內(nèi)燃機(jī)氣道試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)

高亞男

(承德石油高等?？茖W(xué)校 汽車工程系，河北 承德 067000)

內(nèi)燃機(jī)氣道試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)

高亞男

(承德石油高等?？茖W(xué)校 汽車工程系，河北 承德 067000)

設(shè)計(jì)了一款內(nèi)燃機(jī)氣道試驗(yàn)臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)缸徑為Φ80～140 mm氣缸氣道的測(cè)量。該試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可實(shí)現(xiàn)缸蓋快速、準(zhǔn)確、可靠的定位和夾緊。氣門升程可自動(dòng)控制，行程控制精度高，大大提高了氣道試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量效率和測(cè)量精度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

內(nèi)燃機(jī)；氣道試驗(yàn)臺(tái)；缸蓋；測(cè)試

在內(nèi)燃機(jī)特別是柴油機(jī)的研發(fā)和設(shè)計(jì)過程中，由于各國(guó)或組織對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)和燃油消耗制定了越來(lái)越嚴(yán)格的法規(guī)，使得內(nèi)燃機(jī)研究方向從提高單位功率轉(zhuǎn)移到改善排放和燃油消耗上來(lái)?？刂坪蛢?yōu)化燃燒過程、改善燃燒系統(tǒng)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放的根本途徑，同時(shí)也可改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、降低燃燒噪聲，因此研究缸內(nèi)空氣與燃油或混合油氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，特別是進(jìn)氣、壓縮和燃燒三個(gè)階段氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)過程中有重要意義[1-3]。目前研究?jī)?nèi)燃機(jī)氣道氣流運(yùn)動(dòng)的方法主要有流場(chǎng)的數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)量[4]。對(duì)于數(shù)值模擬方法常用的專用軟件有AVL.FIRE、FLUENT等，試驗(yàn)測(cè)量方法有缸內(nèi)專用儀器測(cè)量(熱線風(fēng)速儀 CTA、激光多普勒測(cè)速儀 LDA 、粒子示蹤速度法 PTV 和粒子圖像速度法 PIV)和穩(wěn)流試驗(yàn)測(cè)量(即氣道試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量)。其中采用氣道試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量的方法具有效率高、原理簡(jiǎn)單、結(jié)果可信的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。但目前的氣道試驗(yàn)臺(tái)都存在一定的問題，例如缸蓋種類多、氣門數(shù)目不定、數(shù)據(jù)采集全部為手工、氣門升程采用直尺測(cè)量、缸蓋的平移需要復(fù)雜的升降軌道，尤其是缸蓋對(duì)應(yīng)氣缸的中心與氣缸體軸線的對(duì)中很難保證，每測(cè)量一次都必須重新劃線對(duì)中[5]。因此，設(shè)置一款氣門升程可控、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、快速高精度對(duì)中且適應(yīng)多類別的氣道試驗(yàn)臺(tái)對(duì)于提高測(cè)量精度、測(cè)量效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。

1 穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺(tái)的工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣道設(shè)計(jì)及試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)氣道的流動(dòng)阻力和產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度，是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃燒的兩個(gè)重要指標(biāo)[6]。一般通過在氣道試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)量并計(jì)算出內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣道的流量系數(shù)μσ和渦流比Ω，用這兩個(gè)無(wú)因次參數(shù)作為氣道流通特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1)流量系數(shù)μσ：衡量氣道的流通能力。

(1)

式中：ms為空氣流量，kg/s；ρa(bǔ)為氣道出口空氣密度，kg/m3；f為氣門孔面積，m2；Δp為氣道的壓降，Pa；ρa(bǔ)m為氣道進(jìn)口處空氣平均密度，kg/m3。

2)渦流比Ω

(2)

式中：Vh為氣缸工作容積，m3；nD為風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖1為氣道試驗(yàn)臺(tái)的總體布置圖，其中真空泵給一次、二次穩(wěn)壓箱提供穩(wěn)定的氣源，使氣道產(chǎn)生模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的氣流。傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架的主體結(jié)構(gòu)包括工作平臺(tái)、氣門升程調(diào)節(jié)裝置、缸蓋夾緊裝置、數(shù)據(jù)測(cè)量裝置(由風(fēng)速儀和流量測(cè)量裝置采集某一氣門升程位置時(shí)的渦流轉(zhuǎn)速和氣體流量)。另外還有一套數(shù)據(jù)采集、顯示、處理及控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)氣壓、流量、溫度、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的采集和處理以及氣門升程控制，并將各種數(shù)據(jù)顯示在屏幕或儀表上供操作人員記錄。

