浅析柴油机配气机构的发展现状

浅析柴油机配气机构的发展现状

　　摘要:系统介绍了新技术和先进设计方法在柴油机配气机构设计中的应用，并就各种新技术对柴油机性能的影响进行了详尽分析，同时对配气机构的先进设计方法和传统设计方法的优缺点进行了综合比较。
　　关键词:柴油机 配气机构动态设计
　　配气机构对发动机性能具有重要影响。它的主要功能是实现柴油机的换气过程，根据气缸的工作次序，定时地开启和关闭进、排气门，以保证气缸吸人新鲜空气和排除废气’。在柴油机设计中，配气机构设计占有重要地位，其设计一质量不仅直接影响柴油机的技术性能、工作可靠性、耐久性和平稳性，而且还决定了发动机的结构紧凑性和制造、使用的成本，因此国内外对配气机构的研究都非常重视。
　　现今对柴油机的设计，一方面希望气门加速度较大，以使气门能够迅速开、关，从而得到较好的换气效果，以提高动力性和经济性;另一方面，希望载荷保持相对较小，以减少加速度，从而减少振动和噪声，延长使用寿命、2。随着计算数学和电子计算机在配气机构设计阶段的运用，通过选用不同的凸轮型线、包角、重叠角、气门直径、升程等参数，进行多种方案的计算，可从中选出最接近于所希望要求的方案，也可以通过设计参数的调整，从而获得接近于理想的充气效率和配气正时。目前，配气机构的研究在技术应用和设计方法上都取得了一定的进展。
　　1、技术应用
　　1.1顶置凸轮轴技术
　　顶置气门配气机构.可以增大发动机的充气系数，使燃烧室的结构更加紧凑，从而使发动机有较好的性能指标。顶置气门配气机构根据凸轮轴的放置位置可以分为下置型凸轮轴和顶置型凸轮轴。下置型凸轮轴配气机构会在高速运转时产生较大的惯性力、振动和噪声，消耗较大的动力。为了解决这一问题，顶置凸轮轴技术应运而生。顶置凸轮轴技术的一种方式是将凸轮轴置于气门上方，从而省去了推杆、挺柱;另一种形式是将顶置凸轮轴放于气门室罩内，凸轮直接作用于气门上，从而省去了摇臂。顶置凸轮轴能够保证高速时气门工作良好，零件惯性力较小，工作较为平稳可靠。
　　1.2多气门技术
　　配气机构改进的关键在于如何提供更多的新鲜空气，而增加气门数则是提高流通面积、增加充气系数最有效的方法之一。如用两个进气门代替一个进气门，流通截面增加30%-35%，可以大大改进充气系数，并提升内燃机功率。多气门内燃机还可以降低燃油消耗，减少排污。研究表明，4气门内燃机燃油耗比2气门内燃机燃油耗低6%-8%。因此，多气门技术已成为内燃机发展中的一个重要方向。
　　1.3可变配气正时
　　常规内燃机的配气相位是按内燃机性能要求，通过试验确定较为合适配气相位。为了在更大的曲轴转速范围内提高功率指标，降低燃料消耗，现代多气门内燃机气门开启相位可以改变，升程也可以改变，称作可变气门结构一。通过可变配气机构对配气过程进行调节和控制，在低、中转速时，活塞运动速度低，气流动力学特性较差，因而要求“缩小”相位重叠角，以减少混合气倒流，保证低、中转速时有较好的扭矩曲线形状，显著地降低燃油消耗率。在高转速时，活塞运动速度快，气流动力学特性好，因而要求“放大”相位重叠角，从而使废气排出彻底，进气充分，可相应增加内燃机扭矩。目前，可变气门正时配气系统大致可分为两种形式:一种称为可变凸轮相位的配气机构，另一种称为可变配气正时及气门升程的配气机构。
　　1.4创立性能优良的凸轮型线
　　随着计算数学发展和计算机技术的进步，凸轮型线已经从原来的几何型线过渡到函数型线，如多项式高次方凸轮、复合正弦一抛物线凸轮、复合摆线凸轮、多项动力凸轮、N次谐波凸轮以及分段函数凸轮等阎。这些凸轮型线的轮廓型线由连续变化的函数曲线所形成，其曲率半径的变化是连续的，因而挺柱和气门的加速度曲线甚至高阶导数连续，其加速度脉冲相对较小，一般不会发生惯性力突变现象，在柴油机高速运转时，可以减轻以至消除配气机构中接触件的脱离和弹跳现象，改善配气机构的动力性能，同时其时面值也足够大，对柴油机充气性能有很大改善。
　　2、设计方法
　　2.1由静态设计过渡到动态设计
　　在静态优化设计中，将配气机构看作绝对刚体，不考虑它在运动时的弹性变形，用该方法设计凸轮型线，主要用以下三项指标来判别其好坏:
　　(1)静态充气性能。通常用挺柱升程、丰满系数和时一面值来表示，希望此值越大越好。
　　(2)静态加速度峰值。即挺柱的最大正负加速度值。其绝对值越小，凸轮轴的高速动态性能越好。
　　(3)轮廓面最小曲率半径或凸轮与挺柱表面的接触应力。设计凸轮时，应避免凸轮曲率半径过小，否则会导致接触应力过大，使凸轮出现过早磨损。
