技术领域
[0001] 本
发明涉及
发动机技术领域，特别是涉及一种发动机的进气凸轮及其型线设计方法。
背景技术
[0002] 随着
能源形式的逐步恶化，油耗法规的日益严格，国内乘用车市场用户对车辆的油耗更加关注，提升
汽油机的效率成为了汽油机发展的迫切问题。随着市场需求的提高，发动机也不断发展，在传统的奥托循环发动机
基础上，发展出阿特金森循环发动机。
[0003] 奥托循环发动机的特点是压缩比与膨胀比一致。而阿特金森循环发动机通过延迟关闭进气
门来减小汽油机
排量，使膨胀比大于压缩比，减少
泵气损失，可以有效提高热效率。但是，从传统的奥托循环发动机发展至阿特金森循环发动机，可采用进气门延迟关闭技术实现。为了使阿特金森循环发动机达到理想的热效率，需重新设计进气凸轮，达到理想的气门延迟关闭
角度。
发明内容
[0004] 鉴于上述状况，针对
现有技术中的通过进气凸轮控制达到实现阿特金森循环的问题，提供一种进气凸轮及其型线设计方法。
[0005] 一种进气凸轮的型线设计方法，所述进气凸轮应用于阿特金森循环的发动机中，所述方法包括：
[0006] 采用热
力学计算方法，通过发动机性能模拟计算，确定所述发动机进气门的延迟关闭角度；
[0007] 采用运动学计算方法，根据所述延迟关闭角度，计算所述进气凸轮的
加速度曲线，并对所述加
速度曲线进行二次积分，得到所述进气凸轮的凸轮型线；
[0008] 对所述凸轮型线进行校核，并通过调整所述延迟关闭角度来调整所述凸轮型线，以使所述凸轮型线满足所述发动机的动力学性能要求和
热力学性能要求。
[0009] 进一步的，上述型线设计方法，其中，所述采用运动学计算方法，根据所述延迟关闭角度，计算所述进气凸轮的加速度曲线的步骤包括：
[0010] 将所述发动机的
配气机构简化为单
质量振动模型，并根据所述延迟关闭角度进行动力学计算，得到所述凸轮的加速度曲线。
[0011] 进一步的，上述型线设计方法，其中，所述对所述凸轮型线进行校核，并通过调整所述延迟关闭角度来调整所述凸轮型线，以使所述凸轮型线满足所述发动机的动力学性能要求和热力学性能要求的步骤包括：
[0012] 根据所述配气机构的各个部件的质量、
刚度特性和阻尼特性，建立所述配气机构的多质量振动模型；
[0013] 根据所述多质量模型确定所述凸轮型线是否满足所述发动机的动力学性能要求；
[0014] 当所述凸轮型线满足动力学性能要求时，通过配气机构计算得到实际延迟角度；
[0015] 根据所述实际延迟角度进行热力学计算，并判断热力学计算结果满足要求是否满足所述发动机的热力学性能要求；
[0016] 若否，在预设的幅度范围内调整所述延迟关闭角度，并返
回执行计算加速度曲线的步骤，直至所述热力学计算结果满足要求满足所述热力学性能要求。
[0017] 进一步的，上述型线设计方法，其中，所述根据所述多质量模型确定所述凸轮型线是否满足所述发动机的动力学性能要求的步骤之后还包括：
[0018] 当所述凸轮型线不满足动力学性能要求时，在所述预设的幅度范围内调整所述延迟关闭角度，并返回执行计算加速度曲线的步骤，直至所述凸轮型线满足所述发动机的动力学性能要求。
[0019] 进一步的，上述型线设计方法，其中，所述采用运动学计算方法，根据所述延迟关闭角度，计算所述进气凸轮的加速度曲线的步骤包括：
[0020] 根据所述延迟关闭角度，以及连接进气门和凸轮之间的
摇臂的摇臂比计算凸轮的包角；
[0021] 并根据所述包角进行动力学计算，得到所述进气凸轮的加速度曲线。
[0022] 进一步的，上述型线设计方法，其中，所述动力学计算公式为：
[0023]
[0024] 式中：M所述发动机的配气机构的质量参数；C为所述配气机构的质量阻尼参数；K为所述配气机构的质量刚度参数；X为位移；为速度；为加速度；F为受力。
[0025] 进一步的，上述型线设计方法，其中，所述热力学计算公式：