2 氣道試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)

對(duì)于氣道試驗(yàn)臺(tái)的工作原理、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)都已經(jīng)比較成熟，因此，針對(duì)目前常用氣道試驗(yàn)臺(tái)存在的缺點(diǎn)，結(jié)合著該設(shè)備的工作原理，設(shè)計(jì)出一種新的氣道試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2中試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械機(jī)構(gòu)主要包括如下幾部分：工作平臺(tái)、氣門升程調(diào)節(jié)裝置、缸蓋定位夾緊裝置、缸蓋平移裝置、懸臂鎖緊裝置。其中，工作平臺(tái)是整個(gè)氣道試驗(yàn)臺(tái)的基體，其它各部分零件或裝置全部安裝在工作平臺(tái)之上，其中一次穩(wěn)壓箱通過三根連接桿與平臺(tái)連成一體并懸置于平臺(tái)之下，一次穩(wěn)壓箱、氣缸套、上法蘭、缸蓋依次串聯(lián)連接，通過氣缸鎖緊塊的作用及零件間的密封件，使四個(gè)零件緊密連接；氣門升程調(diào)節(jié)裝置由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過減速機(jī)構(gòu)、絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)精確控制氣門的開啟量，并通過位移傳感器將開啟量反饋給計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)升程精確控制；缸蓋定位夾緊裝置具有快速定位、使缸蓋上氣缸中心與氣缸軸線精確對(duì)中的功能，同時(shí)缸蓋對(duì)中后能夠?qū)⒏咨w快速夾緊；缸蓋平移裝置負(fù)責(zé)缸蓋在工作平臺(tái)上移動(dòng)時(shí)將其垂直抬起，減小缸蓋平移時(shí)推力，同時(shí)到達(dá)定位點(diǎn)時(shí)又可將缸蓋垂直落下；懸臂鎖緊裝置實(shí)現(xiàn)當(dāng)懸臂繞懸臂軸旋轉(zhuǎn)到合適位置時(shí)，將懸臂固定在指定位置，這時(shí)氣門升程調(diào)節(jié)裝置的壓下桿與氣門桿對(duì)正。

各裝置詳細(xì)結(jié)構(gòu)如下：

1)工作平臺(tái)。工作平臺(tái)由1.5 m×0.4 m×0.05 m的耐磨鋼板制成(見圖3)，工作面為精加工表面，粗糙度小于Ra3.2。其中橫向定位裝置導(dǎo)槽和縱向定位裝置導(dǎo)槽分別安裝橫向定位板和縱向定位板，定位板可沿導(dǎo)槽手動(dòng)平移，導(dǎo)槽為T型槽，定位后由T型螺栓鎖緊。氣缸中心孔可滿足缸徑為Φ80～140 mm的氣缸的測(cè)量，上法蘭安裝其中階梯臺(tái)上，由彈性密封墊實(shí)現(xiàn)缸套與上法蘭間的密封。缸蓋平移機(jī)構(gòu)導(dǎo)槽也為T型槽，內(nèi)裝有缸蓋平移裝置的滑道。橫向定位裝置刻度尺與縱向定位裝置刻度尺分別位于橫向定位板和縱向定位板的一側(cè)，零點(diǎn)為氣缸中心孔，刻度尺與貼在縱向、橫向定位板上的游標(biāo)副尺相配合讀數(shù)，即可確定對(duì)應(yīng)缸蓋上氣缸中心到缸蓋定位面的距離，其精度為0.02 mm。

2)氣門升程調(diào)節(jié)裝置。氣門升程調(diào)節(jié)裝置位于懸臂上，可沿懸臂滑動(dòng)。其主體為一殼體，其余零件安裝在上面。伺服電機(jī)安裝在殼體外部并與齒輪1連接，齒輪1與齒輪2相嚙合。齒輪2為一齒輪軸，并由兩個(gè)軸承安裝在殼體內(nèi)部，齒輪軸為中空且內(nèi)有傳動(dòng)螺紋，壓下桿上部有外螺紋，兩者做成一對(duì)螺紋副，當(dāng)齒輪2旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓下桿在內(nèi)螺紋的作用下上下移動(dòng)。壓下桿下部通過螺紋連接有調(diào)節(jié)頭并由鎖緊螺母鎖緊，調(diào)節(jié)頭可根據(jù)缸蓋的尺寸更換長(zhǎng)短和形式。齒輪1和齒輪2的傳動(dòng)比為30，螺紋的螺距為1.5 mm，由此可以算出，伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，壓下桿位移0.05 mm，完全滿足氣門升程調(diào)節(jié)的需要。

