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(jì)方法在柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并就各種新技術(shù)對(duì)柴油機(jī)性能的影響進(jìn)行了詳盡分析，同時(shí)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了綜合比較。關(guān)鍵詞:柴油機(jī) 配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)
配氣機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有重要影響。它的主要功能是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的換氣過(guò)程，根據(jù)氣缸的工作次序，定時(shí)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(jì)中，配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)占有重要地位，其設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊性和制造、使用的成本，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的研究都非常重視。
現(xiàn)今對(duì)柴油機(jī)的設(shè)計(jì)，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(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性;另一方面，希望載荷保持相對(duì)較小，以減少加速度，從而減少振動(dòng)和噪聲，延長(zhǎng)使用壽命、2。隨著計(jì)算數(shù)學(xué)和電子計(jì)算機(jī)在配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的運(yùn)用，通過(guò)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(jì)算，可從中選出最接近于所希望要求的方案，也可以通過(guò)設(shè)計(jì)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(shí)。目前，配氣機(jī)構(gòu)的研究在技術(shù)應(yīng)用和設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)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(huì)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的慣性力、振動(dòng)和噪聲，消耗較大的動(dòng)力。為了解決這一問(wèn)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(shí)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(gè)進(jìn)氣門代替一個(gè)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(gè)重要方向。
1.3可變配氣正時(shí)
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(guò)試驗(yàn)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(guò)可變配氣機(jī)構(gòu)對(duì)配氣過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，在低、中轉(zhuǎn)速時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度低，氣流動(dòng)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(shí)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(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度快，氣流動(dòng)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(shí)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(shí)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(jì)算數(shù)學(xué)發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，凸輪型線已經(jīng)從原來(lái)的幾何型線過(guò)渡到函數(shù)型線，如多項(xiàng)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(xiàng)動(dòng)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(duì)較小，一般不會(huì)發(fā)生慣性力突變現(xiàn)象，在柴油機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)力性能，同時(shí)其時(shí)面值也足夠大，對(duì)柴油機(jī)充氣性能有很大改善。
2、設(shè)計(jì)方法
2.1由靜態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)渡到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)
在靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將配氣機(jī)構(gòu)看作絕對(duì)剛體，不考慮它在運(yùn)動(dòng)時(shí)的彈性變形，用該方法設(shè)計(jì)凸輪型線，主要用以下三項(xiàng)指標(biāo)來(lái)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(shí)一面值來(lái)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(duì)值越小，凸輪軸的高速動(dòng)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(jì)凸輪時(shí)，應(yīng)避免凸輪曲率半徑過(guò)小，否則會(huì)導(dǎo)致接觸應(yīng)力過(guò)大，使凸輪出現(xiàn)過(guò)早磨損。
用靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生突變，時(shí)一面值較大5。但當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形會(huì)引起氣門的劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(dòng)、噪聲和零件間的磨損，還會(huì)使充氣效率下降，為了解決靜態(tài)設(shè)計(jì)的不足，人們提出了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的方法。在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中，考慮到系統(tǒng)的彈性變形，氣門在工作中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，影響配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能和平穩(wěn)睦，因此必須對(duì)配氣機(jī)構(gòu)在工作中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)估。在動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(lái)評(píng)價(jià)凸輪型線閻:
(1)氣門的動(dòng)態(tài)加速度峰值:根據(jù)單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)模型或多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)模型計(jì)算出最大加速度峰值和第一個(gè)負(fù)加速度峰谷，以及落座后的氣門動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
(2)動(dòng)態(tài)充氣性能:考慮進(jìn)排氣管壓力波動(dòng)、多缸機(jī)各缸的進(jìn)氣不均現(xiàn)象及配氣相位對(duì)充氣性能的影響。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)充氣性能的差別越來(lái)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(shí)間縮短，進(jìn)排氣管壓力波的動(dòng)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(dòng)力潤(rùn)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(guò)去的配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(gè)彈性系統(tǒng)，它由許許多多的零部件所組成，往往一個(gè)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(huì)好，凸輪必須和整個(gè)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(jì)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(dòng)態(tài)性能，了解氣門的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在機(jī)構(gòu)動(dòng)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(jiǎn)化成由一個(gè)質(zhì)點(diǎn)、彈簧及阻尼器組成的系統(tǒng)，它把機(jī)構(gòu)的質(zhì)量簡(jiǎn)化到一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，把機(jī)構(gòu)的彈性等加到一個(gè)等剛度無(wú)質(zhì)量的彈簧上，阻尼等效到阻尼器上，該模型具有簡(jiǎn)單、方便等特點(diǎn)，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(gè)點(diǎn)上，不能求出機(jī)構(gòu)各部件的運(yùn)動(dòng)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(wú)法得知彈簧的振動(dòng)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(shí)反映實(shí)際機(jī)構(gòu)狀況的優(yōu)點(diǎn)，利用多自由度質(zhì)量模型能精確地研究各傳動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和受力情況，也能分析氣門彈簧的振動(dòng)情況。對(duì)于多自由度質(zhì)量模型，最主要的問(wèn)題是計(jì)算的復(fù)雜性，隨著計(jì)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(dòng)力學(xué)建模的主要方式川。
2.3全面評(píng)價(jià)配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)
隨著設(shè)計(jì)要求的提高，在設(shè)計(jì)中需要考慮的因素越來(lái)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(dòng)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(dòng)、潤(rùn)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(lái)越多，為了選取一個(gè)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，往往需要付出很大的工作量�，F(xiàn)在，一種能在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)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(jì)一直受到內(nèi)燃機(jī)工作者的廣泛重視。
結(jié)合實(shí)際情況，全面評(píng)價(jià)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(dòng)機(jī)性能模型，要求與實(shí)際相符的進(jìn)排氣管道數(shù)據(jù)，包括管道長(zhǎng)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(duì)應(yīng)關(guān)系，研究配氣相位變化對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)的影響。
(2)良好的配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究模型。
(3)合適的凸輪型線設(shè)計(jì)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(yǔ)
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(jì)方法都是以提高發(fā)動(dòng)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(lái)的可變氣門運(yùn)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)，還是設(shè)計(jì)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(diǎn)都是在更大范圍內(nèi)使內(nèi)燃機(jī)動(dòng)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(jì)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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