内燃机配气机构优化设计

内燃机配气机构优化设计
摘要：配气机构作为内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。

随着内燃机高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。

配气凸轮型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。

关键词：内燃机配气机构优化设计凸轮型线
Abstrack：The valve train is one of zhe most important mechanisms in a internal combustion engine, whether the performance, emissions performance of the engine, as well as affecting the reliability and wear performances of the whole engine. Along with the requestsof the engine’s high power, super-speed,people demand a higher index. That is, when the engine runs under a high speed, it can still work steadily and dependably, which demand that the valve train system should have a high performance. Cam profile is the hard coreof the valve train, which design is one of the important ways to carry out valve train optimal design.
Key words: Internal-combustion engine,V alve train,Optimization design,Cam profile
1.绪言
当前，世界面临最严峻的挑战是能源和环境问题，“节约能源，保护环境”成为各个国家的重要发展战略。

内燃机是目前热效率最高的热力发动机，广泛应用于国民经济的各个领和部门，它所发出的功率占全世界所有动力装置总功率的90%左右，预计在今后相当长的时期内，内燃机因其特有的优势仍将处于不可替代的地位。

配气机构是内燃机的重要组成部分。

它的功能是实现换气过程，即根据气缸的工作次序，定时地开启和关闭进、排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排除燃烧废气。

一台内燃机的经济性能是否优越，工作是否可靠，噪音与振动能否控制在较低的限度，常常与其配气机构设计是否合理有密切关系。

配气机构在实际工作过程中会产生弹性振动，一般不能将配气机构看作绝对刚体来考虑。

在考虑构件弹性变形情况下，计算气门及其传动构件的真实运动情况和受力情况。

动力学计算，是根据作用在弹性系统中各构件上力的平衡关系，考虑系统中的阻尼、间隙、脱离、落座等各种因素，建立气门运动微分方程来求解一定转速下气门的真实运动情况。

在高速发动机中，气门弹簧颤振常常会造成系统脱离、噪声及弹簧断裂等问题。

多质量动力计算将气门弹簧考虑到质量弹性系统中去，这为深入地研究配气机构的运动，设计良好的凸轮廓线提供了有效的方法。

为了进行配气机构动力学特性分析，需将配气机构作必要的简化，建立配气机构的动力学模型。

简化模型必须选择恰当，才能获得可靠的计算结果。

可以将配气机构看作是一组无重量的弹簧和集中质量相互联系组成的系统。

在简化过程中，可以把位于挺柱一侧的构件质量和刚度转换到气门一侧。

2.内燃机配气机构的动力学计算
通常采用单自由度或多自由度的质量一弹簧模型。

从理论上说多自由度模型比较精确，但在实际计算中工作量太大，而且某些系数很难精确测定;而单自由度模型由于刚度阻尼等参数容易获得，分析气门位移、速度、加速度等运动规律比较合适，而且单质量模型的方程也比较简单。

这里详细分析单自由度动力学模型的计算方法。

配气机构单自由度模型，将气门的运动简化成一个集中质量M 的运述，M 包含有气门质量以及其它传动零件换算到气门处的质量。

结合图示的下置式配气机构结构形式，有：
22221/3//M M M M M M L M L =+++++气门弹簧盘+卡块气门弹簧
摇臂推杆挺柱(2-1)
图（1）
M 的一端通过刚度为C 的气门弹簧与气缸盖相连，而另一端联结一假想的刚度为C 的“弹簧”，此“弹簧”的上端则由“当量凸轮”直接控制。

由公式(2-1)可以推出，气门的运动规律与挺柱运动规律之伺的关系。

这里假设作用在集中质量M 上的外力总和为F ，则 22/F ma Md y dt ==
式中M 为集中质量，山为凸轮转角速度，外力F 包括:
① 配气机构弹性恢复力
h F CJ =
② 气门弹簧的弹力
"()t F C y =-⋅∂
结合建立的动力学模型，可以分析系统脱离、气门落座、气门反跳等情况。

明确配气机构动力学特性。

3.参数设置
配气机构计算模型需要设置的参数包括结构参数，边界条件(初始条件及边界条件)，还有单元的刚度、质量及阻尼等参数。

结构参数由图纸即可查到。

边界条件由发动机的特性获得。

刚度、质量等参数需要通过三维模型及有限元软件分析获得，也可以通过实测方法获得。

阻尼参数一般根据TYCON 软件参数推荐值选取28。

这里主要介绍一下相关单元质量及刚度参数获得方法。

配气机构实验方法
1）配气机构动态测试
建立配气机构动态性能测试平台，进行发动机配气机构动态性能测试，对采集到的动态信号进行分析处理，进一步分析配气机构的工作特性3slH551。

