长安动力学院使用Simpack进行汽油机阀系停缸机构仿真

本文来自长安汽车动力研究院SIMULIA2018年用户大会论文

摘要:为满足日益严苛的油耗和排放法规，汽车厂商开始大量采用新技术以降低汽车油耗和尾气排放物。作为节能新技术之一，阀系停缸机构是一套利用复杂摇臂控制部分工况气门常闭的装置，通过气门常闭实现部分汽缸的停缸功能。该机构存在两种状态，即工作状态和停缸状态。本文使用Simpack软件完成某四缸机阀系停缸机构两种状态的动力学仿真，确定该机构的动力学可靠性满足要求，并对摇臂锁销间隙带来的气门升程影响进行了比较。

关键词: 节能新技术, 阀系停缸机构, 动力学仿真

1、引言

阀系停缸机构能够让车辆在需求扭矩较低时使汽油机工作在最佳油耗区，在减少缸内燃烧热量损失的同时也能够降低阀系摩擦损失。根据车型、停缸数量和工况匹配的不同，一般可以节油2%~5%。由于关键零件摇臂的结构较复杂，其体积相对传统摇臂增加明显，并且为了实现停缸需要额外的油路控制摇臂锁销的动作，所以阀系停缸机构的运用对缸盖的布置提出了严格的要求，这在缸盖设计上是一个挑战。此外，出于成本的考虑一般选择部分缸停缸，所以实际产品上会同时出现传统摇臂和停缸摇臂的使用。本文只针对停缸摇臂进行分析。

停缸摇臂的结构见图1，其存在两种运动状态：

①     工作状态，锁销锁止，滚子部分与摇臂体固接，当凸轮驱动滚子运动时，摇臂整体绕液压挺杆球头作旋转运动，滚子部分与摇臂体共同作用压迫气门运动。

②     停缸状态，锁销脱开，滚子部分与摇臂体由固接变为扭簧连接，当凸轮驱动滚子运动时，滚子部分绕气门侧的铰接点作旋转运动，此时气门保持静止。

  图1.  停缸摇臂结构

在动力学分析中，通过关注零部件的位移和受力来判断机构是否存在可靠性风险。对于阀系机构，一般可能存在的可靠性风险有：零部件飞脱、气门反跳、弹簧并圈等。

2、动力学模型

使用Simpack软件对摇臂结构进行了详细建模，主要涉及扭簧、气门侧铰接点和锁销接触的模拟。其他零件，凸轮、液压挺杆、气门、气门弹簧、气门导管以及座圈在模型中都进行了模拟。

图 2.  阀系停缸机构仿真模型

3、仿真工况

根据该汽油机的设计目标，汽油机的转速范围为800~5500rpm，即阀系停缸机构工作状态时的转速范围是800~5500rpm；整机油耗仿真反馈汽油机转速在1000~4000rpm时停缸油耗最优，因此阀系停缸机构停缸状态时转速范围为1000~4000rpm。阀系工作时高转速工况风险大于低速工况，因此，动力学仿真工况如表1所示。

表1.动力学仿真工况

4、仿真工况

阀系动力学分析结果主要关注气门升程、凸轮力、液压挺杆力和气门落座力。其他结果如驱动扭矩、赫兹应力以及摇臂摆角等也可以作为特定分析需求的评估参考。

阀系机构工作状态动力学结果

阀系机构工作状态时，摇臂锁销锁止，摇臂滚子及其支撑部件与摇臂本体形成一个整体，当凸轮驱动摇臂滚子，那么摇臂整体绕液压挺杆球窝旋转，通过摇臂弧面推动气门运动。该过程由于摇臂惯量相对传统摇臂增加很多，所以容易发生摇臂接触飞脱的情况。              

图 3.  阀系机构工作状态分析结果

阀系机构工作状态分析结果显示：

①  气门升程无异常，关闭后未发现反跳的情况；

②  凸轮力在气门关闭后存在为0的情况，但持续时间极短（2CA），可以接受；

③  液压挺杆受力时刻大于0，液压挺杆与摇臂接触良好，无飞脱发生；

④  气门落座力在气门关闭后存在为0的情况，但持续时间极短（2CA），可以接受。

阀系机构停缸状态动力学结果

阀系机构停缸状态时摇臂锁销脱开，凸轮驱动摇臂中间滚子及其支撑结构绕气门侧铰接点作旋转运动。在滚子旋转运动过程中，液压挺杆和气门仍然会承受一定的载荷，当载荷过大或过小时极易发生气门顶开或摇臂飞脱的情况。所以停缸状态需要重点关注液压挺杆和气门的受力。

图 4.  阀系机构停缸状态分析结果

阀系机构停缸状态分析结果显示：

①  气门无明显升程，表明气门密封较好；

②  凸轮力时刻大于0，即凸轮与摇臂滚子接触良好，无飞脱发生；

③  液压挺杆受力时刻大于0，液压挺杆与摇臂接触良好，无飞脱发生；

④  气门落座力时刻大于0，气门与座圈接触良好，无顶开或反跳发生。

阀系驱动扭矩

阀系机构在停缸状态时只需克服摇臂扭簧的载荷，节省了驱动气门机构所需的扭矩，所以只要摇臂扭簧设计合理能够明显降低阀系的驱动扭矩。图5是发动机转速3000rpm的阀系驱动扭矩仿真结果，停缸状态的阀系驱动扭矩明显小于工作状态的驱动扭矩。

图5. 阀系机构不同工作状态的驱动扭矩

摇臂锁销间隙对气门升程的影响

分析中考虑了不同摇臂锁销间隙输入计算气门升程，计算结果如图6，升程主要差异点出现在开启和关闭初期以及气门最大升程附近，进气侧与排气侧的最大升程差值相同，最大升程差值为摇臂锁销间隙差值与摇臂比的乘积（摇臂比1.7）。

图 6.  不同摇臂锁销间隙的气门升程

气门升程差异直接关系到汽油机的性能扭矩，将不同摇臂锁销间隙对应的气门升程曲线输出给发动机性能仿真，仿真结果如图7和图8，全转速工况下大间隙对应的外特性扭矩要高于小间隙的外特性扭矩，最大差值百分比约5%。

图 7. 发动机外特性扭矩

图 8. 发动机外特性扭矩变化率

5、总结

本文在对某四缸机型的阀系停缸机构进行动力学分析后，仿真结果中未出现飞脱和反跳的情况，表明该阀系机构可靠性满足动力学要求。此外，通过对比阀系驱动扭矩，确认了该阀系机构在停缸状态下的驱动扭矩要明显小于工作状态的驱动扭矩，能够有效降低阀系摩擦损失。最后，在对摇臂锁销间隙对气门升程的影响分析时发现，不同锁销间隙值气门升程的差异点主要在气门开启和关闭初期以及最大升程附近，升程最大差值为锁销间隙差值与摇臂比的乘积；性能仿真结果显示摇臂锁销大间隙时的外特性扭矩要高于小间隙时的外特性扭矩，说明摇臂锁销间隙会增加发动机的扭矩散差，这也间接体现了摇臂锁销间隙设计的重要性。