一種空氣彈簧開啟關閉發動機氣門裝置的設計

方桉　雷志君　傅瑜杭

摘 要：【目的】本文旨在解決發動機氣門落座沖擊導致的振動和噪聲問題，提出一種新型的空氣彈簧開啟關閉發動機氣門裝置的設計方案。該設計能夠有效地緩沖沖擊，降低發動機的振動和噪聲，同時能夠精確調控氣門的落座速度，提高發動機的性能、。【方法】該設計利用橡膠空氣彈簧吸收沖擊能量，達到緩沖效果，同時調控氣門落座速度，降低部件磨損。【結果】新設計有效地解決了現有技術中的振動和噪聲問題，降低了發動機噪聲，延長了發動機壽命，同時提高了發動機工作效率和輸出功率。【結論】不同類型發動機都可應用，也適用于其他機械設備。未來可優化彈簧剛度和響應速度，研究在其他類型機械中的應用。

關鍵詞：噪聲；氣門落座；沖擊；彈簧

中圖分類號：TP391.9? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）03-0022-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.005

An Air Spring Opens and Closes an Engine Valve Device

FANG An? LEI Zhijun? FU Yuhang

（Jiyang College， Zhejiang A&F University， Zhuji 311800，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to solve is to solve the vibration and noise problems caused by the impact of engine valve seating， and to propose a new design scheme of gas spring opening and closing engine valve device. The design can effectively cushion shocks， reduce engine vibration and noise， and at the same time accurately adjust the seat speed of the valves， thus improving engine performance. [Methods] The design uses a rubber air spring to absorb the impact energy to achieve the cushioning effect， and at the same time adjust the valve seat speed to reduce the wear of components. [Findings] The new design effectively solves the vibration and noise problems in the existing art， reduces the engine noise， prolongs the engine life， and improves the engine work efficiency and output power. [Conclusions] Compared to mechanical camshaft drives， this design provides better cushioning and control accuracy， and reduces component wear. Different types of engines can be used and can also be used in other mechanical equipment. In the future， the spring rate and response speed can be optimized， and the application in other types of machinery can be studied.

Keywords： noise; valve seating; impact; spring

0 引言

發動機作為機械設備的關鍵部件，其性能要求不斷提高。然而，傳統發動機氣門落座沖擊導致的振動和噪聲問題，嚴重影響了發動機的性能。為了解決這一問題，本文提出一種空氣彈簧開啟關閉發動機氣門裝置的設計方案。

氣門是發動機的重要零件，控制著發動機工作過程中的進排氣，時刻影響著發動機的工作效率［1］。然而，傳統發動機氣門落座沖擊導致的振動和噪聲問題，嚴重影響了發動機的性能。由于氣門需要承受巨大的機械壓力、溫度變化、氧化等外部環境的影響，因此氣門易于磨損，從而削弱了發動機的動力［2］。為了解決這一問題，提升氣門的抗氧化能力和抗磨性顯得尤為迫切［3］。隨著技術的飛速發展，改良后的機械式凸輪軸驅動的進、排氣門能夠更好地滿足多樣化的環境要求，從而提供更優質的燃料，提供更強勁的動力。通過調整發動機的配氣參數，可以有效提升其在各種使用條件下的性能表現［4］。觀察機械凸輪軸驅動，可以發現許多不利于發動機高效運行的問題，所以本研究設計的空氣彈簧開啟關閉發動機氣門裝置具有更優的緩沖效果和控制精度，且能降低部件的磨損程度。不同類型發動機都可應用，也適用于其他機械設備。未來可優化彈簧剛度和響應速度，研究在其他類型機械中的應用。

綜上，本文的研究目的是設計一種能夠有效緩沖沖擊、降低發動機振動和減少噪聲的空氣彈簧開啟關閉發動機氣門裝置。該設計應能精確調控氣門的落座速度，以提高發動機的性能。通過利用橡膠空氣彈簧吸收沖擊能量，達到緩沖效果，同時調控氣門落座速度，降低部件磨損。在滿足發動機高溫、高壓、高轉速條件下，提高發動機性能。

