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基于EXICTE Power Unit的多连杆可变压缩比发动机仿真
2020-06-13 00:03:28· 来源：AVL先进模拟技术
一、引言随着汽车工业的飞速发展，汽车带来的能源环保问题受到了全世界的重视，发展新型节能高效发动机对振兴全球汽车工业十分重要。当前，发动机小型化的趋势作
一、引言
随着汽车工业的飞速发展，汽车带来的能源环保问题受到了全世界的重视，发展新型节能高效发动机对振兴全球汽车工业十分重要。当前，发动机小型化的趋势作为降油耗与降排放的有效措施，如何在保证动力的基础上减小发动机的排量是发动机研究工作者比较关注的问题。结合发动机设计理论可知，比较直接的方式就是增加发动机的压缩比。然而，虽然提高压缩比既能够保持原有的动力性，同时还能降低油耗，但缺点也是致命的，那就是在高负荷时容易产生爆震。为了抑制爆震产生，通常的做法是延迟点火，推迟点火一方面降低发动机热效率增加燃油消耗，同时还会产生排温过高等问题。通过采用无级可变压缩比（VCR）技术之后，实现在发动机不同工况下改变压缩比，即可精准有效地抑制爆震，并同时实现高热效率的发动机小型化需求。
现阶段，主流的可变压缩比的方案主要有以下几种：
1) 气缸体推移：如图1.a所示。气缸盖和气缸体是动态连接在一起的，气缸盖与气缸体通过一组摇臂连接，摇臂能在ECU的控制下改变一定的角度，从而改变了燃烧室的体积，压缩比也同样被改变了。
2)偏心的轴承：如图1.b所示，曲轴支承在一个偏心器上，利用某种手段使偏心器转过一个角度，就能改变曲轴在竖直方向上的位置，因此活塞的上止点和下止点同时移动了一个相同的量。相同原理，通过连杆小头偏心器改变小头中心轴向位置，继而实现压缩比变化。
3)多连杆控制：如图1.c所示，通过多连杆设计，借助杠杆原理，控制副连杆旋转角度，实现主连杆的轴向移动来实现可变压缩比。
4)齿条推动控制：如图1.d所示，位于机构中央的摆杆在两侧部分的带有齿轮。一侧与活塞连接，另一侧与液压式执行器运动的控制齿杆连接。当控制齿杆上下移动，通过中间摆杆即可实现活塞轴向位置的变化，继而改变发动机压缩比。
5）改变连杆大头中心位置：如图1.e所示，在连杆大头里加入偏心环，通过控制偏心环的转动来改变活塞上止点的位置。
6）改变连杆长度：如图1.f所示，通过连杆中间液压机构，直接实现连杆长度变化。
相对于传统发动机，VCR发动机相对比较复杂，增加了新的结构部件，这就意味着我们在设计过程中应对于这些部件本身以及其与其他部件的相互作用要进行重点考虑。曲柄连杆结构作为其核心运动件，设计过程中如何准确的对其进行设计校核是重点 ，本文中以实际运用比较普遍的多连杆发动机为例，给大家介绍EXCITE软件多连杆VCR发动机动力学模型建模方法以及分析能力。
二、多连杆VCR发动机建模
EXCITE Power Unit（EPU）作为专业的三维结构动力学分析软件，可基于真实的三维模型对结构体进行动力学仿真，图2即为EPU建模流程。本示例多连杆发动机动力学模型中主要包含主副连杆、摇臂、控制轴、曲轴、机体等，动力学模型如图3。
三、动力学结果
1 弹性液力润滑分析
滑动轴承作为发动机曲柄连杆机构主要的轴承类型，其工作过程中工作特性直接影响发动机可靠性。多连杆VCR发动机由于结构更加复杂，滑动轴承数量较传统发动机更多，滑动轴承可靠性问题也会更加凸显。EPU结合发动机真实的载荷边界，基于其高效的滑动轴承润滑分析模块，可对发动机滑动轴承进行准确的EHD仿真计算，评估轴承润滑特性，快速校核轴承可靠性问题。
此次以主轴承、主连杆大头轴承与副连杆小头轴承为例，分析其润滑状态。图4是VCR发动机各轴承轴瓦型线和主轴承油槽油孔情况。
图5为该多连杆发动机各主轴承最小油膜厚度分布情况，从图中可知，当前各主轴承油膜厚较小的轴承分别为第一主轴承与第五主轴承，最小油膜厚度为0.5um与0.52um，大于轴瓦与轴颈复合粗糙度高度0.15um，总体上油膜厚度满足要求。图6所示各主轴承最大接触总压为90MPa，远小于220MPa的接触限值，同样满足可靠性需求。
