Adams三缸发动机仿真

      我们在初中物理就学过四冲程发动机的工作原理：首先是吸气冲程，吸气气门打开，活塞往下运动，空气吸入；然后活塞旋转180°后往上运动，对空气和燃油进行压缩，该过程为压缩冲程，进出气门都关闭，活塞在旋转到360°左右时燃油燃烧；然后推动活塞往下运动，为做功冲程，进出气门关闭；540°时，进入排气冲程，排气气门打开，将燃烧的废气排出。整个过程活塞旋转720度，完成四个冲程。下图为四个冲程的过程：

图1.四冲程过程

       本文以三缸发动机为例，基于Adams建立模型来模拟发动机的工作原理及过程。三缸发动机根据曲轴角度有不同的形式：

a.180°曲轴夹角:中间活塞曲轴与左右两个活塞曲轴相差180°，也就是两侧活塞同上同下，点火间隔为180°~180°~360°；

b.120°曲轴夹角:也就是每个曲柄相隔120°，侧视图类似奔驰的标志，点火间隔为：240°~240°~240°；

c.T形曲轴，点火间隔为180°~270°~270°。

       市面上大多数三缸发动机为第二种，因此本文基于进行模型的建立和仿真。仿真结果动图如下所示：

图2.adams三缸发动机仿真动图

     三缸发动机主要由曲轴、连杆、活塞、气门、进排气凸轮轴、气门弹簧、气门摇臂组成，具体结构见图3，图中为已经建立好的三缸发动机动力学模型

图3.三缸发动机结构图

      从上图可以看到曲轴呈120°角分布，由于气缸完整的四个冲程需要曲轴旋转720°，而每旋转720°，每个气缸对应的进排气气门完成一次循环，所以进排气凸轮轴与曲轴旋转角度之比为1：2，由此可以建立相应的耦合关系。同时由于三个缸的点火顺序不同，因此对应的凸轮轴凸轮之间也有一定的相位关系，并且气门的初始位置也需要与之对应，见图4：

图4.进排气凸轮以及三缸气门

a.连接关系建立：

      通过图2以及图3已经了解到三缸发动机的结构及运动情况，由此对各部分结构建立连接关系：

旋转副：曲轴与大地(发动机机身)、连杆与活塞、连杆与曲轴、进排气凸轮轴与大地(发动机机身)、气门摇臂与大地(发动机机身)；

圆柱副或平移副：气门连杆与大地、气门与大地

接触关系建立：发动机在运动过程中，进排气凸轮轴旋转与气门连杆接触，从而使气门连杆上下移动，然后气门连杆带动气门摇臂，气门摇臂再推动气门实现气门的开闭。所以相应的接触关系为：进排气凸轮轴与气门连杆、气门连杆与气门摇臂、气门摇臂与气门。在建立接触关系时采用较小的接触刚度和稍大的接触阻尼，防止结构在接触运动过程中轻微振动。

图5.接触关系建立

弹簧力建立：当气门摇臂往下压时，气门会向下运动实现开启，而摇臂复原时，气门也应自动回位，所以在气门与大地间(发动机机体)建立弹簧。为了能够使气门回位，需要设置弹簧的预载，也就是在初始状态及气门打开的过程中，气门一直受到拉力：

图6.弹簧力设置

耦合关系建立：前面我们已经说明了进排气凸轮轴与曲轴的转速比为1：2，且他们旋转方向相反，由此建立耦合副，见图7，两个JOINT分别为两轴与大地间的旋转副:

图7.耦合副建立

b.载荷建立建立：

      发动机在运行过程中动力源为燃油燃烧产生的爆发压力，压力曲线见图8(查找相关资料获得，并非与该发动机匹配)，从图中可以看出在0°时，活塞达到最顶端，燃油燃烧，压力暴增，同时在图中可以0°为界，右侧的面积大于左侧，而该面积可近似看成燃气做功：

图8.曲轴转角与气缸压力值关系

       然后基于图8，提取曲线数据，将数据在excel中编辑：

图9.数据提取

      在发动机仿真中，载荷的施加就是基于图9的曲线，因此在Adams中建立角度与气压的样条曲线，具体如下：

图10.建立样条曲线

       然后根据点火顺序调整其他两个缸的载荷曲线：

图11.其他两缸载荷样条曲线

角度测量函数建立：由于上面的载荷曲线是基于曲轴角度的，所以在曲轴上建立曲轴的旋转角度函数，并且由于载荷曲线的周期是720°，所以修改角度测量函数，建立两个720°的周期，具体如下：

图12.角度测量函数建立

单点力载荷建立：在活塞中心建立向下的单点力，而单点力采用样条曲线，其中变量为角度测量函数，样条曲线为前面建立的载荷曲线：

图13.载荷建立

       我们小时经常会见到拖拉机上的发动机摇把，通过摇把将发动机启动，所以在Adams模型里面也加一个恒定力矩以启动发动机：

图14.启动力矩建立

然后提交仿真计算：

      下图红色曲线是单纯启动力矩的作用下，活塞速度的曲线，而蓝色曲线为施加气缸内载荷压力后的仿真曲线，明显可以看到曲线的相位提前，幅值变大，也就是说明燃烧气体使发动机转速逐渐提升。

     以上就完成了三缸发动机的仿真，如需相关Adams模型可联系作者。