　　用静态优化设计的凸轮，虽然加速度曲线不连续，配气机构惯性力可能会产生突变，时一面值较大5。但当柴油机转速上升时，配气机构的弹性变形会引起气门的剧烈振动，严重时会破坏气门的正常工作，产生飞脱和反跳，这不仅加剧了柴油机的振动、噪声和零件间的磨损，还会使充气效率下降，为了解决静态设计的不足，人们提出了动态设计的方法。在动态设计中，考虑到系统的弹性变形，气门在工作中会产生振动，影响配气机构动力性能和平稳睦，因此必须对配气机构在工作中的动态特性进行评估。在动态优化设计中，考虑弹性变形，把配气机构看成弹性系统，主要由下列指标来评价凸轮型线阎:
　　(1)气门的动态加速度峰值:根据单质点振动模型或多质点振动模型计算出最大加速度峰值和第一个负加速度峰谷，以及落座后的气门动态响应。
　　(2)动态充气性能:考虑进排气管压力波动、多缸机各缸的进气不均现象及配气相位对充气性能的影响。随着柴油机转速的提高，静态和动态充气性能的差别越来越大，这主要是由两部分因素引起的，一是当转速提高，吸气冲程时间缩短，进排气管压力波的动态响应增大;另外一方面气门发生脱离和反跳，破坏了正常的静态充气性能。
　　(3)挺柱与凸轮表面的动力润滑磨损情况以及气门头部的磨损情况。
　　2.2由孤立研究到系统研究
　　过去的配气机构设计，只单一研究凸轮，而没有考虑其他零部件产生的影响。由于配气机构是一个弹性系统，它由许许多多的零部件所组成，往往一个成功柴油机卜采用的凸轮应用于其他类型的柴油机上不一定效果会好，凸轮必须和整个配气机构系统结合在一起进行考虑，良好的凸轮设计也必须与系统的其他零部件正确匹配，才能达到希望的效果困。
　　为了准确研究配气机构的动态性能，了解气门的实际运动规律，在机构动力学仿真分析方面，目前已采用了多种分析模型。其中比较基础的是单自由度质量模型。它是将机构简化成由一个质点、弹簧及阻尼器组成的系统，它把机构的质量简化到一个质点上，把机构的弹性等加到一个等刚度无质量的弹簧上，阻尼等效到阻尼器上，该模型具有简单、方便等特点，可以满足一般的低、中速柴油机的要求，但由于把质量和刚度都等效到一个点上，不能求出机构各部件的运动和受力情况，不能判断机构零件之间是否发生飞脱，也无法得知弹簧的振动情况。为了克服单自由度模型存在的不足，发展了多自由度质量模型。多自由度质量模型具有比单自由度质量模型更为真实反映实际机构状况的优点，利用多自由度质量模型能精确地研究各传动部件的运动规律和受力情况，也能分析气门弹簧的振动情况。对于多自由度质量模型，最主要的问题是计算的复杂性，随着计算机技术的发展和广泛应用，各种商业配气机构软件的推广，多自由度质量模型已逐渐成为配气机构动力学建模的主要方式川。
　　2.3全面评价配气机构系统
　　随着设计要求的提高，在设计中需要考虑的因素越来越多，包括凸轮与挺柱间的接触应力，气门加速度与落座反跳，凸轮与从动件之间的飞脱，各零件之间的接触应力，气门弹簧受力，配气机构的振动、润滑特性、充气性能、平稳性及配气相位等，都必须顾及。由于可以选取的结构布置，特别是凸轮型线的种类越来越多，为了选取一个最优的设计方案，往往需要付出很大的工作量。现在，一种能在国内外市场竞争中具有生命力的机型，必须具有燃油消耗低、可靠性高、耐久性好、振动和噪声小、排放达到标准等优良品质，而这些均与配气机构的工作性能有着十分密切的关系，因此配气机构的设计一直受到内燃机工作者的广泛重视。
　　结合实际情况，全面评价配气机构系统必须按以下几种方法进行:
　　(1)正确合适的发动机性能模型，要求与实际相符的进排气管道数据，包括管道长度、管道内外径数据及管道弯角数据等，根据气门升程和曲轴相位的对应关系，研究配气相位变化对进排气系统的影响。
　　(2)良好的配气机构动力学研究模型。
　　(3)合适的凸轮型线设计和修改。
　　(4)重要接触件受力和热冲击的有限元分析。
　　3、结束语
　　柴油机配气机构的发展现状表明，柴油机配气机构的技术应用和先进设计方法都是以提高发动机性能，降低能耗和排放为最终目的，不论是多气门配气机构还是在此基础上演化而来的可变气门运动配气机构，还是设计方法从孤立研究凸轮到系统研究配气系统，其基本出发点都是在更大范围内使内燃机动力指标、经济指标和生态指标等达到最优。随着汽车电子技术的日新月异和计算数学方法的不断创新，柴油机配气机构将继续被不断优化和完善，进而使得柴油机的综合性能得到进一步提高。

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