[0026]
[0027] 其中，mc为
气缸中的工质的质量；u为比内能；Pc为气缸内压力；V为气缸容积；QF为喷入
燃料燃烧放出的热量；QW为气缸壁
热损失；α为进气门的延迟关闭角度；hBB为漏气
焓；为气质量流。
[0028] 进一步的，上述型线设计方法，其中，所述动力学性能要求为：所述进气凸轮的速度、加速度、受力满足预设条件。
[0029] 本发明是
实施例还提供了一种进气凸轮，所述进气凸轮采用如
权利要求1至7任意一项所述方法设计的型线。
[0030] 进一步的，上述进气凸轮，其中，所述凸轮型线的包角为130°～150°凸轮转角凸轮转角。
[0031] 本发明实施例中，通过对发动机性能模拟计算，并采用动力学和热力学的分析方法设计一种适用于阿特金森循环的发动机的进气凸轮。并通过调试进气门的延迟角度来对凸轮型线进行调整，是该凸轮型线满足发动机的热力学和动力学性能要求，由此可使设计出的进气凸轮应用于阿特金森循环的发动机时，合理控制进气门的开启时间和关闭时间，有效提高发动机的热效率。
附图说明
[0032] 图1为本发明第一实施例中的凸轮型线的设计方法的结构
框图；
[0033] 图2为本发明第二实施例中的凸轮型线的设计方法的结构框图；
[0034] 图3为本发明实施例中发动机的部分结构示意图，示出了进气凸轮的工作原理。
[0035] 主要元件符号说明
[0036]进气凸轮 10
传动组件 20
摇臂 21
挺柱 22
进气门 23
具体实施方式
[0037] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供该实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
[0038] 需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“
水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0039] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的
说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0040] 请参阅图1，为本发明第一实施例中的进气凸轮的型线设计方法，所述进气凸轮应用阿特金森循环的发动机中。所述方法包括步骤S11～S14。
[0041] 步骤S11，采用热力学计算方法，通过发动机性能模拟计算，确定所述发动机进气门的延迟关闭角度。
[0042] 本实施例中的型线设计方法可采用发动机模拟分析
软件进行，例如可采用Boost模拟程序进行，该Boost模拟程序不仅可以在设计阶段预测发动机的稳态性能，而且还可以分析成型发动机的热力学过程。首先根据热力学计算方法确定一个初步的进气门延迟关闭角度和一个进气门的升程，以达到实现阿特金森循环的目的。
[0043] 该热力学计算方法一般采用下述热力学公式：
[0044]
[0045] 其中，mc为气缸中的工质的质量；u为比内能；Pc为气缸内压力；V为气缸容积；QF为喷入燃料燃烧放出的热量；QW为气缸壁热损失；α为进气门的延迟关闭角度；hBB为漏气焓；为气质量流。
[0046] 上述公式中， 为气缸工质内能变化； 为工质对
活塞做的功；为喷入燃料燃烧放出的热量； 为工质与气缸盖、
缸套、活塞进行热交换的热量；
为漏气而引起的焓流。由于进气门延迟关闭角度及进气门
进程直接影响mc和u，当 均满足要求时，可初步确定进气门
的延迟关闭角度。
[0047] 步骤S12，采用运动学计算方法，根据所述延迟关闭角度，计算所述进气凸轮的加速度曲线，并对所述加速度曲线进行二次积分，得到所述进气凸轮的凸轮型线。
