配氣機構文獻綜述

文獻綜述題目 168F汽油機設計配氣機構 二級學院 車輛工程學院 專 業(yè) 能源與動力工程 班 級 學生姓名 彭元平 學號 指導教師 屈翔 職稱 副教授 時 間 2016-3-20 重慶理工大學畢業(yè)設計 文獻綜述摘要：配氣機構作為內(nèi)燃機的重要組成部分其設計合理與否直接關系到內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。本文綜述了汽油機配氣機構的發(fā)展現(xiàn)狀，論述了對配氣機構優(yōu)化設計的必要性，闡述了發(fā)動機配氣機構優(yōu)化設計的發(fā)展方向。關鍵詞：配氣機構、凸輪型線、配氣相位、氣門彈簧。Abstract：As important part of the internal combustion engine, valve mechanism with right design is a must, for it is directly relevant to power, economic performance, emission performance, reliability and durability of the internal combustion engine. This paper reviewed the gasoline engine valve mechanism from the aspects of the state-of-the-art and the necessities of its optimization design, and set forth the development of engine valve mechanism optimization design.Key words：Air distribution mechanism Cam type line Gas distribution phase Valve spring1.前言配氣機構是汽油機最重要的組成部分它的功能是實現(xiàn)換氣過程，即根據(jù)氣缸的工作次序，定時的開啟和關閉進、排氣門，以保證換氣充分。一臺汽油機的工作是否穩(wěn)定可靠1，噪聲與振動是否控制在較低的水平，都與其配氣機構設計合理的是密不可分的。配氣機構要使各氣缸都保持換氣良好的狀態(tài)，使充氣系數(shù)盡可能的提高，按照工作的需要，科學的開啟與關閉進氣門和排氣門。 隨著人們的需求，發(fā)動機的設計趨于高速化、高功率化。人們對其性能的要求也越來越高，配氣機構作為發(fā)動機的配給系統(tǒng)，很大程度的決定了發(fā)動機的優(yōu)劣2。所以想要提高發(fā)動機的性能，配氣機構的優(yōu)化設計也是必不可少的。隨著前人的不斷積累，配氣機構的供給能力及結構形式都發(fā)生了很多改觀，下面我將介紹配氣機構的發(fā)展現(xiàn)狀及主要優(yōu)化形式。2.凸輪型線的優(yōu)化內(nèi)燃機配氣凸輪機構是由配氣凸輪驅動的，所以配氣機構的這些性能指標在很大程度上取決于配氣凸輪的結構。尤其是當發(fā)動機轉速提高以后，凸輪型線設計的好壞對發(fā)動機的充氣性能和動力性能的影響更大3。最近，海馬轎車有限公司的王艷芳、王少輝4等汽車工程師做了相應的實驗，他們選擇了三種不同型線的進氣凸輪軸和同種型線的排氣凸輪軸在同臺發(fā)動機上進行匹配，進行了仿真分析，建立了配氣相位模型，得出仿真結果，并將三種不同型線進氣凸輪軸先后安裝到同一臺發(fā)動機上進行性能試驗驗證通過GT-Power仿真分析及臺架試驗結果，發(fā)現(xiàn)不同的凸輪型線發(fā)動機的功率值和扭矩值等性能參數(shù)的影響很大，充分說明了凸輪型線使影響發(fā)動機配氣機構的主要因素，因此，選擇適當凸輪型線的進氣凸輪軸，對于提高發(fā)動機的動力性有重要意義。目前，對配氣凸輪的研究已經(jīng)涉及配氣機構性能的各個方面5，包括型線、挺柱的運動規(guī)律、氣門振動模型、挺柱與凸輪的接觸應力、摩擦應力等。國外對配氣機構的振動模型、摩擦及配氣相位和可變氣門正時等的研究有一些報道，我國也在致力研究更精確的氣門振動模型、凸輪挺柱副的動力潤滑、非對稱凸輪型線以及凸輪型線的擬合等間題。