1 實現原理

1.1 橡膠空氣彈簧

通過采用橡膠空氣彈簧及其相關的緩沖技術［5］，可以實現多方面的抗震、減震、隔震、防噪及緩沖功能［6］，從而使凸輪軸受到的沖擊及振動更小，同時，也可以抑制氣門落位所帶來的噪聲［7］。在0.6 MPa和0.7 MPa的環境中，這種汽車的橡膠空氣彈簧氣囊的動態和靜態剛度都低于1.4 N/mm［8］，表明其能夠提供優異的減振性能。因此，得出相關結論：這種材料的防護性能非常出色。

由于具備較高的耐磨損能力，橡膠空氣彈簧比金屬彈簧更具優勢［9］。它能夠抵御來自外界的垂直沖擊，并且能夠將內部的空氣壓縮，從而減少體積，提升剛度。此外，由于其特殊的結構，它的開合也能夠得到良好的調節，從而滿足實際應用的需求。

在發動機工作時，控制系統可以通過電控信號來控制氣門的開啟和關閉，氣門靠機械連接進行控制［10］，從而控制氣門的開啟時間和持續時間。這種控制方式不僅可以提高發動機的效率，還可以減少能量的浪費，從而提高整個系統的能效。此外，這種控制方式既可以提高發動機的響應速度和動力性能，又可以減少廢氣的排放量，提高環保性能。因此，這種控制方式具有廣泛的應用前景，可以為發動機技術的發展做出重要貢獻。

1.2 上下電磁線圈

高壓直流繼電器是一種重要的電氣設備，它可以幫助新能源汽車電路系統實現高效的控制、調節和保護，從而提高汽車的安全性和可靠性。電磁系統對高壓直流繼電器的運行效率至關重要［11］。

電磁系統在空氣彈簧的快速控制中發揮著核心作用。當發動機控制系統發送信號給高壓直流繼電器時，電磁系統會以極快的速度產生磁場，驅動繼電器的觸點閉合或斷開，從而實現對空氣彈簧的精準調控。這種快速響應能力使得電磁系統能夠根據發動機的工作需求進行實時調整，提高發動機的工作效率和穩定性。此外，電磁系統的應用還有其他優勢。其簡化了發動機的結構，降低了維護成本，使得發動機的日常保養和維修變得更加簡便。同時，電磁系統的引入也為發動機技術的發展開辟了新的道路，為發動機的設計和制造提供了更多的可能性，為未來的發動機技術發展注入了新的活力。

除了高壓直流繼電器，空氣彈簧開啟關閉發動機氣門裝置還包括許多其他的控制元件，如壓力傳感器、氣動閥門等。這些元件協同工作，實現對發動機氣門的準確控制。

采用電磁驅動配氣系統，可有效替換傳統的凸輪驅動配氣系統，使得發動機的進（出）氣門的開合、升降速度、動態特征可根據不同的行駛狀態自動變換，從而大大提高了發動機的經濟效率、可靠性、安全性，成為當今汽車行業推動可持續發展的一項重要技術手段［12］。

電磁系統在開啟和關閉發動機氣門裝置的設計中扮演著至關重要的角色。其通過控制高壓直流繼電器的工作性能，實現氣門裝置的快速、精準控制。當電磁系統接收到信號后，會產生強大而穩定的磁場，驅動高壓直流繼電器的觸點迅速閉合，從而開啟或關閉氣門裝置。這種高效的控制方式能夠顯著提升整個系統的性能，確保發動機的穩定運行。同時，電磁系統的應用也使得發動機的結構更加簡單、維護成本更低，為發動機技術的發展帶來了新的機遇。

然而，在實際的應用過程中，電磁系統也會遇到一些問題。電磁繼電器的穩健操作決定電磁系統的效率和抗電磁干擾能力［13］。電磁繼電器的電流、電壓等因素都會對繼電器的正常運行造成重要影響，而且隨著電磁繼電器的使用，電磁系統的穩健操控也變得更加重要。