[0048] 具体的，先根据进气门的延迟关闭角度计算凸轮的升程和包角。发动机的进气门与进气凸轮通过摇臂连接，可通过杠杆原理将进气门的延迟关闭角度、进
气门升程与凸轮的升程及包角进行转换。由进气凸轮的升程和包角，并采用运动学计算方法计算进气凸轮的加速度曲线。将该加速度曲线进行二次积分即可得到进气凸轮的凸轮型线。
[0049] 步骤S13，对所述凸轮型线进行校核，并通过调整所述延迟关闭角度来调整所述凸轮型线，以使所述凸轮型线满足所述发动机的动力学性能要求和热力学性能要求。
[0050] 步骤S12中得到的凸轮型线为一个初步的凸轮型线，还需要进行校核，以确定该凸轮型线是否满足发动机的热力学和动力学要求。进行凸轮型线校核时可微调进气门的延迟关闭角度。在步骤S11得到了一个初步的进气门的延迟关闭角度，本实施例中计算得到初步的延迟关闭角度为30°凸轮转角，在该角度值的基础上进行调节。对进气门的延迟关闭角度的调整控制在一个预设的调整幅度内。该预设的调整幅度可预先进行设置，例如可设置在正负10°凸轮转角内，即在20°～40°凸轮转角的范围内调整进气门的延迟关闭角度。
[0051] 进气门生成以及凸轮升程固定不变，只需要在一定范围内调整进气门的延迟关闭角度即可。每调整一次延迟关闭角度重新计算一次凸轮型线，直至凸轮型线满足发动机的动力学要求和热力学要求时，即可确定该进气凸轮的型线。
[0052] 本实施例中，通过对发动机性能模拟计算，并采用动力学和热力学的分析方法设计一种适用于阿特金森循环的发动机的进气凸轮。并通过调试进气门的延迟角度来对凸轮型线进行调整，是该凸轮型线满足发动机的热力学和动力学性能要求，由此可使设计出的进气凸轮应用于阿特金森循环的发动机时，合理控制进气门的开启时间和关闭时间，有效提高发动机的热效率。
[0053] 请参阅图2，为本发明第二实施例中的型线设计方法，所述进气凸轮应用阿特金森循环的发动机中。所述方法包括步骤S21～S29。
[0054] 步骤S21，采用热力学计算方法，通过发动机性能模拟计算，确定所述发动机进气门的延迟关闭角度。
[0055] 步骤S22，根据所述延迟关闭角度，计算所述凸轮的包角。
[0056] 具体实施时，可根据连接进气门和凸轮之间的摇臂的摇臂比计算凸轮的包角。
[0057] 步骤S23，将所述发动机的配气机构简化为单质量振动模型，并根据所述包角进行动力学计算，得到进气凸轮的加速度曲线，并对所述加速度曲线进行二次积分，得到所述进气凸轮的凸轮型线。
[0058] 采用运动学计算凸轮型线时，将发动机的配气机构简化为单质量振动模型，单质量模型即是将发动机的配气机构的质量、阻尼和刚度设计为等效值。并由凸轮的包角计算凸轮的加速度曲线，其中，动力学计算公式为：
[0059]
[0060] 式中：M1为等效质量；C1为等效阻尼；K1为等效刚度；X为位移；为速度； 为加速度；F为受力。由
牛顿第二定律即可计算出凸轮加速度曲线 对凸轮加速度曲线进行二次积分即可得到进气凸轮的凸轮型线。
[0061] 步骤S24，根据所述配气机构的各个部件的质量、刚度特性和阻尼特性，建立所述配气机构的多质量振动模型。
[0062] 步骤S25，根据所述多质量模型确定所述凸轮型线是否满足发动机的动力学性能要求，若是执行步骤S26，否则执行步骤S29。
[0063] 根据单质量振动模型得到凸轮型线后，需要对该凸轮型线进行校核，以确定其是否满足实际应用。进行校核时，详细考虑配气机构的各个部件的质量、刚度特性和阻尼特性，并得到配气机构系统的质量、刚度矩阵和阻尼矩阵，建立配气机构的多质量振动模型。其中，多质量振动模型中，质量矩阵M2为：
[0064]
[0065] 其中，m1～m5分别为配气机构中5个部件的质量。
[0066] 阻尼矩阵C2为：
[0067]
[0068] 其中，-c1,2，c1,2，……c5,6为配气机构中的个部件的阻尼。
[0069] 刚度矩阵K2为：
