淺析柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　摘要:系統(tǒng)介紹了新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)計方法在柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，并就各種新技術(shù)對柴油機(jī)性能的影響進(jìn)行了詳盡分析，同時對配氣機(jī)構(gòu)的先進(jìn)設(shè)計方法和傳統(tǒng)設(shè)計方法的優(yōu)缺點進(jìn)行了綜合比較。
　　關(guān)鍵詞:柴油機(jī) 配氣機(jī)構(gòu)動態(tài)設(shè)計
　　配氣機(jī)構(gòu)對發(fā)動機(jī)性能具有重要影響。它的主要功能是實現(xiàn)柴油機(jī)的換氣過程，根據(jù)氣缸的工作次序，定時地開啟和關(guān)閉進(jìn)、排氣門，以保證氣缸吸人新鮮空氣和排除廢氣’。在柴油機(jī)設(shè)計中，配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計占有重要地位，其設(shè)計一質(zhì)量不僅直接影響柴油機(jī)的技術(shù)性能、工作可靠性、耐久性和平穩(wěn)性，而且還決定了發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊性和制造、使用的成本，因此國內(nèi)外對配氣機(jī)構(gòu)的研究都非常重視。
　　現(xiàn)今對柴油機(jī)的設(shè)計，一方面希望氣門加速度較大，以使氣門能夠迅速開、關(guān)，從而得到較好的換氣效果，以提高動力性和經(jīng)濟(jì)性;另一方面，希望載荷保持相對較小，以減少加速度，從而減少振動和噪聲，延長使用壽命、2。隨著計算數(shù)學(xué)和電子計算機(jī)在配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計階段的運(yùn)用，通過選用不同的凸輪型線、包角、重疊角、氣門直徑、升程等參數(shù)，進(jìn)行多種方案的計算，可從中選出最接近于所希望要求的方案，也可以通過設(shè)計參數(shù)的調(diào)整，從而獲得接近于理想的充氣效率和配氣正時。目前，配氣機(jī)構(gòu)的研究在技術(shù)應(yīng)用和設(shè)計方法上都取得了一定的進(jìn)展。
　　1、技術(shù)應(yīng)用
　　1.1頂置凸輪軸技術(shù)
　　頂置氣門配氣機(jī)構(gòu).可以增大發(fā)動機(jī)的充氣系數(shù)，使燃燒室的結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而使發(fā)動機(jī)有較好的性能指標(biāo)。頂置氣門配氣機(jī)構(gòu)根據(jù)凸輪軸的放置位置可以分為下置型凸輪軸和頂置型凸輪軸。下置型凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)會在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較大的慣性力、振動和噪聲，消耗較大的動力。為了解決這一問題，頂置凸輪軸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。頂置凸輪軸技術(shù)的一種方式是將凸輪軸置于氣門上方，從而省去了推桿、挺柱;另一種形式是將頂置凸輪軸放于氣門室罩內(nèi)，凸輪直接作用于氣門上，從而省去了搖臂。頂置凸輪軸能夠保證高速時氣門工作良好，零件慣性力較小，工作較為平穩(wěn)可靠。
　　1.2多氣門技術(shù)
　　配氣機(jī)構(gòu)改進(jìn)的關(guān)鍵在于如何提供更多的新鮮空氣，而增加氣門數(shù)則是提高流通面積、增加充氣系數(shù)最有效的方法之一。如用兩個進(jìn)氣門代替一個進(jìn)氣門，流通截面增加30%-35%，可以大大改進(jìn)充氣系數(shù)，并提升內(nèi)燃機(jī)功率。多氣門內(nèi)燃機(jī)還可以降低燃油消耗，減少排污。研究表明，4氣門內(nèi)燃機(jī)燃油耗比2氣門內(nèi)燃機(jī)燃油耗低6%-8%。因此，多氣門技術(shù)已成為內(nèi)燃機(jī)發(fā)展中的一個重要方向。
　　1.3可變配氣正時
　　常規(guī)內(nèi)燃機(jī)的配氣相位是按內(nèi)燃機(jī)性能要求，通過試驗確定較為合適配氣相位。為了在更大的曲軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高功率指標(biāo)，降低燃料消耗，現(xiàn)代多氣門內(nèi)燃機(jī)氣門開啟相位可以改變，升程也可以改變，稱作可變氣門結(jié)構(gòu)一。通過可變配氣機(jī)構(gòu)對配氣過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，在低、中轉(zhuǎn)速時，活塞運(yùn)動速度低，氣流動力學(xué)特性較差，因而要求“縮小”相位重疊角，以減少混合氣倒流，保證低、中轉(zhuǎn)速時有較好的扭矩曲線形狀，顯著地降低燃油消耗率。在高轉(zhuǎn)速時，活塞運(yùn)動速度快，氣流動力學(xué)特性好，因而要求“放大”相位重疊角，從而使廢氣排出徹底，進(jìn)氣充分，可相應(yīng)增加內(nèi)燃機(jī)扭矩。目前，可變氣門正時配氣系統(tǒng)大致可分為兩種形式:一種稱為可變凸輪相位的配氣機(jī)構(gòu)，另一種稱為可變配氣正時及氣門升程的配氣機(jī)構(gòu)。