需要注意的是，空氣彈簧開啟關閉發動機氣門裝置在使用時需要進行適當的維護和保養，以確保其正常工作。此外，在使用過程中還需要注意控制信號的穩定性和準確性，以免對發動機的正常工作造成影響。對于高壓直流繼電器的觸點也需要定期檢查和清洗，以確保其良好的接觸性能。通過適當的維護和保養，可以延長空氣彈簧開啟關閉發動機氣門裝置的使用壽命，提高發動機的工作效率。

2 裝置工作原理

該裝置通過在橡膠彈簧內部注入氣體來控制氣門的打開或關閉。當發動機啟動時，配氣機構開始運轉，同時，下電磁線圈也會啟動。當電磁系統接收到信號后，會產生一定的磁場，推動氣門升程調節開關向下移動，使得壓縮空氣接口被疏通，橡膠空氣彈簧內充滿氣體，推動底板向下移動，最終使氣門打開，從而實現進氣。

進氣結束后，下電磁線圈斷電，上電磁線圈開始工作，將氣門升程調節開關向上帶動，空氣彈簧內的氣體會通過另一閥門釋放出來，橡膠彈簧慢慢地流失內部的空氣，自動縮起，這就會使得排底板向上，氣門關閉，從而停止進氣。

這種基于空氣彈簧的氣門開啟和關閉裝置具有顯著的優勢。空氣彈簧在氣門關閉時能夠吸收沖擊能量，提高發動機的平穩性和可靠性，同時降低部件之間的磨損，提高發動機的使用壽命。此外，通過氣門升程調節開關對氣門落座速度的精確調控，能夠進一步提高發動機的工作效率。隨著技術的不斷進步，該設計會得到更加廣泛的應用，為發動機技術的發展注入新的活力。

2.1 裝置結構

該空氣彈簧開啟關閉發動機氣門裝置，包括氣門罩、橡膠空氣彈簧、底板、下電磁線圈、氣門升程調節開關、排氣口、壓縮空氣接口、上電磁線圈，具體如圖1所示。氣門升程調節開關在電磁線圈作用下上下移動，當堵住排氣口而橡膠空氣彈簧進排氣口與壓縮空氣接口接通時，壓縮空氣向橡膠空氣彈簧充氣，隨著橡膠空氣彈簧氣壓上升，使底板下移，氣門開啟。當堵住壓縮空氣接口而橡膠空氣彈簧進排氣口與排氣口接通時，橡膠空氣彈簧向大氣中排氣，隨著橡膠空氣彈簧氣壓下降，使底板上移，氣門關閉。

2.2 具體實施方式

氣門升程調節開關6在電磁線圈作用下上下移動，當堵住排氣口7而橡膠空氣彈簧2、進排氣口8與壓縮空氣接口9接通時，壓縮空氣向橡膠空氣彈簧2充氣，隨著橡膠空氣彈簧2氣壓上升，底板3下移，氣門開啟；當堵住壓縮空氣接口9而橡膠空氣彈簧2、進排氣口8與排氣口7接通時，橡膠空氣彈簧2向大氣中排氣，隨著橡膠空氣彈簧2氣壓下降，底板3上移，氣門關閉。

所述的橡膠空氣彈簧2設置在氣門罩1內、底板3上；氣門罩1底部通過螺栓與汽缸蓋4固定連接，氣門與底板3固定連接，底板3可以在氣門罩1內滑動；上、下電磁線圈固定在氣門罩1內，與線圈導線連接，線圈導線通過電磁氣門驅動系統的處理單元與發動機電子控制單元連接。

所述的上電磁線圈10通電可以使氣門升程調節開關6上移，下電磁線圈5通電可以使氣門升程調節開關6下移，上、下電磁線圈不會同時通電；當上下電磁線圈不通電時，氣門處于關閉狀態。

該裝置有以下三個優點。

其一，當氣閥被關閉時，橡膠彈性墊片會發生相應的變形，從而有效地抵消機器設備所遭遇的震蕩，從而降低其運行的噪聲。

其二，采用橡膠空氣彈簧及其相應的氣門升程控制裝置，可以輕松地控制氣門的開啟、關閉，其設計精巧而又經濟。

其三，通過調節電磁線圈的接通時間，可以輕松地調整氣門的開啟時機和升降速度，從而提高系統的靈活性。

3 本設計的應用前景

通過引入緩沖彈簧和氣門升程調節開關，可以有效地解決傳統配氣機構的凸輪直接驅動氣門時所產生的巨大落座沖擊力，從而減少部件之間的磨損，并且可以有效地抑制噪聲，提高系統的性能。該設計在發動機配氣機構中具有廣泛的應用前景。

