一種小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及發(fā)動機設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法。本發(fā)明提供一種小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法，包括以下步驟：A、確定凸輪加速度曲線；B、求出凸輪加速度函數(shù)；C、根據(jù)凸輪加速度函數(shù)求出速度函數(shù)和升程函數(shù)；D、根據(jù)發(fā)動機設(shè)計目標確定邊界條件和參數(shù)范圍；E、根據(jù)邊界條件和參數(shù)范圍，確定出最優(yōu)的凸輪型線。采用本發(fā)明的設(shè)計方法，可以使曲線光滑連續(xù)，可以獲得較高的加速度值，又能避免出現(xiàn)大的加速度階躍，且能很好的控制凸輪最大速度值，避免超出最大偏心率的要求。
【專利說明】一種小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)動機設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002]配氣機構(gòu)是內(nèi)燃機的重要組成部分，常見的配氣機構(gòu)是由配氣凸輪驅(qū)動的，而凸輪型線設(shè)計是配氣機構(gòu)的核心，其設(shè)計的好壞直接影響到發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性以及運行平穩(wěn)性和可靠性。因此，配氣凸輪型線的設(shè)計優(yōu)化顯得尤其重要。
[0003]傳統(tǒng)的凸輪型線設(shè)計采用高次方多項式對凸輪型線進行設(shè)計，這種方法雖然形式簡單，但缺乏局部控制的靈活性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法，該方法通過控制挺柱加速度曲線，將加速度曲線分成若干段，使用多種函數(shù)靈活搭配，以滿足各區(qū)間相應(yīng)的運動學(xué)、動力學(xué)要求，特別是引入一段加速度為零，即速度為常速段，可以控制速度，以滿足凸輪偏心率的要求。
[0005]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為提供一種小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法，包括以下步驟:
[0006]A、確定凸輪加速度曲線；
[0007]B、求出凸輪加速度函數(shù)；
[0008]C、根據(jù)凸輪加速度函數(shù)求出速度函數(shù)和升程函數(shù)；
[0009]D、根據(jù)發(fā)動機設(shè)計目標確定邊界條件和參數(shù)范圍；
[0010]E、根據(jù)邊界條件和參數(shù)范圍，確定出最優(yōu)的凸輪型線。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進，所述邊界條件和參數(shù)范圍包括最大正加速度、最大負加速度、凸輪半包角、最大挺柱升程、挺柱落座速度、挺柱最大速度、最大凸輪偏心率。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟A中凸輪加速度曲線滿足相應(yīng)區(qū)間的運動學(xué)、動力學(xué)和發(fā)動機性能要求。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟B中求得凸輪加速度函數(shù)在于使用任意函數(shù)來自由搭配。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:采用上述設(shè)計方法，可以使曲線光滑連續(xù)，可以獲得較高的加速度值，又能避免出現(xiàn)大的加速度階躍，且能很好的控制凸輪最大速度值，避免超出最大偏心率的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法的流程圖；
[0016]圖2是本發(fā)明小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法的加速度曲線圖；
[0017]圖3是本發(fā)明小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法的速度曲線圖；
[0018]圖4是本發(fā)明小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法的凸輪升程曲線圖；
[0019]其中，圖中a i?α 6為各段型線包角，A1為第一段和第三段末端加速度值，A2為第四段末端加速度值，Amax為最大正加速度值,Amin為最大負加速度值,Vmax為挺柱最大速度，hmax為凸輪最大升程。

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】及【具體實施方式】對本發(fā)明進一步說明。
[0021]如圖1所示，提供一種小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法，包括以下步驟:
[0022]A、確定凸輪加速度曲線；
[0023]B、求出凸輪加速度函數(shù)；
[0024]C、根據(jù)凸輪加速度函數(shù)求出速度函數(shù)和升程函數(shù)；
[0025]D、根據(jù)發(fā)動機設(shè)計目標確定邊界條件和參數(shù)范圍；
[0026]E、根據(jù)邊界條件和參數(shù)范圍，確定出最優(yōu)的凸輪型線。
[0027]所述邊界條件和參數(shù)范圍包括最大正加速度、最大負加速度、凸輪半包角、最大挺柱升程、挺柱落座速度、挺柱最大速度、最大凸輪偏心率。
[0028]所述步驟A中凸輪加速度曲線滿足相應(yīng)區(qū)間的運動學(xué)、動力學(xué)和發(fā)動機性能要求。
[0029]所述步驟B中求得凸輪加速度函數(shù)在于使用任意函數(shù)來自由搭配。
[0030]本發(fā)明擬用工作段采用6段函數(shù)組成，其特點是:所述工作段挺柱加速度曲線a(a )由6段函數(shù)組成。

A,
[0031]<h=—aO <? <?!