3)缸蓋平移裝置。缸蓋平移裝置的作用是當(dāng)需要移動(dòng)缸蓋時(shí)將缸蓋抬起，手動(dòng)使其在上滑道上滑動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)垂直升降(見圖5)。上滑道為T型截面的桿件，下拉桿為矩形界面桿件，兩者疊在一起穿入到缸蓋平移裝置導(dǎo)槽內(nèi)，同時(shí)兩者接觸面間存在輥?zhàn)雍托泵娼佑|副。撥叉桿通過支撐座固定在工作平板側(cè)面，轉(zhuǎn)動(dòng)搖桿可撥動(dòng)連接兩下拉桿的橫桿而使下拉桿伸出和退回。在輥?zhàn)有泵娴淖饔孟拢?dāng)下拉桿向右產(chǎn)生位移時(shí)，上滑道產(chǎn)生向右和向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，但由于蓋板的阻擋，上滑道只能產(chǎn)生垂直上升運(yùn)動(dòng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，下拉桿處于最左端時(shí)，上滑道低于工作平臺(tái)上表面2 mm，下拉桿處于最右端時(shí)，上滑道高于工作平臺(tái)上表面5 mm，可使缸蓋高于缸蓋與上法蘭間的密封圈，滿足缸蓋無(wú)障礙橫向推動(dòng)。

4)懸臂鎖緊裝置。懸臂鎖緊裝置(見圖6)可將懸臂鎖止，使氣門升程裝置固定在指定位置。其中懸臂軸將懸臂和懸臂支座連接，使懸臂繞懸臂軸旋轉(zhuǎn)。壓下螺桿與懸臂軸頂部的螺紋孔配合，旋轉(zhuǎn)手輪，壓下螺桿頂住鎖緊壓頭下行，使得兩鎖緊塊徑向向外移動(dòng)直至與懸臂軸內(nèi)孔壁緊緊貼合，靠貼合面的摩擦力將懸臂鎖住。由于螺紋的自鎖性，懸臂鎖緊可靠，不會(huì)回松。

3 結(jié)論

根據(jù)需要設(shè)計(jì)出一套內(nèi)燃機(jī)氣道試驗(yàn)臺(tái)，其機(jī)構(gòu)包括工作平臺(tái)、氣門升程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、缸蓋平移裝置、缸蓋定位夾緊裝置、懸臂鎖緊機(jī)構(gòu)，可滿足缸徑Φ80～140 mm的氣道測(cè)試試驗(yàn)。其具有快速定位，快速夾緊，氣門升程精確控制的優(yōu)點(diǎn)。目前內(nèi)燃機(jī)氣道試驗(yàn)臺(tái)經(jīng)過生產(chǎn)和調(diào)試并投入使用，極大地提高了測(cè)試效率，測(cè)試精度，降低操作工作強(qiáng)度。

[1] 劉書亮，宋飛舟. 汽油機(jī)滾動(dòng)渦流模擬試驗(yàn)臺(tái)和滾流進(jìn)氣道的試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，1995(4)：1-9.

[2] 高樹征，趙瑞安，王景海，等.多機(jī)型柴油機(jī)缸蓋氣道試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2011(5)：8-13.

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DesignandDevelopmentofAirPortFlowTestBenchforInternalCombustionEngines

GAO Ya-nan

(Department of Automotive Engineering， Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)

Air port flow test bench for internal combustion engines was designed. It can measure the air port flow of cylinder head with cylinder diameter forΦ80～140 mm. The test bench is simple-structured and easy to operate, which can make the cylinder head fast, accurate and reliable positioning and clamping. The valve lift can be automatically controlled with high precision, which greatly improves the measuring efficiency and accuracy, also reduces the labor intensity.

internal combustion engines; air port flow test bench; cylinder head; test

TK406

A

1008-9446(2017)05-0056-04

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流流場(chǎng)對(duì)缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)影響的研究)：ZD2016113

2017-03-29

高亞男(1982-)，男，河北承德人，講師，工程師，博士，主要從事金屬變形過程的計(jì)算機(jī)模擬的研究，E-mail：llovr@163.com。