基于臺架的發動機配氣機構氣門敲擊試驗研究

趙進兵 楊國芳 周洪利 郝少華 趙松

摘 ?要：眾多汽車NVH問題是由發動機機械運動引起的，配氣機構作為發動機重要的機械組成部分，其氣門運動引起的敲擊振動、噪聲特征與傳遞路徑相關，且受發動機轉速、潤滑等因素影響。本文將從試驗角度對發動機配氣機構氣門敲擊特征進行研究，建立配氣機構氣門敲擊特征識別試驗臺，開展氣門敲擊特征頻率識別及其能量與發動機轉速、潤滑的依存相關性試驗，掌握配氣機構氣門敲擊振動、噪聲的研究方法，為發動機在早期開發階段建立配氣機構優化的試驗能力。

關鍵詞：發動機;配氣機構;氣門敲擊;振動;噪聲

中圖分類號：TK417 ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1005-2550（2022）02-0047-05

Research On The Bench Test Of Engine Valve Mechanical Tapping

ZHAO Jin-bin， YANG Guo-fang， ZHOU Hong-li， HAO Shao-hua， ZHAO Song

（ Technical Center of Dongfeng Motor Corporation， Wuhan 430058， China ）

Abstract： Most automotive NVH problems are caused by the mechanical movement of the engine. As the valve mechanism is one important mechanical component of the engine， the NV （noise and vibration） which caused by the valves tapping is not only related to the transmission path， but also related to the engine speed， lubrication and other factors. In this paper， the mechanical tapping characteristics of the engine valve mechanism will be studied on the test bench which we build， the frequency characteristics of the mechanical tapping and the dependent correlation which is between tapping energy and engine speed， lubrication will be carried out. We not only have mastered the identification and research method of the mechanical tapping NV of the valve mechanism. and also got the test capability of the valve mechanism optimization which can be used in the engine early development stage.

Key Words： Engine; Valve; Tapping; Vibration; Noise

1 ? ?引言

隨著客戶對汽車舒適度的要求越來越高，且因NVH問題給用戶的感受是最直接的，NVH已成為消費者對汽車更為直觀的舒適性評價指標。眾多汽車NVH問題是由發動機機械運動引起的，配氣機構作為發動機重要的機械組成部分，配氣機構運行過程中氣門運動引起的敲擊振動、噪聲特征與傳遞路徑相關，且與發動機轉速、潤滑等相關。本文建立了配氣機構機械運動敲擊特征識別試驗臺，開展氣門敲擊特征分解的相關試驗，識別出敲擊特征頻率，分析了敲擊能量與發動機轉速、潤滑的依存相關性;通過試驗掌握配氣機構機械運動引起的氣門敲擊振動、噪聲的試驗方法。為發動機在開發階段早期建立了配氣機構優化的試驗能力，通過對配氣機構機械運動敲擊特征的分離，可提早發現問題、改善問題，實現發動機配氣機構的NVH性能分析技術前移，為開發設計階段提供優化改善依據。

2 ? ?研究對象

本文所述試驗技術研究是基于一款四缸汽油發動機，發動機信息見表1：

配氣機構的功能是在發動機換氣過程中定時開啟和關閉氣門，以保證發動機按需吸入新鮮空氣和排除廢氣。雙頂置直驅配氣機機構由正時鏈、鏈輪（含VVT）、凸輪軸、機械挺柱、氣門彈簧、氣門、氣門座圈等組成。頂置凸輪軸固定安裝于氣缸蓋，曲軸通過正時鏈驅動凸輪軸旋轉，氣門在凸輪驅動下開啟，氣門在氣門彈簧作用力下關閉。氣門敲擊[1]主要指氣門開啟時刻凸輪與挺柱間的敲擊、氣門關閉時刻氣門落座與氣門座圈間的敲擊。

3 ? ?配氣機構機械運動敲擊特征識別試驗

3.1 ? 試驗臺搭建

為消除發動機曲柄連桿機構、噴油器等機械部件工作以及缸內燃燒引起的敲擊振動、噪聲的影響，發動機拆掉缸體、曲柄連桿機構、機油泵、噴油器、火花塞等機械部件，保留缸蓋及配氣機構，結合氣門升程測量系統、振動噪聲測量系統，搭建配氣機構機械運動敲擊特征識別試驗臺，搭建的配氣機構機械運動敲擊特征試驗臺[2]見圖1。

配氣機構由電機拖動按發動機正常運行的旋轉方向運轉，配氣機構的潤滑由外置的專用機油供給裝置保證，機油供給裝置可為配氣機構提供不同溫度、壓力的機油循環，確保配氣機構穩定可靠運行。