　　1.4創(chuàng)立性能優(yōu)良的凸輪型線
　　隨著計算數(shù)學(xué)發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，凸輪型線已經(jīng)從原來的幾何型線過渡到函數(shù)型線，如多項式高次方凸輪、復(fù)合正弦一拋物線凸輪、復(fù)合擺線凸輪、多項動力凸輪、N次諧波凸輪以及分段函數(shù)凸輪等閻。這些凸輪型線的輪廓型線由連續(xù)變化的函數(shù)曲線所形成，其曲率半徑的變化是連續(xù)的，因而挺柱和氣門的加速度曲線甚至高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，其加速度脈沖相對較小，一般不會發(fā)生慣性力突變現(xiàn)象，在柴油機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，可以減輕以至消除配氣機(jī)構(gòu)中接觸件的脫離和彈跳現(xiàn)象，改善配氣機(jī)構(gòu)的動力性能，同時其時面值也足夠大，對柴油機(jī)充氣性能有很大改善。
　　2、設(shè)計方法
　　2.1由靜態(tài)設(shè)計過渡到動態(tài)設(shè)計
　　在靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計中，將配氣機(jī)構(gòu)看作絕對剛體，不考慮它在運(yùn)動時的彈性變形，用該方法設(shè)計凸輪型線，主要用以下三項指標(biāo)來判別其好壞:
　　(1)靜態(tài)充氣性能。通常用挺柱升程、豐滿系數(shù)和時一面值來表示，希望此值越大越好。
　　(2)靜態(tài)加速度峰值。即挺柱的最大正負(fù)加速度值。其絕對值越小，凸輪軸的高速動態(tài)性能越好。
　　(3)輪廓面最小曲率半徑或凸輪與挺柱表面的接觸應(yīng)力。設(shè)計凸輪時，應(yīng)避免凸輪曲率半徑過小，否則會導(dǎo)致接觸應(yīng)力過大，使凸輪出現(xiàn)過早磨損。
　　用靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計的凸輪，雖然加速度曲線不連續(xù)，配氣機(jī)構(gòu)慣性力可能會產(chǎn)生突變，時一面值較大5。但當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升時，配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形會引起氣門的劇烈振動，嚴(yán)重時會破壞氣門的正常工作，產(chǎn)生飛脫和反跳，這不僅加劇了柴油機(jī)的振動、噪聲和零件間的磨損，還會使充氣效率下降，為了解決靜態(tài)設(shè)計的不足，人們提出了動態(tài)設(shè)計的方法。在動態(tài)設(shè)計中，考慮到系統(tǒng)的彈性變形，氣門在工作中會產(chǎn)生振動，影響配氣機(jī)構(gòu)動力性能和平穩(wěn)睦，因此必須對配氣機(jī)構(gòu)在工作中的動態(tài)特性進(jìn)行評估。在動態(tài)優(yōu)化設(shè)計中，考慮彈性變形，把配氣機(jī)構(gòu)看成彈性系統(tǒng)，主要由下列指標(biāo)來評價凸輪型線閻:
　　(1)氣門的動態(tài)加速度峰值:根據(jù)單質(zhì)點振動模型或多質(zhì)點振動模型計算出最大加速度峰值和第一個負(fù)加速度峰谷，以及落座后的氣門動態(tài)響應(yīng)。
　　(2)動態(tài)充氣性能:考慮進(jìn)排氣管壓力波動、多缸機(jī)各缸的進(jìn)氣不均現(xiàn)象及配氣相位對充氣性能的影響。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，靜態(tài)和動態(tài)充氣性能的差別越來越大，這主要是由兩部分因素引起的，一是當(dāng)轉(zhuǎn)速提高，吸氣沖程時間縮短，進(jìn)排氣管壓力波的動態(tài)響應(yīng)增大;另外一方面氣門發(fā)生脫離和反跳，破壞了正常的靜態(tài)充氣性能。
　　(3)挺柱與凸輪表面的動力潤滑磨損情況以及氣門頭部的磨損情況。
　　2.2由孤立研究到系統(tǒng)研究
　　過去的配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計，只單一研究凸輪，而沒有考慮其他零部件產(chǎn)生的影響。由于配氣機(jī)構(gòu)是一個彈性系統(tǒng)，它由許許多多的零部件所組成，往往一個成功柴油機(jī)卜采用的凸輪應(yīng)用于其他類型的柴油機(jī)上不一定效果會好，凸輪必須和整個配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)合在一起進(jìn)行考慮，良好的凸輪設(shè)計也必須與系統(tǒng)的其他零部件正確匹配，才能達(dá)到希望的效果困。
