配氣機構(gòu)動力學(xué)仿真與試驗研究

符興勝（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

配氣機構(gòu)動力學(xué)仿真與試驗研究

符興勝
（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

通過理論計算和試驗進(jìn)行了柴油機配氣機構(gòu)動力學(xué)特性研究。基于多體系統(tǒng)動力學(xué)理論，對配氣系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行了仿真計算，同時構(gòu)建了配氣機構(gòu)動態(tài)測試系統(tǒng)，進(jìn)行了參數(shù)同步測量試驗。結(jié)果表明，仿真模擬與試驗測量的氣門運動曲線變化規(guī)律基本吻合，測試結(jié)果與模擬計算結(jié)果具有一致性，確認(rèn)了模擬計算的有效性。

配氣機構(gòu)動力學(xué)仿真試驗

1　　前言

配氣機構(gòu)作為內(nèi)燃機的兩大機構(gòu)之一，其精確性、可靠性都必須得以保證，并隨著柴油機強化趨勢越來越受到重視。配氣機構(gòu)的主要功能是實現(xiàn)發(fā)動機的換氣過程，根據(jù)氣缸的工作次序，定時開啟和關(guān)閉進(jìn)、排氣門，以保證氣缸吸入新鮮空氣和排出廢氣。其運動特性影響著內(nèi)燃機的換氣效果、振動、噪聲及可靠性。因此，現(xiàn)代設(shè)計對配氣機構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)、動態(tài)配氣正時等相關(guān)特性有嚴(yán)格要求。利用虛擬仿真計算技術(shù)進(jìn)行配氣機構(gòu)輔助設(shè)計是現(xiàn)代發(fā)動機設(shè)計的重要手段，基于多體系統(tǒng)動力學(xué)模型分析配氣機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，能更加細(xì)化和精確地反映其真實運動特性，現(xiàn)已成為進(jìn)行配氣機構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的基礎(chǔ)［1］。但為了驗證模擬計算結(jié)果和獲取更多實際信息，還需要進(jìn)行配氣機構(gòu)運動特性的精確測量。以往試驗多采用間接測量法，即只測量氣門單一參數(shù)，如氣門加速度，再通過對加速度進(jìn)行積分運算，以獲取配氣機構(gòu)的速度和升程曲線，因此，加速度的測量誤差將直接影響速度和升程的準(zhǔn)確性。

本研究以某柴油機配氣機構(gòu)為研究對象，以多體動力學(xué)為理論基礎(chǔ)。建立配氣機構(gòu)多體系統(tǒng)耦合動力學(xué)模型，進(jìn)行柴油機配氣機構(gòu)運動特性仿真計算，得到整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)運作下的運動規(guī)律和動力學(xué)特性。構(gòu)建了一套配氣機構(gòu)動態(tài)測試系統(tǒng)，進(jìn)行氣門運動的多參數(shù)同步直接測量，從而獲得數(shù)值計算難以準(zhǔn)確得到的信息，能更準(zhǔn)確地驗證模型結(jié)果，為配氣機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)［2］。

2　　配氣機構(gòu)動力學(xué)仿真

該發(fā)動機配氣機構(gòu)采用凸輪軸在機體側(cè)面的布置方式，凸輪軸由齒輪驅(qū)動；每缸四氣門，兩進(jìn)氣、兩排氣成菱形布置，凸輪通過挺柱、推桿、搖臂、氣門橋連續(xù)傳遞后驅(qū)動氣門。氣門組合部分，氣門采用三槽鎖夾抱緊，外側(cè)固定在氣門彈簧上座內(nèi)表面錐孔上，氣門彈簧采用單彈簧結(jié)構(gòu)，氣門油封帶有底座同時承擔(dān)彈簧下座的功能。配氣機構(gòu)的基本特征如表1所示，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

表1　　發(fā)動機配氣機構(gòu)基本參數(shù)

圖1　　配氣機構(gòu)示意圖

2.1仿真模型建立

根據(jù)該柴油機配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和零部件布置關(guān)系，在AVL Excite.TD中建立發(fā)動機單個氣缸的配氣機構(gòu)計算模型，包括發(fā)動機的進(jìn)、排氣部分的運動學(xué)模型和動力學(xué)模型［3］。

圖2所示為進(jìn)氣部分的運動學(xué)模型。從圖2可知，配氣機構(gòu)進(jìn)氣系統(tǒng)動力學(xué)模型由12個單元組成，其中包括：凸輪單元（1）、凸輪與挺柱間潤滑接觸單元（8）、挺柱單元（2）、推桿單元（3）、搖臂單元（4）、氣門橋（16）、彈簧上座和鎖夾（5/13）、氣門彈簧單元（7/15）、凸輪軸相位單元（9）、氣門單元（6/14），另外，還包括氣門桿身下端及氣門座（7）、凸輪軸帶輪單元（10）、凸輪軸支承單元（12）和凸輪旋轉(zhuǎn)激勵單元（11）。同理，排氣系統(tǒng)動力學(xué)模型也包括12個單元組，只是個別單元參數(shù)不同。