采用兩路多普勒激光位移傳感器分別同時測量缸蓋的位移與速度和氣門的位移與速度，通過計算得到實際的氣門位移、速度，消除了振動的影響;使用增量式編碼器獲取凸輪軸轉角為多普勒位移傳感器提供零位移參考信號;激光信號處理設備將所測的氣門升程/速度轉換為電壓信號輸出到數采設備。

數據采集設備同時獲取來自振動傳感器、噪聲傳感器、激光信號處理設備的電壓信號，實現振動、噪聲、氣門升程/速度信息的數據同步采集，數據采集設備將所采集的數據傳輸到上位機，由上位機數據處理分析軟件保存處理。數據采樣率設置為20kHz[3-4]。

3.2 ? 試驗過程

氣門升程測試對象為發動機第3缸的進氣門，反光紙粘貼位置見圖1。為保證較好的敲擊振動信號，各缸氣門冷態間隙按設計值裝配，進氣門間隙設計值為0.15mm，排氣門間隙設計值為0.25mm。

振動傳感器靠近敲擊點，結合配氣機構運行情況及缸蓋結構，振動傳感器布置情況見圖2，振動傳感器①位于3缸凸輪軸承座附近，用于檢測氣門開啟時刻凸輪與挺柱的敲擊振動，振動傳感器②位于3缸氣門座圈附近，用于檢測氣門關閉時刻氣門與氣門座圈的敲擊振動;振動傳感器③缸蓋外表面靠近與鏈殼剛性連接的位置，用于檢測氣門開啟/關閉引起的缸蓋表面振動。

噪聲傳感器④布置于進氣側，距發動機第3缸進氣道10cm，見圖2，用于檢測進氣門開啟關閉引起的噪聲。

試驗工況：發動機曲軸轉速穩定為650、750、850、1000、1500、2000、2500r/min，機油油壓180kPa，機油溫度穩定為30、50、60、70℃。

3.3 ? 試驗結果分析

3.3.1 氣門敲擊時刻分析

氣門開啟時凸輪與挺柱接觸瞬間氣門速度會突然變化，將氣門速度突然增大的點定義為氣門開啟時刻;氣門關閉時氣門閥座給氣門反向作用力，致使氣門速度發生反向變化，將氣門速度發生反向變化的時刻定義為氣門關閉時刻。根據發動機第3缸氣門速度確定出第3缸氣門開啟關閉時刻后，再結合發動機各缸工作順序1-3-4-2確定出其他3個缸的氣門開啟關閉時刻，詳見圖3氣門開啟/關閉時刻分析圖。

氣門開啟時刻，由于凸輪與挺柱突然相互作用，凸輪受力引起凸輪軸承座會有沖擊響應，此時凸輪軸承座振動幅值相應的突然增大;氣門關閉時刻，由于氣門與氣門座圈相互作用，氣門座圈受力會產生沖擊響應，此時氣門座圈振動幅值相應的突然增大;如圖3所示，準確識別出各缸氣門開啟/關閉引起的氣門敲擊振動。

3.3.2 氣門敲擊振動頻率分析

首先對振動時域信號作FFT分析，找出高能量的頻率段;然后對振動時域信號作小波分析[5]，在小波分析圖中找出在FFT分析提取的高能量頻率段內高能量亮條對應的時刻，并找出與氣門開啟、關閉的哪個時刻相吻合;若與開啟時刻吻合則作為氣門開啟敲擊振動特征頻率，若與氣門關閉時刻吻合則作為氣門關閉敲擊振動特征頻率。

以曲軸轉速為750r/min工況數據為例，進行氣門敲擊振動特征頻率分析工作，對時域信號作FFT分析、小波分析的結果見圖4，得出進氣門開啟特征頻率1800-4000Hz，進氣門關閉特征頻率為800-1400Hz、2700-3400Hz。

3.3.3 氣門敲擊振動能量分析

對時域信號作RMS（均方根值）計算[4]處理，取進氣門開啟、關閉時刻附近范圍內的RMS最大值作為氣門敲擊振動能量評價指標，計算求得結果見圖5所示：進氣開啟、關閉引起的敲擊振動隨轉速升高而增大，且氣門開啟振動受轉速影響更明顯;進氣關閉引起的敲擊振動受溫度影響不大，進氣開啟引起的敲擊振動隨油溫升高而減小。