上海交通大學內(nèi)燃機研究所馬逢峻、周振華6等教授，將某大型柴油機配氣機構的幾何凸輪改進為函數(shù)凸輪,他們通過ADAMS軟件對配氣機構建模并進行動力學仿真。并通過改進前后的配氣機構的各參數(shù)，得出的結論是：采用函數(shù)凸輪可以增大豐滿系數(shù),減小氣門最大加速度,有能力在保證氣門不飛脫的前提下,進一步提高柴油機轉速,從而提高輸出功率。在凸輪型線設計中,采用最優(yōu)化技術以來,經(jīng)歷了靜態(tài)優(yōu)化設計、動態(tài)優(yōu)化設計和系統(tǒng)優(yōu)化設計三個階段7。在靜態(tài)優(yōu)化設計中，將配氣機構看成絕對剛體，不考慮它在運動時的彈性變形.，用此方法設計凸輪型線主要用靜態(tài)充氣性能、凸輪廊面最小曲率半徑指標來判別其好壞。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)，主要由氣門的動態(tài)加速度峰值、動態(tài)充氣性能指標來評價其優(yōu)劣。系統(tǒng)優(yōu)化設計就是從配氣凸輪型線與配氣機構動態(tài)參數(shù)（剛度與質量）統(tǒng)一考慮在內(nèi)進行凸輪型線的優(yōu)化設計配氣凸輪型線凸輪轉速和配氣機構參數(shù)之間有一個最優(yōu)化匹配。濰坊學院劉云、肖恩忠8教授對三種優(yōu)化技術方法進行了詳細的比較，分別提出了靜態(tài)優(yōu)化設計、動態(tài)優(yōu)化設計和系統(tǒng)優(yōu)化設計的優(yōu)缺點，他認為：（1）用靜態(tài)優(yōu)化設計法設計的圓弧凸輪,雖然加速度曲線不連續(xù),配氣機構慣性力有突變,但有較大的時間-斷面值。對轉速不高的發(fā)動機來說,它所引起的振動和噪音較小,故在較低轉速的發(fā)動機上還有一定的使用價值。但隨著發(fā)動機轉速的提高,振動和噪音趨于嚴重，靜態(tài)優(yōu)化法就不太適用了。（2）用動態(tài)優(yōu)化設計方法設計的凸輪有多項動力凸輪、正弦拋物線凸輪、n次諧波凸輪等。多項動力凸輪只從彈性變形的角度出發(fā)設計凸輪外形,動態(tài)優(yōu)化設計雖然考慮了配氣機構的彈性變形和振動問題,但僅局限于凸輪型線的優(yōu)化。并未考慮配氣機構的彈性振動,故沒有從根本上解決配氣系統(tǒng)的振動等問題。（3）統(tǒng)動力學優(yōu)化設計是將配氣凸輪型線與配氣機構動態(tài)參數(shù)(剛度和質量)統(tǒng)一考慮在內(nèi),進行凸輪型線的優(yōu)化設計。配氣凸輪型線、凸輪轉速和配氣機構參數(shù)之間有一個最優(yōu)化匹配關系,其中凸輪型線正加速度的寬度對配氣機構的振動強度影響很大。因為激勵的能量主要從正加速度傳給整個配氣機構,所以凸輪正加速度的形狀和寬度對凸輪激勵特性具有決定性意義，但一般系統(tǒng)動力學方法是將配氣機構簡化為單質量或多質量模型,得出系統(tǒng)運動質量的微分方程,但一般不能得出解的表達式,無法對解的形態(tài)和特性進行分析。3.配氣相位的優(yōu)化配氣相位是進、排氣門的實際開閉時刻，通常用相對于上、下止點曲軸轉角來表示。配氣相位對于換氣品質、泵氣損失、充氣系數(shù)、轉矩外特性、怠速穩(wěn)定性及尾氣排放等都有很大影響。其中進氣相位，尤其是進氣門關閉角對發(fā)動機性能影響最大9。重慶交通大學交通運輸學院安娜、邵毅明10等教授，以1. 6 L 4 缸渦輪增壓汽油機為研究對象，針對增壓汽油機壓縮比提高后可能出現(xiàn)的“回火、爆震”問題，利用AVL EXCITE和AVL BOOST 軟件分別建立發(fā)動機的配氣機構及整機仿真模型。重新設計氣門重疊角較小( 40CA、30CA、10CA) 的氣門升程曲線，研究新的配氣相位對發(fā)動機性能的影響。模擬結果表明，優(yōu)化后的凸輪型線在一定程度上改善了原機配氣機構的運動學和動力學特性; 當氣門重疊角從 50CA 到 10CA 依次減小時，發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性相對于原機有所提高，并在30CA 氣門重疊角時達到最優(yōu)。