?I
rπa.).^
[0032]a2 = Amax sin 十-γαχ<α<α2

L (?2 -?|)J

A
[0033]?3 =-!~ (-- — a)α?<α< a,

a , -
[0034]a4 = 0
r ?..π(α-α4)..
[0035]as = -A2 sm —^a4<a <as
"I2{a5 -a4)j..π(α - a.)
[0036]a6 = -Jmin sm -fa5 < a < a6

l[a6-a5)J
[0037]由上面的加速度公式經(jīng)過一次積分和兩次積分，得到速度v( a )和升程h(a )的函數(shù)分別如下:

/?
[0038]V1 = a」+ ClO < a < a,

^CC,Γ π(α2-αΛ Απ(α -αλ ^^
[0039]V2 =----L Aumx cos -Js-γ +C1αχ<α<α?
\^) Lh-%)」—"
[0040]ν3 = ~~ι-τΑ{α^ ----τΛ{α + C3
Iya, - α0)[a, - ou )
[0041]ν4 = C4
Γ π2(α5 ~αΑ).π(α-α4) ?
[0042]ν5———Λ cos -H + C5
π- [_2(α5 -CC4)]
(α, -6?τ?) ,π(α -<2?) 門
[0043]ν6 =-^-^min cos -f-^ + C6
[0044]A1 =α ’ + Cl a + Cn

6α{
rπr(α^-αχ\..—Cr1)] ρ廣
[0045]h0 ~ — ~=^max sin —(+ C2以 + C8
\ π )1{α2 -αγ) \
I--7
[0046]A-j —— ~7-r Ο?--7---r(Z~ + C^OC + Cg
[6(α, - α? J 2(?, - α,)」.
[0047]h4 = C4 α +C10
Γ π , 「2(α,-α4)Τ Λ ■「ττ(α-α4)] ^ ^
[0048]k-— Λ sm -H- +C a +Cu
L ;τ 」-[?{α5-αΑ)\ ~
, Γ (α, -ο:,)Τ ,.π(α -αΛ ^
[0049]h6 = ^~- Aain sin -f-^ +Cba + Cn
I π 」Lh-α5)」
[0050]式中，C1-C12為常數(shù)項，Ci1?Ci6為各段型線包角，A1為第一段和第三段末端加速度值，A2為第四段末端加速度值，Amax為最大正加速度值,Amin為最大負加速度值。
[0051]將相關(guān)邊界條件代入，就可以求解出加速度、速度和升程曲線的分段函數(shù)，而C1?C12這幾個常數(shù)可由數(shù)學(xué)式表示如下:
[0052]Ci =—
W
[0053]C2 =^ + ^4+ 卜—叫4nax
w I \ π J
r ?v? J a0 - αΛ t α, I 2 α,,
[0054]C3 = — +2 - Am + — + —(-\α2 +7-Τα2 A
w \ π J2 2[α3 -α2) [α3 —α2)
γ π ? ν0 J α0 -αΛ.a,I ^ α,I τ.
[0055]C4= — + 2 ^- Amax + — + —(-τ?2 +7-\α2 +Τ?-\α3 A
w \ 7? J2 2[α, -α? I {α3 - α2) Ζ{α - α2)
[0056]^ vn J α? - αΛ Λ α, I ο α,I ο.2(α, - αΑ).C5 =^ + 2 ——?- Jmax+ + ^-γ^；+7~~^a2A —~、」——^A1
w \ π ) _ 2 2(α3 - α,) — (α3 -oc2) 2{α -α2) Jπ —
[0057]
^ ν0 Jα0 -αχ λ.「αιI ^ a,I 2~L 2(α5 -α4) , (α6 -α^),
C6 二丄+ 2 ^~~1 Uma, + -^+T7-^22+γ~~^“2+^τ-A ~~-Λ-—~~-^min
w ^ π J2 2(α3 -α^) [α3 - α2) 2(α3—θο)ππ
[0058]C7 = O
Γ π ρ I 7 , (α-,-αΛ.
[0059]Cg =--?! A1 - - ?l4nax
3 \ π )
γ ? 。 「 I 3 3α, 2 1.「(α，-《丨) (α^-αΛ 1.
[0060]Cg=- —, ra2 +-^ s.a2 ~^α? A = α2 + ^ Fl ^max
3{α3 -α2) 2{α3 -α2) 3π\(zhòng) π )
[0061]
ρ「 I3I33α3，I「(隊-④) (α^-αΛ 1.C10 =——7-τα"3 +-7-^α? + —7——-~~^a; -_a: Ax - —--a, + ^-L \α, Amax
_β(α3-α2) 3 3(α3-α2) _ 2{α3-α2) " 3_ π 2 \ π ) χ_
[0062]
C —— Γ 1 α3+ 1 α3+ 蝴 α2-1α]? -\^-~α,Κ +? α2'αι IaL +2^s ~ a^aA
I11- /十 ι/ 十 V \α2^ czI ?α2 十Pi yiIimx 十以4/12
O^ar3 — Ci21 3(α.-CC2) 2(α3 - ?2)) 」冗K^ J η
[0063]
ρ 「 I3 I 3 3α3 2 I 2"L「(A-aJ?α0-αΛ ? ,
Cp = — ~7-^--7-\(^? --7-\(^ι--CZ\ — -CC, + 1- \OCi ^ +
12 6(α3-α2) 3 3(?3-α2) ?(α3-α2) - 3 1 1 _ ^ 2I, ^ J max2(as -α4)^ ,「2(?r5-a4)12L , (α6-α5)α} Α
?/4 十十Zlmin
κL 穴* 」冗
[0064]其中:

/7 TC
[0065]U’ = ^~
[0066]Θ = a χ+ a 2+ a 3+ a 4+ a 5+ a 6
[0067]w為設(shè)計角速度，Vtl為挺柱落座速度，n為發(fā)動機設(shè)計轉(zhuǎn)速，Θ為凸輪半包角。
[0068]實施例1:
[0069]以某小型發(fā)動機的配氣凸輪設(shè)計為例，該發(fā)動機配氣機構(gòu)形式為頂置凸輪直驅(qū)平面挺柱式，對配氣凸輪型線進行優(yōu)化設(shè)計。在幾個參數(shù)中，凸輪最大升程hmax、凸輪半包角Θ與原機型一樣，保持不變，原機型最大升程8mm，凸輪半包角60°，發(fā)動機設(shè)計轉(zhuǎn)速為5500rpm,原機在5500rpm下氣門加速度最大值為14445m/s2,負加速度最大值為-13218m/S2,凸輪最大偏心率14.12mm,氣門落座速度為0.35m/s,凸輪最大速度為4033m/s。
[0070]為了滿足現(xiàn)有挺柱尺寸要求，需要降低凸輪最大速度，減小凸輪最大偏心率。因此，在保證豐滿系數(shù)不降低的情況下，對Amax、Amin、vmax以及各段型線包角在給定邊界條件下進行適當調(diào)整。
[0071]最終確定的參數(shù)如下:
[0072]
加速度值為AAaax Amm
單位 0.01 0.008 0.026 0.011
[m/deg2]
[0073]速度
[0074]
速度值 v。 Vmax
單位 0.018 0.28
[m/deg]
[0075]各段凸輪包角
[0076]
凸輪包角 α,α2α3α4α5α6
單位 2625837
[deg]
[0077]優(yōu)化前后的配氣機構(gòu)運動學(xué)特性參數(shù)對比如下:
[0078]
特性參數(shù)原凸輪優(yōu)化后的凸輪單&
氣門最大正加速度0.02530.0262m/deg2
氣門最大ft加ΛΛ-0.009-0.012m/deg2
凸輪與挺柱間的接釀力583498Ipa
凸輪最大偏心率14.1212.71ran
豐滿系數(shù)0.5840.596_
[0079]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于:包括以下步驟: A、確定凸輪加速度曲線； B、求出凸輪加速度函數(shù)； C、根據(jù)凸輪加速度函數(shù)求出速度函數(shù)和升程函數(shù)； D、根據(jù)發(fā)動機設(shè)計目標確定邊界條件和參數(shù)范圍； E、根據(jù)邊界條件和參數(shù)范圍，確定出最優(yōu)的凸輪型線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于:所述邊界條件和參數(shù)范圍包括最大正加速度Amax、最大負加速度Amin、凸輪半包角Θ、最大挺柱升程hmax、挺柱落座速度Vd、挺柱最大速度Vmax、最大凸輪偏心率emax ；。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于:所述步驟A中凸輪加速度曲線滿足相應(yīng)區(qū)間的運動學(xué)、動力學(xué)和發(fā)動機性能要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述小型汽油發(fā)動機配氣凸輪型線設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于:所述步驟B中求得凸輪加速度函數(shù)在于使用任意函數(shù)來自由搭配。
【文檔編號】F01L1/08GK104141518SQ201410353953
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】唐海嬌, 穆建華, 王磊, 黃勇, 葉年業(yè) 申請人:上汽通用五菱汽車股份有限公司