發動機氣門間隙（機械式挺桿）測量與應用

王 印

(上汽通用五菱汽車股份有限公司發動機工廠設備管理科，廣西柳州545007)

發動機氣門間隙，是為保證發動機配氣機構正常工作而設置的。若氣門間隙過大，氣門機構將遲開早閉，不但使氣門的開啟時間縮短，還會造成進氣不足、排氣不暢并發出氣門敲擊異聲，嚴重時會產生疲勞損壞，造成氣門件的裂紋甚至斷裂；氣門間隙偏小時，會使氣門機構早開晚閉，發動機溫度升高后，零件受膨脹自然伸長而自動頂開氣門，使氣門與氣門座關閉不嚴而引起漏氣，從而造成汽缸內壓縮壓力下降并引發化油器回火，嚴重時會因燃燒不完全使氣門大量積炭，并在強大的廢氣流的沖刷下，最終形成氣門桿盤部燒蝕[2]。因此，準確的氣門間隙，在發動機裝配過程中十分重要。

但是隨著發動機技術的不斷進步，各種不同氣門機構層出不窮，故對氣門間隙的要求也不同。有的發動機給出冷態間隙，有的給出熱態間隙，還有的同時給出冷熱態間隙。然而氣門間隙的大小，目前廠家主要依靠經驗方法決定，這便容易造成氣門間隙的不準確性與不穩定性。本文將介紹一種低成本、精確度高、適用于工業現場裝配的發動機氣門間隙（機械式挺桿）測量系統。

1 氣門間隙測量的數學模型

因為氣門機構結構復雜、工作環境惡劣、使用頻繁、部件間的配合精度高、在凸輪軸工作時凸輪軸在軸承孔中的位置又不可確定等諸多因素的存在，所以為了精確的測量發動機氣門間隙，以選擇合適的機械挺桿進行裝配，我們先對凸輪軸的運行位置進行同軸度假定，假定凸輪軸在軸孔中運轉時保證同軸。

圖1 氣門間隙測量數學模型

建立如下數學模型（圖1）。

在此模型中，通過測量三個關鍵參數：A1、A2、B1，再結合發動機設定的理論間隙值Ec及測量系統的補償量F，便可計算出精確的氣門間隙值Gap及應選配的挺桿厚度T。

2 氣門間隙精確計算理論依據

氣門間隙的計算是沿著氣門座密封帶起，經氣門頭、氣門體、搖臂、搖臂軸到缸蓋，再回到氣門座構成一個封閉型熱膨脹環來進行計算。由氣門體在發動機最高熱狀態時與常溫狀態時產生的熱膨脹與其余各項對應的熱膨脹量之差值，得出氣門冷態間隙值Δ[4]。

式中，

α1為氣門材料的熱膨脹系數；

αi為搖臂、搖臂軸以及缸蓋對應材料的線性熱膨脹系數；

Δ1為氣門體的熱膨脹量；

Δ2為構成封閉熱膨脹環的其余各項的熱膨脹量；

ΔT（l）為氣門體的溫度分布規律[1]。

3 氣門間隙測量系統硬件設計

硬件平臺是氣門間隙測量系統的物理基礎，本系統的硬件平臺基于PC-DAQ的構成方式，主要由5部分組成：PC機，數據采集卡 (DAQ)，信號調理模塊，A/D轉換器和傳感器；此外，還配備了伺服電機及控制器為測量臺架的精確定位，24 V的恒流源為各個傳感器提供所必須的電壓或電流。

系統的硬件結構如下（圖2）。

圖2 氣門間隙測量系統硬件結構

3.1 距離/溫度/光電傳感器

距離傳感器是一種模擬量信號傳感器，一張數據采集卡（DAQ）最多可支持64支類似傳感器。目前現有差動變壓器式距離傳感器、半橋式距離傳感器、應變片式距離傳感器，功能主要是通過接觸式感應變換所得被測工件的尺寸。本測量系統采用了差動變壓器式距離傳感器，性能穩定，價格便宜。

溫度傳感器有工件溫度傳感器與環境溫度傳感器之分。主要作用是以補償溫度漂移造成的測量偏差（用戶可根據測量工況及被測工件狀態，進行自主選擇安裝）。本系統僅僅采用了環境溫度傳感器進行測量偏差補償。

光電傳感器的種類有很多，作用也有很多種。本測量系統中采用的SICK光電傳感器的主要作用，是通過光電反射原理進行工件狀態判別、通過光電傳感器辨識出不同型號的發動機，以達到自動選用不同的測量程序或校零程序運行的目的。

3.2 伺服控制器

本測量系統采用了FANUC的伺服電機與伺服控制系統。主要作用是幫助測量臺架與各類測量傳感器進行測量前的精確定位。同時通過測量軟件的反饋值，辨識測量臺架及傳感器的空間位置。

