帶模擬缸壓載荷的配氣機構試驗裝置研制

黃 瑞，陳俊玄，俞展亮，陳沛禹，汪銘磊，俞小莉

（1. 浙江大學 能源工程學院，浙江 杭州 310027；2. 浙江大學 能源與動力國家級實驗教學示范中心，浙江 杭州 310027；3. 浙江康和機械科技有限公司，浙江 臺州 317200）

隨著發動機性能的不斷提升，尤其是對其動力性、經濟型、可靠性以及振動噪聲等性能的要求更加嚴苛，配氣機構作為發動機兩大機構之一，其性能好壞直接影響發動機工作各項性能[1-4]。隨著經濟全球化和信息時代的到來，電子商務迅猛發展，其中物流行業是電商的基礎，中國載貨汽車保有量逐年增加，截至2019 年6 月已達2 694 萬輛[5]。我國山路多，急彎陡彎多，載貨汽車質量大，制動能力要求高，工信部對國標GB 7258.2017《機動車運行安全技術條件》的內容進行了調整，要求一定條件的貨車應裝備緩速器或其他輔助制動裝置[6]，這也使得車輛缸內輔助制動系統技術近幾年發展迅猛[7-8]。為了保證配氣機構的穩定性和可靠性，同時適用于發動機輔助制動，需在開發前后進行試驗驗證。配氣機構驗證試驗主要測量氣門動態特性曲線，而氣門的動態特性會受到氣門的載荷、運動速度、潤滑條件及工作溫度等影響。現有配氣機構試驗裝置不具備氣門負荷加載系統，不能真實地模擬配氣機構實際的使用工況，也無法很好地檢測零件的性能[9-15]。因此本文針對帶有發動機缸內輔助制動的配氣機構，設計了一套帶模擬缸壓載荷的配氣機構試驗裝置并開展了試驗研究。

1 試驗裝置設計

1.1 整體方案設計

帶模擬缸壓載荷的配氣機構試驗裝置由主體框架、液壓系統、傳動系統與測控系統等組成，系統整體結構如圖1 所示。

圖1 系統結構示意圖

配氣機構試驗裝置的主體框架分上下兩層，上層設有一個集油槽，被測缸蓋總成與工裝安裝于集油槽內，集油槽底部設有連接回油過濾器及回油泵的管路，集油槽頂部是一個可移除的透明罩蓋。下層底面安放伺服電機、高壓過濾器和回油泵，同時下層還預留了下置凸輪軸型發動機的安裝空間。液壓系統用于實驗臺架的潤滑、控制及加載，主體框架下層頂面吊裝著液壓油軌，在油軌上設有6 路高速電磁閥和壓力傳感器，及蓄能器、泄壓閥、壓力表等。壓力油通過高壓過濾器過濾后經高壓防爆油管輸送至液壓油軌，再通過金屬液壓管路與工裝油道連接。

測控系統用于監測臺架工作狀況并發布指令，激光位移傳感器通過柔性支架固定于缸蓋上，對準被測氣門的彈簧座圈，用于測量排氣門的升程；扭矩傳感器和編碼器分別與電機軸和凸輪軸相連；液壓系統各支路均設有電磁閥和壓力傳感器，其中用于對排氣門加載的支路使用的電磁閥為高速電磁閥，用于潤滑和控制配氣機構切換工作模式的油路還設有流量傳感器，所有傳感器數據接收和電磁閥控制均由NI 測控設備完成。外接控制柜中除了安裝有NI 測控設備，還安裝有伺服電機驅動器、高速電磁閥驅動器、交流接觸器、互感器、AC-DC 開關電源、開關按鈕、指示儀表等硬件設備。

主要設備選型見表1，裝置設計圖和實物圖分別見圖2 和3。

表1 配氣機構試驗裝置主要設備選型及功能

圖2 配氣機構試驗裝置數字化設計圖

圖3 配氣機構試驗裝置實物圖

1.2 模擬缸壓載荷系統設計

本文設計了一種模擬缸壓載荷加載系統。根據被測對象的缸蓋尺寸，設計一套專用工裝，在工裝上設計凹坑，充當機體上的燃燒室，當缸蓋上的某一缸的進排氣門都處于關閉狀態時，工裝與缸蓋之間的空間形成一個密閉空間。液壓加載系統如圖4 所示，工作過程如下：測控系統接收激光位移傳感器和編碼器分別采集的排氣門升程信息和凸輪軸的相位信息，在排氣門打開前開啟高速電磁閥，使得液壓油在極短的時間內充入工裝凹坑與缸蓋底面形成的密閉空間，由于燃燒室空間小，并且液壓油經過加熱器加熱后黏度低，空間內將迅速建立高壓，以此模擬發動機輔助制動時氣缸內的高壓工況，實現壓力加載過程。排氣門開啟時，排氣門克服油壓作用打開，與排氣道相通的一瞬間，液壓油從排氣道外泄，流入集油槽，實現壓力卸載過程。此過程更能模擬發動機進行缸內輔助制動時的實際情況。發動機進行缸內輔助制動時，缸壓根據發動機轉速與增壓比變化，可達到4～7 Mpa，試驗裝置液壓加載系統的壓力值可以通過調節泄壓閥靈活設定。

