摘 要

发动机可变气门正时是近年来被逐渐应用到轿车上的一种新技术，发动机采用可变气门正时可以提高进气充量，使充量系数增加，进而提高其动力性，这也是其最主要的成果之一，作为一种提高发动机节能环保性能的重要手段，在发动机上获得了广泛的应用。本文是针对某型1.6L汽油机双可变气门正时的设计、选型与仿真分析。本文主要介绍了可变气门正时技术的应用现状和发动机换气过程对其动力性的影响，可变气门正时技术特点以及工作过程和工作特性等。接着完成了进排气双可变气门正时机构的结构设计。准备工作完成后使用GT-Power对双可变气门正时机构进行仿真模型，通过模型仿真来检验气门升程与配气相位对汽油机性能的影响，最后对可变气门正时进行优化。

关键词：汽油机；气门正时；GT-Power;仿真模拟

Abstract

Engine variable valve timing is a new technology which is gradually applied to cars in recent years. Engine variable valve timing can improve the intake charge, increase the charge coefficient, and then improve its dynamic performance, which is also one of its most important achievements. As an important means to improve the energy-saving and environmental protection performance of engine, it has been widely used in the engine. This graduation project is aimed at the design, selection and simulation analysis of the dual variable valve timing of a 1.6L gasoline engine. This paper mainly introduces the application status of variable valve timing technology, the influence of engine air change process on its dynamic performance, the technical characteristics of variable valve timing, working process and working characteristics, etc. Then the formal structure design of the intake and exhaust double variable valve is completed. After the preparation, GT power is used to simulate the double variable valve timing mechanism [1], and the effect of valve lift and valve timing on the performance of gasoline engine is tested through the model simulation. Finally, the variable valve is formally optimized.

Key Words: Gasoline engine; valve timing; GT power; simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2研究现状 1

1.3本文研究内容 2

第2章 可变气门正时机构 3

2.1可变气门正时技术的特点 3

2.2可变气门正时技术的工作特性 3

2.3可变气门正时结构设计 6

2.4关键零部件设计 6

2.4.1 挺柱的设计 6

2.4.2 气门活塞与柱塞设计 7

2.5本章小结 8

第3章 可变气门发动机模型建立与仿真 9

3.1发动机基本参数 9

3.2 模型机的建立与仿真 9

3.2.1边界环境的建模 9

3.2.2进、排气管和进、排气道的建模 10

3.2.3进排气门建模 11

3.2.4气缸的建模 13

3.2.5喷油器建模 14

3.2.6曲轴箱的建模 15

3.2.7模型机的建成 17

3.2.8模型机的验证 17

3.3本章小结 20

第4章 仿真结果分析 22

4.1 进气相位对发动机性能的影响 22

4.1.1 进气相位对功率的影响 22

4.1.2 进气相位对扭矩的影响 23

4.1.3 进气相位对缸压的影响 24

4.1.4 进气相位对油耗的影响 25

4.2 排气相位对发动机性能的影响 25

4.2.1 排气相位对功率的影响 26

4.2.2 排气相位对扭矩的影响 27

4.2.3排气相位对缸压的影响 28

4.2.4排气相位对油耗的影响 29

4.3 气门升程对发动机性能的影响 30

4.3.1 气门升程对功率的影响 30

4.3.2 气门升程对扭矩的影响 31

4.3.3 气门升程对缸压的影响 32

4.3.4 气门升程对油耗的影响 33

4.4 可变气门正时优化分析 33

4.5 点火正时优化分析 34

4.6 本章小结 36

第5章 总结与展望 37

5.1总结 37

5.2展望 37

参考文献 38

致谢 40

附录 41

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着汽车的制造能力的和制造技术的提升，汽车开始进入越来越多人的生活，而因此带来的环境污染问题和能源短缺问题也在持续加重，对环境的要求和对排放的限制也越来越高，因此发动机的发展必须革新现有技术和创新发展新的技术^[4]。根据发动机的动力性需求,从结构设计和整体性能分析两个方面对换气过程进行研究,合理改变配气相位机构可在变工况时自动改变配气相位以增加充气效率,从而改善发动机的燃烧状况，且满足使用要求。并经过整机性能仿真分析对发动机结构进行改进,优化可变正时气门,达到设计要求。在新能源汽车兴起的时代下，对传统汽车的发展以及改良，既可以提高传统汽车的性能，又可满足人们对高性能汽车的需求，同时还能加速国内汽车的研发水平，对资源利用以及环境保护等方面都是有很大好处^[6]。发动机作为汽车的核心部件之一，其动力性能是汽车发展的前提和保障，因此对可变气门正时进行研究，使其升功率提高，每一工况下的进气和配气都达到最佳皆具有实用意义和研究价值。