[0070]
[0071] 其中，-k1,2，k1,2，……k5,6为配气机构中的个部件的刚度。可以理解的，具体实施时，配气机构的各个部件及其质量、阻尼可根据实际情况进行设置。
[0072] 上述步骤S25中，将该进气凸轮升程曲线应用动力学计算方法，可以校核凸轮型线的动力学性能，具体的，其动力学计算公式为：
[0073]
[0074] 式中：M2为质量矩阵；C2为阻尼矩阵；K2为刚度矩阵；X为位移；为速度；为加速度；F为受力。计算配件机构各个部件(包括气门、摇臂、气门
弹簧等)的位移，受力，速度，加速度，并评估上述的计算结果是否满足预设条件，该预设条件根据实际使用需求设置。配气机构模型的各项特性指标：速度、加速度、受力满足使用要求时，则说明该凸轮型线满足发动机的动力学性能要求。
[0075] 步骤S26，通过配气机构计算得到实际延迟角度。
[0076] 步骤S27，根据所述实际延迟角度进行热力学计算，并判断热力学计算结果是否满足所述发动机的热力学性能要求。
[0077] 步骤S28，当热力学计算结果不满足所述发动机的热力学性能要求时，在预设的幅度范围内调整所述延迟关闭角度，并返回执行步骤S22，直至所述凸轮型线满足所述发动机的热力学性能要求。
[0078] 步骤S29，在预设的幅度范围内调整所述延迟关闭角度，并返回执行步骤S22，直至所述凸轮型线满足所述发动机的动力学性能要求。
[0079] 本实施例与第一实施例相比，根据配气机构的各个部件的质量、刚度特性和阻尼特性，建立配气机构的多质量振动模型、并根据该多质量振动模型对初步建立的凸轮型线进行校核，并通过调整进气门的延迟关闭角度使凸轮型线满足校核要求，从而得到适合于阿特金森循环的发动机的进气凸轮。其得到的进气凸轮的型线精确满足实际需求，可达到理想的热效率。
[0080] 请参阅图3，为本发明实施例中，发动机的部分结构示意图，该图中示出了进气凸轮的工作原理。如图3所示，该发动机包括凸轮10和传动组件20，该传动组件20与发动机的气缸(图未示)连接，可将进气凸轮10的作用力传动至气缸的活塞上。该传动组件20包括摇臂21、与该摇臂21连接的挺柱22和进气门23。该进气凸轮10的凸轮型线根据上述实施例中的型线设计方法得到，其该包角为145°凸轮转角。具体的，本发明中得到的凸轮型线如表1所示。
[0081] 表1.进气凸轮型线表
[0082]
[0083] 其中，进气凸轮转角为0°，表示进气凸轮升程起始点。表1示出了：进气凸轮从0°的起始点点，逐渐增大，至最大升程点后，再逐渐减小至进气凸轮升程终点，记录进气凸轮转角和对应的进气凸轮的升程。
[0084] 可以理解的，根据上述实施例中的方法得到的凸轮的包角在130°～150°凸轮转角均可实现阿特金森循环，提高热使用效率，因此在本发明实施例中该进气凸轮的包角为还可为130°或150°凸轮转角，此处不进行限定。
[0085] 该进气凸轮10工作时，进气凸轮10绕着轮中心旋转，摇臂21绕着摇臂与挺22柱
接触点旋转，进气门23沿着气门中心线方向移动，挺柱22固定不动。当进气凸10轮旋转时，压着摇臂21绕摇臂21与挺柱22接触点转动，由于挺柱22固定不动，进气门23就被压着向下移动，进气门23与气缸盖脱离接触，气门就被打开了。活塞也是在配合着进气凸轮转动上下运动。
[0086] 本实施例中，阿特金森循环凸轮能使进气门延迟关闭，进气门在活塞
下止点后关闭，活塞的
压缩行程在下止点后。而活塞的膨胀行程从
上止点开始，因此发动机压缩冲程小于奥托循环凸轮。因此发动机有效压缩比小于膨胀比，达到实现阿特金森循环的目的。
[0087] 以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明
专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