圖4 配氣機構試驗裝置加載方案

2 配氣機構試驗

為了驗證本試驗裝置的可行性，利用該裝置對帶有缸內輔助制動功能的某型號發動機進行試驗。氣門的動態特性可以通過測量氣門的位移、速度或加速度來反映，考慮到試驗裝置的配氣機構型式兼容性與測量數據的準確性，本文通過對比不同工況下的氣門升程動態曲線來驗證實驗裝置。試驗中，缸蓋的潤滑油溫度要求保持80～90 ℃，壓力為0.25 MPa。在凸輪軸轉速設定為950 r/min，即發動機額定轉速1 900 r/min。液壓加載系統的壓力依次設定為0、3 和6 MPa，缸內輔助制動模式切換電磁閥處于開啟或關閉狀態，試驗工況如表2 所示。

表2 試驗工況設計表

具體試驗步驟如下：

（1）安裝一套某型號發動機到配氣機構試驗裝置上；

（2）打開控制柜電源與數據采集處理系統，設定液壓系統加熱器溫度為85 ℃；

（3）調整激光位移傳感器空間位置，使測量基準點對準排氣門彈簧座圈；

（4）調整凸輪軸角度，使1 缸的排氣升程開啟位置與編碼器零位對齊，并蓋上透明罩蓋；

（5）待液壓系統加熱到80 ℃左右，啟動液壓泵站，設置潤滑油壓力為0.25 MPa，加載系統壓力為0 MPa；

（6）伺服電機驅動器上電，設置伺服電機旋轉方向為逆時針，轉速為100 r/min，檢查試驗裝置是否正常運行；

（7）待液壓系統加熱到85 ℃后，在保持缸內輔助制動模式切換電磁閥未通電狀態下，提高伺服電機轉速到950 r/min，記錄該工況下的激光位移傳感器數據、編碼器數據及壓力傳感器數據；

（8）接通缸內輔助制動模式切換電磁閥電源，然后依次設定液壓加載系統的壓力為3 和6 MPa，記錄每個工況下的激光位移傳感器數據、編碼器數據及壓力傳感器數據；

（9）停止伺服電機，關閉加熱器，關閉液壓泵站；

（10）整理試驗數據，確認數據無誤后，導出試驗數據并關閉試驗裝置電源；

（11）處理試驗數據。

3 試驗結果分析

圖5 非缸內輔助制動模式無模擬缸壓加載時排氣門升程曲線（工況1）

圖6 缸內輔助制動模式無模擬缸壓加載時排氣門升程曲線（工況2）

圖7 缸內輔助制動模式并加載模擬缸壓時排氣門升程曲線（工況3、4）

對表2 的四個工況開展試驗，分析凸輪軸轉角—氣門升程曲線結果，并與該機型的仿真設計數據進行對比分析。圖5、6、7 分別是不同工況的排氣門升程測量和仿真結果對比圖，均發現氣門升程曲線有很好的連續性，氣門落座平穩，沒有出現氣門飛脫或反跳的現象，且與動力學仿真升程曲線吻合度較好。以圖7 為例，試驗測得加載壓力為3 MPa 時制動升程開啟提前角為62°，關閉角為71°，最大升程為2.87 mm；加載壓力為6 MPa 時制動升程開啟提前角為61°，關閉角為71°，最大升程為2.86 mm。仿真結果為開啟提前角62°，關閉角66°，最大升程3.14 mm。測量與仿真結果較為接近。

通過試驗結果可知，不論發動機是否處于缸內輔助制動工況，本裝置均能較好地測量氣門動態特性曲線。對于帶有缸內輔助制動功能的發動機，本試驗裝置可以提供模擬缸壓加載功能，從而準確測量發動機配氣機構實際的工作狀況，為發動機輔助制動機構優化設計提供試驗支持。

4 結語

本文針對帶有缸內輔助制動功能發動機的配氣機構動力學測試需求，研制了可以模擬缸壓載荷的配氣機構試驗裝置，并開展了不同工況的試驗，驗證了該裝置的可行性。試驗裝置的成功開發，為國內缸內輔助制動技術自主開發提供了更合適的驗證手段，也將有助于相關專業的實驗教學工作。