昆明理工大學，云南省內(nèi)燃機重點實驗室張學文、申立中11等教授，通過對一款1L、四氣門、高壓共軌、兩缸增壓中冷柴油機作為實驗對象，對兩種發(fā)火順序的優(yōu)缺點進行了分析，利用氣門正時優(yōu)化和 DOE 軟件對配氣相位進行了優(yōu)化，得到發(fā)動機在低速、最大扭矩、額定功率工況時不同的配氣相位對柴油機的充量系數(shù)、燃油消耗和泵氣損失的影響。兼顧柴油機的高低速性能，選擇了合理的配氣相位并進行試驗。試驗結果表明，柴油機渦前排溫降低了10，低速扭矩增加了5Nm，燃油消耗降低了6g/kWh。4.氣門彈簧的優(yōu)化為了降低燃油耗、汽車制造商已經(jīng)做出了相當大的努力，例如減輕整車質量、提高發(fā)動機傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性，例如減輕整車質量、提高發(fā)動機傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性，以及減少發(fā)動機配氣機構的摩擦損失。減少配氣機構的摩擦損失是降低燃油耗最有效的方法之一。而決定配氣機構摩擦的最重要部件就是氣門彈簧12。減少驅動氣門彈簧所需的負荷，可減小其與凸輪軸和氣門搖臂等接觸部件的摩擦，從而降低燃油耗。由于驅動氣門彈簧的負荷隨彈簧常數(shù)的減小而減小，而彈簧數(shù)數(shù)與彈簧鋼絲的直徑成正比，因此， 減小鋼絲直徑就可以降低驅動負荷。但是，對于傳統(tǒng)的油洛浴回火鋼絲而言，減小氣門彈簧直徑會使工作應力達到抗拉和疲勞強度的極限。為了減小彈簧鋼絲直徑，就需要開發(fā)強度更高的鋼絲。當前13，廣泛使用的發(fā)動機氣門彈簧是20世紀60年代開發(fā)的抗拉強度約為1900PMa的桂鉻油浴回火鋼絲。到20世紀80年代，開發(fā)了抗拉強度達到2100PMa的桂普銀鋼絲，并應用于高速發(fā)自機。在20世紀9時代， 開發(fā)出種2200MPa的桂 鉻釩鉬和桂鉻釩鎳鋼絲，用來提高燃油經(jīng)濟性。在此基礎上，最新開發(fā)了抗拉強度高達2300MPa的高強度鋼絲，并且利用這種先進的鋼絲減小氣門彈簧的尺寸，以提高燃油經(jīng)濟性?，F(xiàn)階段強化氣門彈簧的方向仍然是通過添加鉻、鉬、釩、硼等元素，并通過鎳、絡、鑰元素的析出硬化， 釩元素的晶粒細化、棚元素的晶界強化，并通過制定優(yōu)良的回火條件等方式優(yōu)化氣門彈簧。5.可變配氣機構技術常規(guī)內(nèi)燃機配氣相位都是按內(nèi)燃機性能要求，通過試驗確定某一轉速和負荷條件下較為適合的配氣相位，自然只達到一種轉速最為有利。然而為了在更大的曲軸轉速范圍內(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，稱作可變氣門運動配氣機構（VVT）14。通過這套機構對配氣過程的調(diào)節(jié)和控制，低、中轉速時，活塞運動速度低，氣流動力學特性差，因而要求“縮小”相位重疊角，以減少工作混合氣倒流，保證低、中轉速時扭矩曲 線形狀較好，可顯著地降低燃油消耗率。在中高轉速時，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，廢氣排放徹底，進氣量 充分，可相應增加內(nèi)燃機扭矩。顯然，采用這一機構，可提高內(nèi)燃機性能、降低污染、改善怠速性能?？勺兣錃鈾C構按驅動可以分為由凸輪軸驅動和無凸輪驅動。在有凸輪驅動的可變配氣機構中，南京理工大學劉雪洪15教授通過建立了參數(shù)化的三維模型,并用反轉法繪制了擺動輸出凸輪的輪廓曲線。得出的結論是：機構的關鍵技術是根據(jù)發(fā)動機的需要來確定最佳的桿長參數(shù)及理想的輸出凸輪輪廓曲線。在無凸輪驅動的可變配氣機構中，中北大學郭建、蘇鐵熊16等教授，分別比較了凸輪驅動和無凸輪驅動的優(yōu)缺點，研究發(fā)現(xiàn)：與基于凸輪軸的可變配氣機構相比,無凸輪軸可變配氣機構控制較為靈活,能單獨驅動每一個氣門,簡化了發(fā)動機結構,降低了發(fā)動機的成本和質量,但也有一些明顯的缺陷,比如氣門落座沖擊較大、能耗過高、可靠性、耐久性等都比較差。另外,因為無凸輪軸全可變配氣相位機構能夠對氣門運動的所有因素進行控制,因此將是目前研究的主要對象。6.