4 氣門間隙測量系統軟件設計

本測量系統采用了結構化設計及模塊化編程的基本思路。自頂而下的把軟件從整體到層面，從層面到模塊，層層細分，再分析各層面、各功能模塊之間的關系。為了體現結構化、模塊化的設計思想，在具體編程時，按照設計的層次結構，將每個功能模塊或子程序編制成一個結構完整、相對獨立的程序段，即一個可獨立調用的程序模塊。然后在主體程序中進行統一調用。采用這種結構化、模塊化的設計，為系統以后的測量項目擴充、功能修改提供方便。系統軟件結構如圖3所示。

圖3 氣門間隙測量系統軟件結構

部分主要功能模塊說明如下。

4.1 數據采集

使用簡單緩存技術采集測量信號時域波形。使用簡單緩存技術進行模擬輸入時，LabView按系統設定的采樣數和采樣的信道數，在內存中分配一塊緩存數據。緩存區的大小等于每信道采樣數乘以信道數[5]。數據采集設備按照程序中指定的采樣數采集信號，數據被傳遞到緩存區內。采集到整個樣本后，緩存區被數據填滿，然后LabView在程序中對數據進行分析、存儲及顯示。

4.2 數字濾波

數字濾波器的完整指標，應當包括幅度特性、相位特性和瞬態特性。但在實際設計時，由于要求數字濾波器具有穩定性、因果性，而且要簡單，因此本測量系統使用的是巴特沃斯濾波器，其截止頻率可由用戶自行設定。巴特沃斯濾波器擁有最平滑的頻率響應，在截斷頻率以外，頻率響應單調下降，在通帶中是理想的單位響應，在阻帶中響應為零。

4.3 動/靜態數據

靜態數據，是指被測工件在靜止狀態時，傳感器所獲得的測量數據，一般為穩定的靜態值，在經過數模轉換后，數據直接參與數據變換與配組。

動態數據，是指被測工作在動態時進行測量，傳感器隨著工件運動進行測量收集數據，在設定時間內采集足夠的數據樣本（采集樣本時間、樣本數可由用戶自定義），所采集的樣本在經過數模轉換后，要經過數據處理，去掉上下限以外的所有樣本值（上下限可由用戶自定義），在獲得足夠的有效樣本值后，再進入數據變換與配組。

4.4 數據變換與配組

數據變換與配組，主要是動/靜態數據在經過處理后，依據所建立的數學模型，將傳感器的測量值與理論間隙進行對比，在進行數據配對之前，對機械挺桿的不同厚度進行分級，將在同一個公差尺寸帶之內的挺桿，劃分為同一個級別組（此公差尺寸帶與組別可由用戶自定義）。通過分析計算每一個所測得的實際間隙值和用戶設定的機械挺桿組別，最終配組告訴用戶每一個氣門的間隙尺寸及所需安裝挺桿的厚度組別。

5 氣門間隙測量系統功能驗證

為了驗證系統的可靠性與準確性，我們以一臺B系列直列四缸雙頂置凸輪16氣門發動機為例。在進行試驗之前，我們對機械挺桿的厚度進行了分組，確定機械式挺桿的厚度為3.12～3.29 mm，厚度差每間隔0.02 mm歸分為一個組級，共計為類40個等級。依據缸蓋、缸體材質等計算其冷態理論間隙為：進氣側冷態氣門理論間隙為（0.1±0.02）mm[3]；排氣側氣門冷態理論間隙為（0.25±0.02）mm[3]；進行了發動機氣門間隙測量和機械挺桿分組選配試驗，得出了準確的氣門間隙值與實際氣門間隙相匹配的機械挺桿組別（如圖4所示）。

其測量結果，準確顯示了氣門間隙的實際值，并為機械式挺桿的選配和安裝提供了依據。

圖4 氣門間隙測量系統運行界面

5 結束語

發動機的氣門間隙，是影響其性能的重要參數，也是日常維修和保養時經常要接觸到的技術參數。為了保證發動機能發出應有的功率和具有較長的壽命，正確地控制氣門間隙大小，并使其在合理的范圍內工作，是非常重要的。本文提出的氣門間隙測量系統，可以完全替代原始的塞尺測量，并且極大提高了準確率。亦為發動機的裝配、調整及維護提出了有益的參考依據。同時本系統功能全面，既可以自動測量，也可以半自動測量，還同時具有良好的可擴充性和較高的性價比。

[1]楊連升.內燃機設計[M].北京：中國農業機械出版社，1981.

[2]程瑞龍.DA462微型汽車發動機[M].哈爾濱：黑龍江科學出版社，1987.

[3]姚春德，何邦全，李萬眾.車用發動機氣門間隙的確定與調整[J].小型內燃機，1999，（6）：11-15.

[4]羅轉翼，程桂芬.隨機信號處理與控制基礎[M].北京：化學工業出版社，2002.