淺析柴油機配氣機構的發(fā)展現(xiàn)狀
摘要:系統(tǒng)介紹了新技術和先進設計方法在柴油機配氣機構設計中的應用，并就各種新技術對柴油機性能的影響進行了詳盡分析，同時對配氣機構的先進設計方法和傳統(tǒng)設計方法的優(yōu)缺點進行了綜合比較。關鍵詞:柴油機 配氣機構動態(tài)設計
配氣機構對發(fā)動機性能具有重要影響。它的主要功能是實現(xiàn)柴油機的換氣過程，根據(jù)氣缸的工作次序，定時地開啟和關閉進、排氣門，以保證氣缸吸人新鮮空氣和排除廢氣’。在柴油機設計中，配氣機構設計占有重要地位，其設計一質(zhì)量不僅直接影響柴油機的技術性能、工作可靠性、耐久性和平穩(wěn)性，而且還決定了發(fā)動機的結構緊湊性和制造、使用的成本，因此國內(nèi)外對配氣機構的研究都非常重視。
現(xiàn)今對柴油機的設計，一方面希望氣門加速度較大，以使氣門能夠迅速開、關，從而得到較好的換氣效果，以提高動力性和經(jīng)濟性;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)學和電子計算機在配氣機構設計階段的運用，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，配氣機構的研究在技術應用和設計方法上都取得了一定的進展。
1、技術應用
1.1頂置凸輪軸技術
頂置氣門配氣機構.可以增大發(fā)動機的充氣系數(shù)，使燃燒室的結構更加緊湊，從而使發(fā)動機有較好的性能指標。頂置氣門配氣機構根據(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構會在高速運轉(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，頂置凸輪軸技術應運而生。頂置凸輪軸技術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
配氣機構改進的關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。如用兩個進氣門代替一個進氣門，流通截面增加30%-35%，可以大大改進充氣系數(shù)，并提升內(nèi)燃機功率。多氣門內(nèi)燃機還可以降低燃油消耗，減少排污。研究表明，4氣門內(nèi)燃機燃油耗比2氣門內(nèi)燃機燃油耗低6%-8%。因此，多氣門技術已成為內(nèi)燃機發(fā)展中的一個重要方向。
1.3可變配氣正時
常規(guī)內(nèi)燃機的配氣相位是按內(nèi)燃機性能要求，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，降低燃料消耗，現(xiàn)代多氣門內(nèi)燃機氣門開啟相位可以改變，升程也可以改變，稱作可變氣門結構一。通過可變配氣機構對配氣過程進行調(diào)節(jié)和控制，在低、中轉(zhuǎn)速時，活塞運動速度低，氣流動力學特性較差，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，活塞運動速度快，氣流動力學特性好，因而要求“放大”相位重疊角，從而使廢氣排出徹底，進氣充分，可相應增加內(nèi)燃機扭矩。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構，另一種稱為可變配氣正時及氣門升程的配氣機構。
1.4創(chuàng)立性能優(yōu)良的凸輪型線
隨著計算數(shù)學發(fā)展和計算機技術的進步，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、復合正弦一拋物線凸輪、復合擺線凸輪、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，在柴油機高速運轉(zhuǎn)時，可以減輕以至消除配氣機構中接觸件的脫離和彈跳現(xiàn)象，改善配氣機構的動力性能，同時其時面值也足夠大，對柴油機充氣性能有很大改善。
2、設計方法
2.1由靜態(tài)設計過渡到動態(tài)設計
在靜態(tài)優(yōu)化設計中，將配氣機構看作絕對剛體，不考慮它在運動時的彈性變形，用該方法設計凸輪型線，主要用以下三項指標來判別其好壞:
(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力。設計凸輪時，應避免凸輪曲率半徑過小，否則會導致接觸應力過大，使凸輪出現(xiàn)過早磨損。