3.3.4 氣門敲擊振動響應分析

氣門開啟/關閉時刻在缸蓋表面能夠準確的檢測到敲擊振動信號，見圖6。

缸蓋表面氣門敲擊振動能量與敲擊點附近的振動能量隨轉速變化的表現趨勢一致，隨著發動機轉速升高而變大，見圖7（a）、（b）。

3.3.5 氣門敲擊振動噪聲分析

對氣門敲擊的振動、缸蓋表面振動、缸蓋近場噪聲作頻譜分析，計算頻譜見圖8：頻率越高振動傳播過程中能量衰減越快，較低頻率的振動傳遞的更遠，缸蓋表面振動在800-1400Hz頻段范圍內有峰值，與進氣門敲擊振動特征頻率有較好的對應關系。缸蓋近場噪聲在800-1400Hz頻率范圍內有峰值，與進氣門敲擊振動特征頻率有較好的對應關系，氣門敲擊引起的振動與缸蓋表面振動、缸蓋近場噪聲表現出相關性。以上說明氣門敲擊是引起缸蓋表面振動、近場噪聲的重要因素。

4 ? ?發動機整機驗證試驗

在發動機NVH試驗臺開展驗證試驗，由電機拖動發動機整機運行，噴油器、火花塞斷電，排除噴油器工作、缸內燃燒的影響。

采集發動機缸蓋表面振動、缸蓋進氣側近場噪聲，振動測點同圖2所示的振動傳感器③位置，麥克風布置于進氣側，與缸蓋第3缸進氣道平齊，距外輪廓表面10cm。

缸蓋表面振動、進氣側近場噪聲頻譜見圖9，缸蓋表面振動、進氣側近場噪聲在700-1100Hz頻率段有明顯峰值，大部分落在配氣機構機械運動氣門敲擊特征頻率范圍800-1400Hz內，可以判斷該振動、噪聲峰值與配氣機構機械運動密切相關。

配氣機構機械運動氣門敲擊特征識別試驗提取的特征頻率：在發動機產品應用階段，用于發動機整機運行的異響診斷，可快速判斷異響原因是否與配氣機構相關，提升產品開發效率;在發動機開發設計階段，提取的頻率可用于產品優化設計，避開相關頻率，降低發動機產品出現異響的風險，改善產品設計品質。

5 ? ?結論

1. 為探尋配氣機構機械運動的氣門敲擊振動、噪聲激勵機理，搭建配氣機構機械運動敲擊特征識別試驗臺，精準的識別出氣門開啟關閉引起的振動。

2. 開展配氣機構機械運動氣門敲擊振動、噪聲特性試驗：氣門敲擊振動隨著轉速升高逐漸增大;隨著機油溫度升高逐漸減小;敲擊引起的振動與噪聲有強相關性。

3. 配氣機構機械運動氣門敲擊特征識別試驗提取的敲擊特征頻率，在發動機產品應用階段，可用于發動機整機異響診斷，發動機整機運行時測量氣缸蓋外表面的振動信號及發動機的近場噪聲，通過對發動機缸蓋表面振動信號及噪聲信號進行小波分析和頻譜分析，快速判斷異響是否由配氣機構引起的，提升產品開發效率;在發動機開發設計階段，提取的頻率可用于產品優化設計，避開相關頻率，降低發動機產品出現異響的風險，改善產品設計品質。

參考文獻：

[1]夏鐵權.內燃機配氣機構噪聲發生機理與控制措施研究[D].重慶大學，2007年.

[2]Dumitru M.Beloiu.Modeling and Analysis of Valve Train，Part I -Conventional Systems [J].SAE，2010.

[3]Richard H.Lyon.An Investigation of Valve Train Noise for the Sound Quality of I.C. Engines [J]. SAE，1999.

[4]Justin Flett and Gary M.Bone.Fault detection and diagnosis of diesel engine valve trains [J]. Mechanical Systems and Signal Processing：72-73，2016，316–327.

[5]楊金才，錢凌鋒，龐劍等. 氣門噪聲的小波分析方法[J]. 重慶理工大學學報（自然科學） 第24卷，第12期，2010年.

趙進兵

畢業于武漢理工大學，學士學位，現就職于東風汽車集團有限公司技術中心，任動力總成振動噪聲試驗及開發主管工程師。

專家推薦語

李鴻飛

國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽）

汽車結構疲勞專業副總師 ?研究員級高級工程師

本文設計了配氣機構機械運動敲擊特征識別試驗臺，通過試驗識別出敲擊特征頻率，分析了敲擊能量與發動機轉速、潤滑的相關性;通過對配氣機構機械運動敲擊特征的分離，為優化發動機配氣機構機械運動敲擊特征識別，排除異響提供理論基礎。對開發設計階段改善配氣機構異響有較好指導意義。