从图7a 为VCR发动机各主轴承粗糙接触压力分布情况可知，第一主轴承与第五主轴承工作过程中出现粗糙接触情况，最大粗糙接触压力为26MPa，结合图7b可知，本案例中VCR发动机粗糙接触压力比传统发动机相对要小许多。图8 为第一与第五主轴承平均粗糙接触压力分布情况，从图中可知，VCR发动机与传统发动机第一与第五主轴承平均粗糙接触压力分布相似，由于第一与第五主轴承分别临近TVD端与飞轮端，TVD端附件系统皮带拉力、正时链条系统拉力以及飞轮端陀螺效导致第一与第五主轴承边缘位置粗糙接触压力较大，有可能导致轴瓦边缘区域的磨损。
VCR发动机第一主轴承与第五主轴承循环平均热载如图9所示，当前轴瓦最大的循环平均热载为1200N/(mm.s)左右，小于1400N/(mm.s)的热载限值，轴瓦工作过程中出现烧瓦的可能性较小。
图10与图11为主连杆大头EHD分析结果，从图可知，主连杆最小油膜厚度为0.4um，大于复合粗糙度高度；最大接触压力为183MPa，小于220MPa的限值，总体上二者满足设计标准。粗糙接触压力主要位于轴承上部，边缘位置总体幅值较大，有一定的磨损风险。循环平均热载较小，同样烧瓦的风险较小。
副连杆小头EHD结果如图12、13所示，总体上结果与主连杆大头相似，最小油膜厚度与接触总压均满足要求，同样有一定磨损风险，不会出现烧瓦现象。
2 结构强度分析
EPU软件包含丰富的有限元求解器接口，结合动力学分析结果，可进一步对结构体可靠性进行评估。图14a为该示例中VCR发动机主副连杆及摇臂在某曲轴转角下应力分布情况，通过对比图14a与图14b可知，该示例VCR发动机连杆应力最大值要比传统发动机连杆应力最大值小许多。EPU中支持瞬态应力与模态应力恢复的方法，快速实现各部件瞬态应力分布计算，依此可以进一步进行结构疲劳分析。
3 摩擦功耗
通过EPU软件，可实现该系统的运动学校核，同时基于动力学结果，可对发动机每个部件的摩擦功耗进行快速评估，继而可进一步研究其摩擦损失。为了对比分析VCR发动机的差异性，我们以同排量的传统发动机为参考进行分析。从图15对应的运动学分析可知，相对于传统发动机而言，VCR发动机活塞所受最大压力时刻连杆与气缸中心线夹角要小很多，势必也会使活塞与缸套接触力减小，通过图16与图17动力学结果分析来看，VCR发动机在整个周期内活塞侧击力相对平顺且幅值较小，无论是接触压力还是摩擦功耗都较传统发动机要小很多。虽然多连杆发动机结构复杂，摩擦轴承副相对较多，由于发动机活塞组件对于发动机摩擦功耗占比最大，而多连杆VCR发动机可很大程度上减小活塞组件摩擦功耗，对比等功率传统发动机，VCR发动机复杂的结构对于摩擦功耗影响并不很大，甚至有可能减小发动机摩擦功耗。
4 振动结果
对于传统四缸发动机而言，往往会通过增加平衡轴，以平衡发动机主要的二阶往复惯性力，来降低发动机的振动。EPU软件可对不同发动机振动特性进行分析，此处通过建立传统四缸发动机与多连杆VCR发动机动力学模型，对比两种发动机振动特性。
图19为传统发动机与VCR发动机某转速悬置位置处振动时域与频域结果，图20为发动机悬置全转速的振动Campbell图。从计算结果可直观看出，对于中低频段振动而言，示例中VCR发动机振动幅值较传统发动机的小。说明多连杆发动机平衡性并不比传统发动机差。
究其原因，是因为VCR发动机一个曲拐有两个连杆，由于主副连杆经过中间摇臂使得二者工作过程中受力相反，最终可抵消部分二阶往复惯性力。如果设计合理，甚至能等效平衡轴的作用。
图21为发动机体上某点振动结果，通过发动机上任意一点的振动加速度级结果来对比两种发动机的振动噪声水平，从图中可以看出，VCR发动机在1750Hz以上中高频段振动要比传动发动机大。由于VCR发动机结构部件复杂，振动噪声中高频段的激励源较传统发动机大，导致发动机在中高频段振动噪声也相对较大。
综上所述对于该示例VCR发动机而言，由于其结构的特殊性，该发动机中低频振动要较传统发动机小，说明其平衡性一定程度上要比传动发动机好。但由于其结构部件较多，所能产生的中高频激励要比传统发动机大，最终体现该发动机在中高频噪声频段振动噪声相对较大。
四、总结
多连杆VCR发动机可作为节能减排的有效技术，但其复杂的结构特征也让很多发动机开发人员望而却步。EXCITE作为专业的动力总成多体动力学分析软件，可对复杂的多连杆动力学进行相应的仿真，评估多连杆VCR发动机各部件可靠性、轴承EHD以及NVH特性，同时也可实现系统摩擦功耗的快速评估。结合EPU软件，同样可实现其他各形式的VCR发动机动力学仿真，如读者对于其他形式VCR发动机建模感兴趣，可与我们进一步交流。
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