該設計的關鍵在于空氣彈簧的應用。當氣門關閉時，空氣彈簧會逐漸壓縮，從而減緩氣門落座時的沖擊力。同時，氣門升程調節開關也會對氣門的落座速度進行調控，確保氣門的落座過程平穩無沖擊。該設計利用空氣彈簧的特性，在氣門關閉時吸收沖擊能量，達到緩沖效果，同時，能夠精確調控氣門的落座速度，降低部件的磨損程度。

新技術的應用可以顯著降低發動機的噪聲，提高其耐久性和運行效率，同時通過改變氣門的安裝位置，能夠更加精確地控制氣門，從而增強發動機的輸出能力和燃料消耗性能。該設計的應用可以為發動機技術的發展帶來多方面的優勢，包括提高發動機的性能、降低噪聲、增強耐久性、提高輸出能力和降低燃料消耗等。同時，這種設計還可以進一步拓展其應用范圍，為其他類型的機械系統提供新的解決方案。

當然，這種設計也有一些需要注意的細節。例如，在使用緩沖彈簧時需要選擇適當的彈簧剛度，以確保對氣門落座的沖擊力進行有效緩沖。同時，氣門升程調節開關的選擇和調節也需要進行一定的優化和測試，以確保其能夠滿足發動機的工作要求。另外，考慮到發動機在不同工況下的運行需求，緩沖彈簧和氣門升程調節開關的適應性也是一個重要的問題，這些細節問題的處理將直接影響設計的性能。為了進一步提高該設計的可靠性和穩定性，可以考慮引入高效率的傳感器和控制系統。這些系統可以通過實時監測氣門落座過程中的沖擊力、速度和位置等參數，實時調整緩沖彈簧的剛度和氣門升程調節開關的工作狀態，以實現對氣門落座過程的最佳控制，達到最佳的效果。

本文的研究成果不僅具有重要的理論價值，還具有廣泛的實際應用價值。例如，在液壓系統中，可以利用空氣彈簧技術來吸收沖擊能量，提高系統的穩定性。在汽車剎車系統中，空氣彈簧技術可以用于吸收剎車時的沖擊，提高剎車性能和安全性。此外，在工業機械、航空航天等領域，空氣彈簧開啟關閉發動機氣門裝置的設計也可以得到應用。該設計能夠顯著提高發動機的性能，降低發動機的噪聲和振動，同時延長發動機的壽命。對于不同類型的發動機和其他機械設備而言，該設計具有普遍適用性，可以有效地提高設備的性能。另外，該設計還可以為其他領域的研究提供有益的參考和啟示，如在其他類型的機械系統中應用空氣彈簧技術來提高系統的性能和可靠性。

4 結語

通過引入緩沖彈簧和氣門升程調節開關的新設計可以有效解決傳統配氣機構的不足之處。利用空氣彈簧的特性吸收氣門落座時的沖擊力、降低噪聲、提高耐久性和運行效率是該設計的核心優勢。

盡管現有的研究已經相對成熟，但有一些不足之處需要改進。例如，在一些高負載、高轉速的發動機中，氣門落座沖擊力較大，可能會導致空氣彈簧的緩沖效果不理想。此外，對于一些具有特殊工作需求的發動機，如航空發動機，需要更加精確的氣門控制和更高的耐久性。因此，未來的研究方向包括優化空氣彈簧的設計和制造工藝，提高其緩沖效果和耐久性，研究更加精確的氣門控制技術，以及針對不同類型發動機的工作需求進行定制化的設計和技術創新等。在今后的研究中，將繼續優化空氣彈簧開啟關閉發動機氣門裝置的設計方案，包括進一步優化彈簧剛度和響應速度等方面的設計。此外，還將研究該裝置在其他類型機械中的應用，以拓展其應用范圍和提高其市場競爭力。

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