多氣門技術配氣機構的最新發(fā)展是改善燃料經(jīng)濟性，其關鍵在于如何提供更多的新鮮空氣，多氣門內(nèi)燃機很早就已經(jīng)出現(xiàn)了17，但僅用于賽車，目的是減輕排氣門的熱負荷和機械負荷，但并未能在內(nèi)燃機制造業(yè) 得到推廣。意大利布加奇公司首先創(chuàng)出具有四個排氣門和一個進氣門的內(nèi)燃機。促進多氣門內(nèi)燃機產(chǎn)量迅速提高的原因在于自動控制技術的快速發(fā)展和生產(chǎn)的工藝水平越來越高，可以充分發(fā)揮多氣門配氣方案的優(yōu)越性，保證內(nèi)燃機在整個負荷和速度范圍內(nèi)形成最佳混合氣，并適時適度送入氣缸。多氣門內(nèi)燃機優(yōu)點很明顯，如用兩個進氣門取代三個進氣門，流通截面加大 30%35%以上，可大大改進充氣系數(shù)。因此，多氣門內(nèi)燃機可以提高功率。四氣門內(nèi)燃機曲軸在中低轉速范圍內(nèi)，扭矩一般比二氣門內(nèi)燃機大 10%15%，高轉速范圍內(nèi)大 10% 20%。多氣門內(nèi)燃機不僅可以提高內(nèi)燃機功率，還可以降低燃油消耗，減少排污。在發(fā)動機上采用多氣門技術，如采用 4 氣門、5 氣門等，是滿足更嚴格排放指標的有效途徑。多氣門技術擴大氣門頭直徑，加大氣流通過面積，改善換氣性能，能夠吸進更多的空氣，有利于混合氣迅速燃燒。同時更快地排除廢氣，因而在提高動力性和經(jīng)濟性的同時減少了NOX排放和微粒排放。上海內(nèi)燃機研究生曹曉軼、彭健18等教授通過建立多氣門配氣系統(tǒng)兩質量動力學模型及其微分方程。并運用VC+等軟件開發(fā)平臺,開發(fā)了多氣門配氣機構設計軟件, 通過該軟件的輔助設計,使柴油機的充氣效率得到了顯著提高, 并用該軟件對氣門運動的動力學過程進行了仿真計算,得到了一系列的氣門的性能參數(shù)。通過對比兩種動力學模型的計算結果，得出了兩質量動力學模型對多氣門配氣機構的描述更準確、設計的配氣機構更經(jīng)濟實用的結論。7.頂置凸輪軸技術 隨著汽車速度的提高，發(fā)動機轉速要求提高?，F(xiàn)代車用汽油機轉速高達6000-6500轉/分。由于下置凸輪軸配氣機構的運動質量大、噪聲、變形等一系列問題，不適應高速的要求，于是出現(xiàn)了頂置凸輪軸的汽油機。盡管頂置凸輪軸發(fā)動機結構復雜19，但因頂置氣門配氣機構內(nèi)燃機的充氣系數(shù)較高，燃燒室比較緊湊，內(nèi)燃機有較好的性能指標，是側置氣門機構所不能達到的，它又比下置凸輪軸更能適應高速要求，故在高速汽油機中得到廣泛應用。隨著頂置凸輪軸技術發(fā)展,須對設計出的配氣機構建立運動學和動力學計算模型,驗算其在不同轉速下的運動狀態(tài)及受力情況。華北工學院趙冬青、蘇鐵熊20等教授采用數(shù)值模擬的方法,對發(fā)動機配氣機構進行研究,通過利用Matlab等數(shù)值計算軟件編制了發(fā)動機配氣機構運動學及動力學計算通用程序。通過該計算程序完成了對頂置凸輪軸配氣機構運動學和動力學的計算,并對其結果做出了驗證。使該程序可以用來計算發(fā)動機在不同轉速的氣門運動情況,作為配氣機構初步設計、詳細設計及現(xiàn)有配氣機構驗算的工具。8.結論：本文綜述了內(nèi)燃機的目前的發(fā)展狀況和趨勢，論述了對配氣機構優(yōu)化設計的必要性，提出了一些優(yōu)化設計的方向，闡述了當前技術的發(fā)展水平，為內(nèi)燃機設計時，提供相應的參考。參考文獻：1路瓊瓊.李智等.內(nèi)燃機配氣機構技術現(xiàn)狀及發(fā)展. 現(xiàn)代機械2005年第5期2張紀龍.配氣機構優(yōu)化技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢. 機械工程師 2015 年第 11 期 3尚漢冀.內(nèi)燃機配氣凸輪機構設計與計算.上海復旦大學出版社, 19884王艷芳.王少輝.凸輪型線對發(fā)動機性能影響的研究裝備制造技術.2015年第8期5張德明.汽車發(fā)動機的配氣機構.科技創(chuàng)新與應用.2015年第18期6馬逢峻.周振華等.配氣機構凸輪型線改進設計.Diesel Engine.第29卷(2007)第1期7張力.吳俊剛等頂置凸輪軸配氣機構多體運動學分析與應.Automotive Engineering2