天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪型線的改進(jìn)設(shè)計(jì)

鄭清平，張玲玲，張盼盼，黎 明，王 瑾

（河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

0 前言

配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其工作的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程，與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性密切相關(guān)[1-3].配氣機(jī)構(gòu)研究包括兩方面的內(nèi)容：1）零部件的設(shè)計(jì)，包括凸輪型線、氣門搖臂、氣門彈簧及氣門等零部件的設(shè)計(jì)，其中凸輪型線的設(shè)計(jì)尤為重要；2）機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題[4-5].本文利用EXCITETIM INGDRIVE軟件建立了某天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，首先分析其是否存在落座沖擊大、反跳、飛脫、接觸應(yīng)力過(guò)大等配氣機(jī)構(gòu)問(wèn)題，然后通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)凸輪緩沖段和工作段型線，解決存在的問(wèn)題，最終使發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到一定的改善.

1 配氣機(jī)構(gòu)模型的建立

該天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用下置式凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)主要包括凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂、氣門橋、進(jìn)、排氣門以及氣門內(nèi)外彈簧.單閥系計(jì)算模型如圖1所示.

該發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)模型中，需要的參數(shù)包括各個(gè)零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)、單元的剛度、阻尼以及質(zhì)量等.為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，單元的剛度通過(guò)有限元計(jì)算獲得，其質(zhì)量通過(guò)PROE軟件獲得.

2 原進(jìn)、排氣凸輪型線的評(píng)價(jià)

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果

在計(jì)算模型中導(dǎo)入原發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣凸輪升程曲線，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬.通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬，得到配氣機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，主要性能參數(shù)如表2所示.

豐滿系數(shù)反映了發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率，豐滿系數(shù)較大能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣性能，使發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能進(jìn)氣，但是過(guò)大的豐滿系數(shù)會(huì)影響配氣機(jī)構(gòu)的可靠性和平穩(wěn)性，為了獲得良好的充氣效率，一般要求豐滿系數(shù)不低于0.55，原發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門的豐滿系數(shù)為0.53，有待提高.凸輪與挺柱間的潤(rùn)滑系數(shù)反映了其潤(rùn)滑性能的好壞，一般要求最小潤(rùn)滑系數(shù),即在凸輪桃尖附近，潤(rùn)滑系數(shù)為0.15～0.3.原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣凸輪與挺柱之間潤(rùn)滑系數(shù)都在范圍內(nèi)，其潤(rùn)滑性能良好.凸輪與挺柱的材料分別是球墨鑄鐵和鋼，其最大的許用應(yīng)力為650 MPa，排氣門凸輪與挺柱間接觸力大于許用應(yīng)力值，增加了零件間的磨損，縮短了零件的使用壽命.加速度躍度是反映從動(dòng)件振動(dòng)響應(yīng)的重要指標(biāo)，為了減少振動(dòng)，一般要求最大躍度值不超過(guò)1 000mm/rad3.

圖1 計(jì)算模型Fig.1 The calculationmodel

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Themain technicalparameters

表2 主要性能參數(shù)Tab.2 Themain performance parameters

2.2 原配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)結(jié)果分析

該發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速2 500 r/m in時(shí)，其氣門升程、凸輪與挺柱間的接觸應(yīng)力以及落座情況如圖2～圖4所示.從圖中可以看出，排氣門存在早關(guān)的現(xiàn)象，其關(guān)閉不平穩(wěn).排氣門的接觸應(yīng)力過(guò)大，超過(guò)許用范圍，增加了凸輪桃尖處的磨損.在氣門落座時(shí)，落座力突然增大，其落座不平穩(wěn)，沖擊力較大，在氣門落座之后出現(xiàn)落座力為0的情況，說(shuō)明氣門存在反跳的現(xiàn)象.

3 凸輪型線的改進(jìn)設(shè)計(jì)

配氣凸輪由3段組成，其中包括：基圓、挺柱上升段和挺柱下降段，其中上升段和下降段又分別由緩沖段和工作段組成[6].根據(jù)原進(jìn)、排氣配氣機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題，對(duì)凸輪型線的緩沖段和工作段進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì).

由于原氣門落座沖擊加大，考慮到配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)性以及配氣機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇梯形函數(shù)作為新凸輪型線緩沖段.氣門間隙為0.3，氣門緩沖段高度設(shè)置為0.32 mm，由于原發(fā)動(dòng)機(jī)氣門落座速度過(guò)大，需要降低緩沖段的末端速度，將其設(shè)置為1.5mm/rad3.

多項(xiàng)式配氣凸輪工作段函數(shù)得到的升程具有多階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，氣門升程比較光滑，且能夠適應(yīng)多種類型的配氣機(jī)構(gòu)，使用比較廣泛[7-8].本文采用多項(xiàng)式工作段函數(shù)對(duì)凸輪型線改進(jìn)設(shè)計(jì)，其氣門升程 為

圖2 原機(jī)進(jìn)、排氣門升程Fig.2 The originalvalve lift

式中：hmax為凸輪最大升程，mm；hr為緩沖段高度，mm；C2、C4、Cp、Cr、Cs為常數(shù)；p、q、r、s為偶數(shù)指數(shù)，一般取8～60.

通過(guò)多次模擬對(duì)比，最終確定進(jìn)、排氣凸輪型線方案，其參數(shù)C4、p、q、r、s的取值分別為0.2、12、22、32、52；0.2、14、24、32、52.