　　為了準(zhǔn)確研究配氣機(jī)構(gòu)的動態(tài)性能，了解氣門的實際運(yùn)動規(guī)律，在機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真分析方面，目前已采用了多種分析模型。其中比較基礎(chǔ)的是單自由度質(zhì)量模型。它是將機(jī)構(gòu)簡化成由一個質(zhì)點、彈簧及阻尼器組成的系統(tǒng)，它把機(jī)構(gòu)的質(zhì)量簡化到一個質(zhì)點上，把機(jī)構(gòu)的彈性等加到一個等剛度無質(zhì)量的彈簧上，阻尼等效到阻尼器上，該模型具有簡單、方便等特點，可以滿足一般的低、中速柴油機(jī)的要求，但由于把質(zhì)量和剛度都等效到一個點上，不能求出機(jī)構(gòu)各部件的運(yùn)動和受力情況，不能判斷機(jī)構(gòu)零件之間是否發(fā)生飛脫，也無法得知彈簧的振動情況。為了克服單自由度模型存在的不足，發(fā)展了多自由度質(zhì)量模型。多自由度質(zhì)量模型具有比單自由度質(zhì)量模型更為真實反映實際機(jī)構(gòu)狀況的優(yōu)點，利用多自由度質(zhì)量模型能精確地研究各傳動部件的運(yùn)動規(guī)律和受力情況，也能分析氣門彈簧的振動情況。對于多自由度質(zhì)量模型，最主要的問題是計算的復(fù)雜性，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各種商業(yè)配氣機(jī)構(gòu)軟件的推廣，多自由度質(zhì)量模型已逐漸成為配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)建模的主要方式川。
　　2.3全面評價配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)
　　隨著設(shè)計要求的提高，在設(shè)計中需要考慮的因素越來越多，包括凸輪與挺柱間的接觸應(yīng)力，氣門加速度與落座反跳，凸輪與從動件之間的飛脫，各零件之間的接觸應(yīng)力，氣門彈簧受力，配氣機(jī)構(gòu)的振動、潤滑特性、充氣性能、平穩(wěn)性及配氣相位等，都必須顧及。由于可以選取的結(jié)構(gòu)布置，特別是凸輪型線的種類越來越多，為了選取一個最優(yōu)的設(shè)計方案，往往需要付出很大的工作量。現(xiàn)在，一種能在國內(nèi)外市場競爭中具有生命力的機(jī)型，必須具有燃油消耗低、可靠性高、耐久性好、振動和噪聲小、排放達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)良品質(zhì)，而這些均與配氣機(jī)構(gòu)的工作性能有著十分密切的關(guān)系，因此配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計一直受到內(nèi)燃機(jī)工作者的廣泛重視。
　　結(jié)合實際情況，全面評價配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)必須按以下幾種方法進(jìn)行:
　　(1)正確合適的發(fā)動機(jī)性能模型，要求與實際相符的進(jìn)排氣管道數(shù)據(jù)，包括管道長度、管道內(nèi)外徑數(shù)據(jù)及管道彎角數(shù)據(jù)等，根據(jù)氣門升程和曲軸相位的對應(yīng)關(guān)系，研究配氣相位變化對進(jìn)排氣系統(tǒng)的影響。
　　(2)良好的配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)研究模型。
　　(3)合適的凸輪型線設(shè)計和修改。
　　(4)重要接觸件受力和熱沖擊的有限元分析。
　　3、結(jié)束語
　　柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀表明，柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的技術(shù)應(yīng)用和先進(jìn)設(shè)計方法都是以提高發(fā)動機(jī)性能，降低能耗和排放為最終目的，不論是多氣門配氣機(jī)構(gòu)還是在此基礎(chǔ)上演化而來的可變氣門運(yùn)動配氣機(jī)構(gòu)，還是設(shè)計方法從孤立研究凸輪到系統(tǒng)研究配氣系統(tǒng)，其基本出發(fā)點都是在更大范圍內(nèi)使內(nèi)燃機(jī)動力指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)等達(dá)到最優(yōu)。隨著汽車電子技術(shù)的日新月異和計算數(shù)學(xué)方法的不斷創(chuàng)新，柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)將繼續(xù)被不斷優(yōu)化和完善，進(jìn)而使得柴油機(jī)的綜合性能得到進(jìn)一步提高。

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