船用天然气发动机气门升程型线多目标优化研究
摘要
换气过程对发动机全负荷的转矩曲线、部分负荷时的燃油消耗率和排放以及发动机
的怠速质量具有很大影响。在发动机实际运行过程中，换气过程是由配气机构实现的，
气门升程型线是配气机构运行的控制文件，决定着发动机换气过程中的详细过程和具体
细节，结合发动机具体工作特性对气门升程型线进行优化设计对发动机性能提升具有重
要意义。目前，对于气门升程型线的优化要么只关注到配气机构的运动学性能，要么只
关注到发动机的输出特性，考虑并不全面。因此，本文以CHG622V20船用天然气发动
机为研究对象，综合考虑发动机输出特性和配气机构运动学特性，采用基于模型的发动
机系统优化方法对进排气门升程型线进行多目标优化设计研究。
首先，基于NI平台和Labview软件对发动机气缸压力采集系统进行开发和程序编
写，采用缸压曲线均值化和双向零位移滤波方法对测量获得的气缸压力数据处理，并对
不同工况下的放热率进行计算。然后，根据优化需求建立天然气发动机稳态和动态仿真
模型，利用试验获得的缸压曲线等数据对仿真模型进行标定和验证，为气门升程型线优
化提供基础。在模型满足精度要求的前提下，以负荷特性90.9%工况燃气消耗率和NOx
排放为优化目标，将试验结果构建为响应面数学模型，通过响应面分析表明该问题属于
多目标优化问题，结合遗传算法对其进行求解并决策。最后，根据无冲击凸轮函数设计
方法，对无冲击凸轮函数缓冲段和各工作段函数进行选择，将优化后的气门升程型线重
新设计并获得配气凸轮函数，对优化后各工况点的燃气消耗率和NOx排放结果分析。
最终优化结果表明：优化后的天然气发动机在90.9%负荷特性工况下燃气消耗率降低了
2.91%，NOx排放量降低了26.54%，发动机在中高负荷工况下燃气消耗率和NOx排放
量均降低，低工况下燃气消耗率反而升高、NOx排放变化微小。
本文从气门升程型线优化问题的特点出发，搭建相应的仿真模型，以该模型为基础
选择多个优化目标对气门升程型线进行优化，最后从凸轮设计理论和规则出发，将优化
后的气门升程型线重新设计并以函数的形式表示，在提高发动机经济性能和排放性能的
同时，兼顾到了气门升程型线运动学特性，为船用天然气发动机气门升程型线优化提供
一个参考和方法，具有重要的应用价值和实际意义。
关键词：天然气发动机；气门升程型线；多目标优化；无冲击函数凸轮
船用天然气发动机气门升程型线多目标优化研究
Abstract
Theairchangeprocesshasagreatinfluenceonthetorquecurveoftheengineatfullload,
thefuelconsumptionrateandemissionatpartialload,andtheidlequalityoftheengine.Inthe
actualoperationoftheengine,theairchangeprocessisrealizedbythevalvemechanism.The
valveliftprofileisthecontrolfileofthevalvemechanismoperation,whichdeterminesthe
detailedprocessandspecificdetailsintheengineairchangeprocess.Itisofgreatsignificance
tooptimizethedesignofthevalveliftprofilecombinedwiththespecificworking
characteristicsoftheenginetoimprovetheengineperformance.Atpresent,theoptimization
ofvalveliftprofileeitheronlyfocusesonthekinematicperformanc