配氣機構(gòu)動力學(xué)計算模型中參數(shù)的設(shè)置完全按照發(fā)動機實際參數(shù)確定，如此才能確保計算結(jié)果準(zhǔn)確、真實。其計算模型的參數(shù)主要包括：結(jié)構(gòu)參數(shù)、邊界條件、單元的剛度、質(zhì)量及阻尼等。結(jié)構(gòu)參數(shù)通過配氣機構(gòu)圖紙獲取；邊界條件（如發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速、缸內(nèi)壓力、氣門背面的排氣道壓力等）通過發(fā)動機的特性獲得。單元的剛度、質(zhì)量等參數(shù)，可以通過實測方法獲得，也可以通過零部件的三維有限元計算獲得；而阻尼一般根據(jù)經(jīng)驗，利用AVL Excite.TD軟件參數(shù)推薦值來進(jìn)行選取［4］。

圖2　　進(jìn)氣系統(tǒng)動力學(xué)計算模型

2.2動力學(xué)仿真結(jié)果

利用動力學(xué)模型對柴油機配氣機構(gòu)進(jìn)行計算，從而獲取發(fā)動機配氣機構(gòu)的動力學(xué)計算結(jié)果。分別從氣門的升程、氣門的速度、氣門的加速度、氣門座圈受力、凸輪與挺柱接觸應(yīng)力、彈簧升程以及彈簧力等方面，對配氣機構(gòu)動力學(xué)性能進(jìn)行分析。

圖3～圖5所示分別為計算得到的氣門動力學(xué)升程、速度以及加速度。從圖中可以得到，氣門開啟和關(guān)閉良好；氣門落座時速度波動較大，特別是排氣門速度波動更大，而進(jìn)氣門最大速度為2.24 m/s，排氣門最大速度為3.35 m/s；氣門加速度在氣門剛開啟時波動較大。

3　　配氣機構(gòu)運動特性試驗

3.1試驗臺架的組成

配氣機構(gòu)試驗臺主要包括以下幾大系統(tǒng)，配氣機構(gòu)的測試系統(tǒng)、動力設(shè)備系統(tǒng)、輔助和控制系統(tǒng)、傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖6所示。

配氣機構(gòu)測試系統(tǒng)：試驗測試用的本體以某發(fā)動機為基礎(chǔ)，去除連桿、活塞、進(jìn)排氣管路、燃油系統(tǒng)等與配氣機構(gòu)不相關(guān)的零部件，保留配氣機構(gòu)、缸體、缸蓋、油底殼、傳動齒輪等零部件。曲軸采用等粗的直軸代替，直軸上加工出潤滑油油孔，以保證發(fā)動機能夠正常運轉(zhuǎn)。將發(fā)動機上與配氣機構(gòu)有關(guān)的潤滑油道、冷卻水流道保留，其余做堵塞或短路處理，保證在試驗過程中配氣機構(gòu)的潤滑、冷卻等狀態(tài)與發(fā)動機實際運行過程中保持一致。

動力設(shè)備：動力系統(tǒng)采用變頻電機，電機的轉(zhuǎn)速控制精度為±1 r/min。通過設(shè)定變頻器的輸出頻率可控制電機的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制配氣凸輪軸的轉(zhuǎn)速的目的。動力設(shè)備通過連接盤與發(fā)動機曲軸（直軸）后端的飛輪直接連接，如圖7所示。

圖3　進(jìn)、排氣門升程　

圖4　　進(jìn)、排氣門速度

圖6　　配氣機構(gòu)測試臺架的組成

輔助和控制系統(tǒng)：主要作用是控制和調(diào)節(jié)必要的潤滑和冷卻條件，以保證測試對象能夠正常運行。主要由潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)及其相應(yīng)的控制裝置、以及相關(guān)的連接管路組成。潤滑系統(tǒng)用以模擬發(fā)動機正常工作條件下的潤滑狀態(tài)，控制潤滑油的流量、溫度、壓力等狀態(tài)。控制系統(tǒng)通過變頻器控制供油電機的轉(zhuǎn)速，以控制潤滑油的流量，控制精度為±10 mL/min；通過控制供油閥門的開度來控制潤滑油的壓力，控制精度為±0.5 kPa；通過控制加熱器和冷卻器來控制潤滑油的溫度，控制精度為±1℃。冷卻系統(tǒng)則通過控制循環(huán)水的流量、溫度、壓力來控制配氣機構(gòu)的工作溫度，其原理與潤滑系統(tǒng)類似。循環(huán)水的流量控制精度為±20 mL/min，壓力控制精度為±1 kPa，溫度控制精度為±2℃。連接管路的主要作用是將機油與冷卻液連接到試驗本體［5］。

傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來采集、記錄和顯示被試配氣機構(gòu)的各種運行參數(shù)，參數(shù)包括，直軸轉(zhuǎn)角、直軸轉(zhuǎn)速、氣門位移、氣門速度、氣門加速度、油溫、水溫等。各傳感器以及采集系統(tǒng)組成如表1所示。

測試系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)編碼器測量曲軸轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角，加速度傳感器測量氣門軸向加速度，激光位移傳感器測量氣門升程，應(yīng)變儀測量動態(tài)載荷。

應(yīng)變測量方法是把應(yīng)變片粘貼在被測件的測點上，當(dāng)被測件受到外力作用時，測點產(chǎn)生的變形傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，從而引起應(yīng)變片電阻的變化。這樣既可把壓力、載荷、位移等物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為與之成比例的電參數(shù)。通過惠斯登電橋測出電阻值的變化。就可換算出相應(yīng)的應(yīng)變量。應(yīng)變儀的作用是為電橋提供電壓，并通過輸入差分放大電路放大電壓信號。

圖7　臺架安裝示意圖

表1　傳感器和測試設(shè)備

測試系統(tǒng)選用江蘇聯(lián)能YE38l7C型應(yīng)變放大儀，具有低噪聲、低漂移、高輸入阻抗、高共模抑制比、高線性度等優(yōu)良特性。

測試系統(tǒng)選用USB 6356型多功能數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)備，該卡憑借NI.STC3定時和同步技術(shù)，能實現(xiàn)USB上高性能的NI信號讀寫。DAQ所提供的高級定時特性包括：獨立的模擬和數(shù)字定時引擎、可重觸發(fā)的測量任務(wù)、4個具有更多功能的計數(shù)器/定時器。NI信號讀寫技術(shù)通過基于消息的傳輸和設(shè)備智能來確保USB上的高速雙向數(shù)據(jù)傳輸。用戶可同時在兩個方向上傳輸模擬、數(shù)字和計數(shù)器數(shù)據(jù)，可以獲得最高達(dá)32 MB/s的持續(xù)處理能力。本系統(tǒng)中主要用到采集卡的模擬輸入和模擬輸出部門功能

3.2試驗結(jié)果以及分析

本文通過該配氣機構(gòu)測試系統(tǒng)，從曲軸轉(zhuǎn)速700 r/min至2 400 r/min對該柴油機配氣機構(gòu)氣門升程、速度、加速度進(jìn)行了測試。

圖8～圖10是在柴油機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min的

圖8　　氣門升程模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比

圖9　　氣門速度模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比

［1］李林林.客車發(fā)動機進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計.柴油機設(shè)計與制造，2015（1）.

［2］那大功.某款客車用柴油機低壓燃油管路試驗分析.柴油機設(shè)計與制造，2015（1）.條件下，氣門升程、速度以及加速度的模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比。

從圖中可以看出，氣門升程和速度曲線吻合度比較高，氣門加速度由于發(fā)動機自身的震動造成測試結(jié)果波動較為嚴(yán)重，計算結(jié)果與實測結(jié)果二者總體趨勢上一致，但具體數(shù)值上存在一些差異。綜上所述，試驗結(jié)果表明實測結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

圖10　　氣門加速度模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比

4　　結(jié)束語

本研究利用AVL Excite.TD軟件對柴油機的配氣機構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)仿真計算，分析了配氣機構(gòu)運動學(xué)特性，并通過試驗測試的方法進(jìn)行了對比驗證，結(jié)果表明，仿真模擬與試驗測量的氣門運動曲線變化規(guī)律基本吻合，測試結(jié)果與模擬計算結(jié)果具有一致性，確認(rèn)了模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

［1］尚漢冀.內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)設(shè)計與計算［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1998.

［2］張曉蓉，朱才朝，昊佳蕓.內(nèi)燃機配氣機構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2008，31（3）：294-298.

［3］AVL.AVL Excite TD Users Guide.2004.

［4］符興勝.某型柴油機挺柱改進(jìn)及配氣機構(gòu)優(yōu)化仿真［J］.柴油機設(shè)計與制造，2013，19（3）：23-28.

［5］劉忠民，俞小莉，譚建松等.配氣機構(gòu)綜合試驗系統(tǒng)的開發(fā)與研制［J］.內(nèi)燃機工程，2005，26（1）：28-31.

The Valve Train Dynamics Simulation and Experiment Research

Fu Xingsheng
（Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd，Shanghai 200438，China）

Study on the dynamic characteristics of the diesel engine valve train through simulation and experiments.Based on multi-mass system dynamics theory，the dynamic characteristics of the valve train were simulated，and the dynamic testing system of the valve system was constructed.The results show that the test results are in agreement with the simulation results，and the validity of the simulation is confirmed.

valve train，dynamics，simulation，experiment

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.002

來稿日期：2015-10-23

符興勝（1981-），男，工程師，主要研究方向為發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計。