气门凸轮型线在打开侧的丰满系数偏高、进排气最小润滑系数超过工程要求、进气凸轮与挺柱最大接触应力超过了材料许用应力。针对原机配气机构的运动学、动力学仿真所出现的问题，根据凸轮型线的设计理论，对原机凸轮进行优化设计，包括优化后进排气凸轮的缓冲段都采用等加速—等速缓冲段，工作段都采用分段加速度，打开段和关闭段都采用非对称的形式。对优化后的凸轮型线配气机构进行运动学、动力学仿真并与原机进行对比分析，并针对气门座磨损量进行计算分析。由于时间的局限未用发动机台架试验来进行验证，因此采用AVL-Boost软件对优化后的进排气凸轮型线进行工作过程分析与仿真验证。 通过仿真分析与验证得到，优化后配气机构运动学、动力学性能均得到优化与改善;优化后配气机构比原机气门落座冲击力与气门座圈磨损量减小;优化后配气机构比原机在经济性与动力性都有所提高。