用靜態(tài)優(yōu)化設計的凸輪，雖然加速度曲線不連續(xù)，配氣機構慣性力可能會產(chǎn)生突變，時一面值較大5。但當柴油機轉(zhuǎn)速上升時，配氣機構的彈性變形會引起氣門的劇烈振動，嚴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)設計的不足，人們提出了動態(tài)設計的方法。在動態(tài)設計中，考慮到系統(tǒng)的彈性變形，氣門在工作中會產(chǎn)生振動，影響配氣機構動力性能和平穩(wěn)睦，因此必須對配氣機構在工作中的動態(tài)特性進行評估。在動態(tài)優(yōu)化設計中，考慮彈性變形，把配氣機構看成彈性系統(tǒng)，主要由下列指標來評價凸輪型線閻:
(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加速度峰谷，以及落座后的氣門動態(tài)響應。
(2)動態(tài)充氣性能:考慮進排氣管壓力波動、多缸機各缸的進氣不均現(xiàn)象及配氣相位對充氣性能的影響。隨著柴油機轉(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，一是當轉(zhuǎn)速提高，吸氣沖程時間縮短，進排氣管壓力波的動態(tài)響應增大;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
過去的配氣機構設計，只單一研究凸輪，而沒有考慮其他零部件產(chǎn)生的影響。由于配氣機構是一個彈性系統(tǒng)，它由許許多多的零部件所組成，往往一個成功柴油機卜采用的凸輪應用于其他類型的柴油機上不一定效果會好，凸輪必須和整個配氣機構系統(tǒng)結合在一起進行考慮，良好的凸輪設計也必須與系統(tǒng)的其他零部件正確匹配，才能達到希望的效果困。
為了準確研究配氣機構的動態(tài)性能，了解氣門的實際運動規(guī)律，在機構動力學仿真分析方面，目前已采用了多種分析模型。其中比較基礎的是單自由度質(zhì)量模型。它是將機構簡化成由一個質(zhì)點、彈簧及阻尼器組成的系統(tǒng)，它把機構的質(zhì)量簡化到一個質(zhì)點上，把機構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，不能求出機構各部件的運動和受力情況，不能判斷機構零件之間是否發(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構狀況的優(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雜性，隨著計算機技術的發(fā)展和廣泛應用，各種商業(yè)配氣機構軟件的推廣，多自由度質(zhì)量模型已逐漸成為配氣機構動力學建模的主要方式川。
2.3全面評價配氣機構系統(tǒng)
隨著設計要求的提高，在設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力，氣門彈簧受力，配氣機構的振動、潤滑特性、充氣性能、平穩(wěn)性及配氣相位等，都必須顧及。由于可以選取的結構布置，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、排放達到標準等優(yōu)良品質(zhì)，而這些均與配氣機構的工作性能有著十分密切的關系，因此配氣機構的設計一直受到內(nèi)燃機工作者的廣泛重視。
結合實際情況，全面評價配氣機構系統(tǒng)必須按以下幾種方法進行:
(1)正確合適的發(fā)動機性能模型，要求與實際相符的進排氣管道數(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關系，研究配氣相位變化對進排氣系統(tǒng)的影響。
(2)良好的配氣機構動力學研究模型。
(3)合適的凸輪型線設計和修改。
(4)重要接觸件受力和熱沖擊的有限元分析。
3、結束語
柴油機配氣機構的發(fā)展現(xiàn)狀表明，柴油機配氣機構的技術應用和先進設計方法都是以提高發(fā)動機性能，降低能耗和排放為最終目的，不論是多氣門配氣機構還是在此基礎上演化而來的可變氣門運動配氣機構，還是設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)燃機動力指標、經(jīng)濟指標和生態(tài)指標等達到最優(yōu)。隨著汽車電子技術的日新月異和計算數(shù)學方法的不斷創(chuàng)新，柴油機配氣機構將繼續(xù)被不斷優(yōu)化和完善，進而使得柴油機的綜合性能得到進一步提高。
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