1.2研究现状

国内外对于汽油机节能减排的研究体现在诸多方面，包括缸内直喷技术、涡轮增压技术、高压共轨、可变气门正时技术等。本文主要从可变气门正时技术方面展开论述，通过仿真模型的建立与分析对其进行研究。建立仿真模型可以更直观的研究双可变气门正时^[1]。Dhananjay Kumar Srivastava围绕着IC发动机的气体交换过程。传统的凸轮驱动气门系统已经使用了很长时间，本文讨论了它的工作原理，以及它的局限性及其对集成电路发动机性能和效率的影响。解释了使用节流阀进行负载控制时不可避免的泵送损耗的来源。概述了各种策略和方法用于商用车，以减少这种损失(可变气门正时和可变气门升程)，同时提供了一些洞察力，以工作的一些实验性的可变气门驱动系统。Jorrit Wronskia,b在2018年提出了一种用于火花点火发动机负载控制的连续可变气门正时(CVVT)系统，并与传统的节流控制发动机进行了比较分析。首先建立了理想过程的分析模型，研究了两种循环在部分负荷运行时的性能。然后，不可逆转的包括充电稀释效应和热损失在压缩和膨胀冲程被认为是接近一个更现实的发动机操作。在满负荷时，两个循环都达到了与奥托循环相对应的最大效率^[19]。Soo-Whang Baek提出了一种无刷直流电动机的形状优化设计方法电动连续可变气门正时（E-CVVT）系统，用于内燃机和混合动力汽车。设计旨在最大限度提高无刷直流电动机的最大转矩和额定效率，并使齿槽转矩最小。用有限元法计算了LHS法得到的采样点的特性分析。通过有限元分析和实验对比，验证了所提出的无刷直流电动机设计方法的有效性^[20]。

1.3本文研究内容

由此可见可变气门正时技术对于当前发动机的发展是至关重要、必不可少的组成部分。而如何为将一款发动机的气门开合角度找到最佳位置使其达到最佳进气和配气，就可以是发动机的动力性得到很大的提升^[2]。进气，燃烧，摩擦等参数是本文主要的研究方向。进气相关参数包括进气门推迟关闭角、进气门升程、气门开启时长（所占曲轴转角）等；燃烧相关参数包括气缸壁面、活塞、缸盖传热效率及设定温度、燃料燃烧速度、喷油量等；摩擦损失相关参数包括进气道摩擦损失、排气损失等。本毕业设计的目的是为某型1.6L汽油机设计一个双可变气门正时，并使用GT-Power对其建模仿真，之后对匹配结果进行评价，最后优化。

第2章 可变气门正时机构

2.1可变气门正时技术的特点

可变气门正时机构时发动机在生活中应用比较广泛，在他刚进入市场的时候，应用这项技术的车型他都有一个很大的问题，那就是噪声太大，当发动机启动后，发现他的噪声会有比较明显的提升^[8]。虽然有一部分人认为发动机噪声较大也不是一件坏事，但是在大部分人看来，巨大的噪声会对驾驶人的舒适性产生影响，但是随着时代的更新，现在大部分车型已经很好的控制了噪声的生成。增加充量系数、提高进气充量是发动机可变气门技术最大的优点，从而进一步提高发动机的功率跟扭矩^[9]。

通过学习可以明确了解到，一个好的配气相位对发动机的动力性、经济性都有非常大的影响，配气相位的好坏直接影响着发动机对新鲜空气的摄入量以及摄入时间，降低排气阻力，减少废气残留。这项技术的最大优点就是改变气门开度，从而改变最佳气门正时。为了提高发动机的各种工况下的最佳性能，尤其是动力性和经济型。通过不断地改进发明了发动机的可变装置使其动力性、经济型、排气污染都得到了改善^[10]。不过为了克服这些困难，做了很大的改变，由于传统汽油的的配气过程使一成不变的，他们所操作的只是对高低速工况下不同性能的一种折中，并不是最优解。而且不能够满足发动机不同工况下的最好的换气的要求。可变气门正时正好解决掉了这个困难，由于他在技术上的革新，他的出生就受到了广泛的应用^[11]。它通过与传统四缸发动机不一样的技术，在加入了可变两个字之后，它就可以通过不同工况而改变不同的配气相位。这样做的优点就是可以增加充气效率，改变其燃烧状况，提高发动机性能，也可以使排气污染适当的降低。从配气相位图可以看出，当活塞从上止点移动到下止点时，进气门会提前打开，延迟关闭。当发动机结束，活塞从BDC移动到TDC时，排气阀将提前打开并延迟关闭。这也是本次课题所主要讨论的地方^[12]。