配气机构动态性能测试包括配气机构气门加速度信号、位移信号、瞬时转速和上止点信号的采集，也包括采集发动机的一些稳态参数，如压力和温度等。

配气机构动态测试实验的目的是为了得到配气机构的动态信号，以分析配
气机构的工作状态。

为了真实地了解配气机构的性能，需要知道的参数有气门加速度、速度、位移等动态信号。

由于发动机内部空间的大小因素及考虑到传感器的布置问题，可以只测量加速度、速度、位移中的加速度和位移信号或者其中一种。

而速度则可以通过加速度或位移通过微分或积分得到。

转角编码器则是用来测量发动机曲轴的瞬时转速及确定上止信号.
2)配气机构受力测试
测试配气机构相关部件的受力，分析配气机构受力情况，与模拟进行对比，验证配气机构模拟计算的有效性。

根据配气机构的结构，选取配气机构中相关部件，如推杆、摇臂等在其相应的部件粘贴应变片，先进行标定，然后进行台架测试，通过测量应变来确 部件受力情况。

3）发动机台架功率及可靠性试验
在凸轮型线改进设计、试制完成以后，在发动机台架上进行了发动机性能可靠性试验。

进行总功率试验，考察最大功率和最大扭矩是否达到设计值标准，若不够想，则需要对原设计进行一些调整。

在对配气相位做细微调整的同时，又对气管等对充气性能有影响的部位做了适当的修改。

保证总功率指标完全达到
设计要求。

在总功率试验后，进行发动机耐久性考核，考察配气机构性能的稳定性，作平稳性，
以及主要摩擦副凸轮与挺柱的磨损情况是否正常。

配气机构动态性能测试和配气机构受力测试分别从不同角度通过试验的方验证模拟计算模型及计算的有效性，主要用于设计过程中评价模型的准确性及验证设计的合理性。

而发动机总功率试验及可靠性试验则是用于设计完成时，总体评价和考核的。

4.总结
通过配气机构的模拟计算及实验测试，在配气机构计算和测试本身以及模拟计算和实验测试方法方面都取得了一些结论和经验:
)l配气机构进气部分模拟计算结果表明，原进气凸轮型线方案下，进气部分气门升程丰满系数不高;凸轮与挺柱间最大接触应力略有超过凸轮与挺柱材料允许的接触应力范围;凸轮与挺柱间油膜润滑系数在理想的范围内，润滑效果较好:气门落座平稳无反跳，弹簧无并圈现象.由此可见，进气部分比较合理，从性能优化角度来看，充气性能有待提高，并且凸轮与挺柱间接触应力有待降低，需要通过配气凸轮型线改进设计来实现。

2)排气部分模拟计算结果表明，原排气凸轮型线方案下，排气部分气门升程丰满系数也不高;凸轮与挺柱间最大接触应力超过材料允许的范围;凸轮与挺柱间油膜润滑系数不在理想范围之内，润滑效果不好;气门落座平稳无反跳，弹簧无并圈现象。

由此可见，从性能优化角度来看，气门升程丰满系数有待提高，凸轮与挺柱间接触应力和润滑效果有待改善，需要通过配气凸轮型线改进设计来实现。

3)进行配气凸轮型线改进设计，分析了配气凸轮型线设计的主要影响因素及趋势，并提出了优化的进、排气凸轮型线方案，在新的型线方案下，进气部分在凸轮与挺柱接触应力方面、凸轮与挺柱油膜润滑效果方面均在理想范围，进气部分综合性能好:排气部分在新的型线方案下，凸轮与挺柱间接触应力及润滑有较好的改善，排气部分综合性能较好。

4)由配气机构受力测试结果可以看出，测试部件受力计算与试验测试具有一致性。

配气机构受力测试实验验证了模拟计算的有效性和配气凸轮型线设计方法的可行性。

5)配气机构模拟计算及测试实验结果表明，配气机构模拟计算方法在获取准确的结构参数及边界条件前提下，是进行配气机构性能分析及优化设计的有效手段。

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