改進(jìn)后的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能如表3所示，從表中可以看出改進(jìn)后進(jìn)、排氣氣門升程豐滿系數(shù)分別從原機(jī)的0.56增加到0.58，從0.53增加到0.57，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣性能，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程，加速度最大躍度值都小于1 000 mm/rad3，確保的配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)行的平穩(wěn)性避免了機(jī)構(gòu)發(fā)生振動(dòng).凸輪與挺柱間的潤(rùn)滑條件較好，減少了零部件間的磨損.最大接觸應(yīng)力都滿足許用值要求，其值小于原發(fā)動(dòng)機(jī)，降低了凸輪與挺柱間的磨損.改進(jìn)后的凸輪型線，其動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果如圖5～圖7所示，從圖中可以看出，改進(jìn)后的氣門升程曲線光滑，開(kāi)啟、關(guān)閉都比較良好，沒(méi)有出現(xiàn)波動(dòng)，在凸輪工作段，凸輪與挺柱間的接觸力不存在零的現(xiàn)象，沒(méi)有發(fā)生飛脫，且接觸應(yīng)力小于原發(fā)動(dòng)機(jī)，都在允許范圍之內(nèi)，減少了對(duì)凸輪桃尖處的磨損.進(jìn)、排氣門落座都比較平穩(wěn)，沒(méi)有發(fā)生大的沖擊，減少了氣門與氣門座之間的磨損，同時(shí)氣門落座后，沒(méi)有出現(xiàn)落座力為0的情況，說(shuō)明氣門沒(méi)有發(fā)生反跳.

表3 改進(jìn)后主要性能參數(shù)Tab.3 Themain performance para metersafter improvement

4 改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證凸輪型線改進(jìn)前后發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了外特性試驗(yàn)，并測(cè)取了進(jìn)氣流量和充氣效率.

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)架，如圖8所示.主要測(cè)試裝置包括CW 150型電渦流測(cè)功機(jī)（洛陽(yáng)南峰機(jī)電設(shè)備有限公司）、上海同圓環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)TOCEIL-CMF02型天然氣流量計(jì)，AVL1000型空氣流量計(jì).

圖9為凸輪型線改進(jìn)前后不同轉(zhuǎn)速下氣缸的充氣效率，從圖中可以看出，改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率有所提高，在轉(zhuǎn)速為2200 r/min時(shí)，充氣效率提高了1.51%，在轉(zhuǎn)速為1400 r/m in時(shí)，充氣效率增加了0.79%，在額定轉(zhuǎn)速下充氣效率提高了0.83%，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)充氣性能.

圖5 改進(jìn)后進(jìn)、排氣門升程Fig.5 Valve liftafter improvement

圖8 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架Fig.8 Naturalgasengine testbench

圖9 改進(jìn)前后充氣效率對(duì)比Fig.9 Comparison of charge coefficientbeforeand after improvement

圖10 和圖11分別為凸輪型線改進(jìn)前后轉(zhuǎn)矩和功率隨轉(zhuǎn)速的變化，從圖中可以看出凸輪型線改進(jìn)設(shè)計(jì)后，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量增加，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩也有所增加，其中在轉(zhuǎn)速1200 r/m in時(shí)，轉(zhuǎn)矩增加了12.56 N m，功率增加了5.25，在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩和功率分別增加了7.2 N m、2.1 kW，由此可見(jiàn)，改進(jìn)凸輪型線后使發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到一定改善.

圖10 改進(jìn)前后功率對(duì)比Fig.10 Comparison of powerbeforeand after improvement

圖11 改進(jìn)前后轉(zhuǎn)矩對(duì)比Fig.11 Comparison of toquebeforeand after improvement

5 小結(jié)

1）利用EXCITETim ing Drive軟件建立了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，評(píng)價(jià)了原進(jìn)、排氣凸輪型線，并找出了原配氣機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題.

2）針對(duì)原配氣機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題，改進(jìn)了凸輪型線的緩沖段和工作段，提高了進(jìn)、排氣凸輪的豐滿系數(shù)，解決了氣門落座沖擊大、反跳等問(wèn)題，同時(shí)減少了凸輪與挺柱間的接觸應(yīng)力，減低了凸輪桃尖處的磨損.

3）凸輪型線的改進(jìn)設(shè)計(jì)使原發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能得到一定的改善.

[1]劉云，肖恩忠.高速柴油機(jī)配氣凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)綜述 [J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2006，33（4）：6-9.

[2]焦運(yùn)景，張惠明，楊志勇.配氣相位對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響 [J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，8（8）：13-17.

[3]肖紅，蘇強(qiáng)，駱葳.天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在不同噴射和點(diǎn)火時(shí)刻下的性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 [J].內(nèi)燃機(jī)，2014（2）：25-29.

[4]姜建華，王偉.CA4D柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) [J].汽車技術(shù)，2005（9）：21-24.

[5]TAkashi IRITANI，Akira SHOZAKI，Bencheng SHENG.Predicition of the dynam ic characteristics in valve train design of a diesel engine[J].SAE，2002，32：1839-1846.

[6]郭磊，褚超美，陳家琪.高次多項(xiàng)式凸輪型線特性參數(shù)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)性能的影響的研究 [J].內(nèi)燃機(jī)工程，2005，26（1）：20-23.

[7]王小慧，彭海雄，周海濤.配氣凸輪軸型線逆向優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].鐵道機(jī)車車輛，2011，10（31）：177-188.

[8]浦耿強(qiáng)，張?jiān)魄?頂置凸輪配氣機(jī)構(gòu)仿真分析 [J].汽車科技.2001（1）：8-11.