乘用車主流氣門驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)特點及其影響分析

孫云龍 胡志剛 施玉春 閆立凱 張世偉

哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

當(dāng)今頂置凸輪軸配氣機構(gòu)已然是乘用車所選用的的主流趨勢，相比于單頂置凸輪軸，雙頂置凸輪軸的進排氣相位可以獨立控制，配氣相位的控制可以更精準，這就使得進氣更充足、燃燒更充分，往往發(fā)動機發(fā)揮出來的性能也就更出色。

在雙頂置凸輪軸中，又有兩種配氣機構(gòu)被普遍采用，分別是液壓挺柱滾子搖臂式配氣機構(gòu)和杯狀挺柱氣門直驅(qū)式配氣機構(gòu)。這兩種配氣機構(gòu)在我司分別可對應(yīng)兩種批產(chǎn)機型4G15M和4G15M2發(fā)動機。下面主要結(jié)合我司的這兩款批產(chǎn)發(fā)動機，對這兩種配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點和優(yōu)劣進行分析。

2 結(jié)構(gòu)特點

首先結(jié)合二者完整的三維剖視圖，對其結(jié)構(gòu)形式、組成、功能、執(zhí)行方式等進行簡單介紹，請見下圖：

如圖1所示，4G15M型發(fā)動機這種滾子搖臂液壓挺柱式配氣機構(gòu)，主要由凸輪軸、滾子搖臂、液壓挺柱和氣門彈簧等零件構(gòu)成。

其工作原理為：凸輪軸旋轉(zhuǎn)，在凸輪桃尖向下的壓力與液壓挺柱向上的支撐力共同作用下，滾子搖臂壓迫氣門做直線運動，使得氣門開啟；當(dāng)凸輪運動到基圓位置時，依靠氣門彈簧的回彈力，保證氣門落座。

圖1 4G15M發(fā)動機配氣機構(gòu)

整個氣門工作的特點在于：凸輪軸凸輪部分與滾子搖臂的軸承部分始終接觸，滾子搖臂的兩端分別與液壓挺柱和氣門接觸，在這三者的力的共同作用下，既保證了滾子搖臂可以“懸浮”在氣缸蓋內(nèi)，又保證了氣門可以隨著凸輪旋轉(zhuǎn)而做直線運動；另一個重點在于液壓挺柱，液壓挺柱內(nèi)有油腔與缸蓋油路連通，依靠液壓油維持挺柱伸出量，支撐著滾子搖臂的不規(guī)則運動。

如圖2所示，4G15M2型發(fā)動機這種杯狀挺柱氣門直驅(qū)式配氣機構(gòu)，主要由凸輪軸、杯狀挺柱和氣門彈簧等零件構(gòu)成。

其工作原理為：凸輪軸旋轉(zhuǎn)，在凸輪桃尖向下的壓力的作用下，杯狀挺柱壓迫氣門做直線運動，使得氣門開啟；當(dāng)凸輪運動到基圓位置時，依靠氣門彈簧的回彈力，保證氣門落座。

整個氣門工作的特點在于：杯狀挺柱與氣門始終接觸，在凸輪桃尖的作用下，杯狀挺柱壓迫氣門做直線運動。

4G15M2發(fā)動機與4G15M發(fā)動機配氣機構(gòu)最大的不同就是，滾子搖臂+液壓挺柱式的驅(qū)動方式被杯狀挺柱直接取代了，由此，結(jié)合配氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計要素，在凸輪型線、氣門夾角、彈簧力等參數(shù)上也做了適應(yīng)性的優(yōu)化設(shè)計。

圖2 4G15M2發(fā)動機配氣機構(gòu)

圖3 兩款發(fā)動機彈簧力

3 影響分析

單從結(jié)構(gòu)來講，4G15M發(fā)動機配氣機構(gòu)與4G15M2發(fā)動機配氣機構(gòu)最大的區(qū)別在于滾子搖臂+液壓挺柱式的驅(qū)動方式被杯狀挺柱直接取代了；前者的壓力作用靠凸輪桃尖與滾子搖臂軸承處的滾動摩擦實現(xiàn)，后者靠凸輪桃尖與杯狀挺柱表面的滑動摩擦實現(xiàn)。

若從機械原理的角度分析，相同壓力下，滑動摩擦阻力會大于滾動摩擦阻力，也就是會加大機械損失。但是隨著減磨設(shè)計理念的逐漸深入，直驅(qū)式配氣機構(gòu)已通過多種手段，將摩擦減至合理范圍，其中包括提高杯狀挺柱表面光潔度，減小彈簧力，建立油膜等，簡要影響分析如下:

（1）提高杯狀挺柱表面光潔度，減小摩擦表面動摩擦因素；

杯狀挺柱上表面的光潔度可達RZ1，約相當(dāng)于表面粗糙度可達Ra0.125，極大程度上減小了杯狀挺柱的表面動摩擦因素，從而減小了滑動摩擦力。

（2）減小彈簧力，減小摩擦壓力；

相比于4G15M壓縮后416.2N的彈簧力，4G15M2發(fā)動機僅有308.9N；減小后的彈簧力，既能保證氣門及時回位，又能從一方面減小凸輪壓迫杯狀挺柱時所受到的壓力，從而減小了滑動摩擦力。

圖4 機械損失對比

（3）4G15M2發(fā)動機凸輪軸為中空凸輪軸，內(nèi)設(shè)油道，在潤滑凸輪軸頸的同時，在杯狀挺柱表面建立油膜，起到潤滑減小摩擦的作用。

通過以上措施后，4G15M2發(fā)動機與4G15M發(fā)動機機械損失對比如圖4：

由圖4可知，4G15M2發(fā)動機與4G15M發(fā)動機的機械損失曲線基本重合，在較高發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，4G15M2發(fā)動機機械損失略微高出1kW左右，二者配氣機構(gòu)的摩擦損失已基本相當(dāng)。

4 結(jié)語

綜上所述，結(jié)合我司兩種批產(chǎn)發(fā)動機的對比，可以看出，對于中小排量發(fā)動機，杯狀挺柱氣門直驅(qū)式配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)更加簡單，工作更加穩(wěn)定可靠，雖機械損失略高出液壓挺柱滾子搖臂式配氣機構(gòu)，但通過各種減小摩擦的設(shè)計手段，已使得高出部分可以忽略不計；最后由于其簡單可靠的結(jié)構(gòu)原理，可以適應(yīng)更惡劣的工作環(huán)境，對于升級開發(fā)、匹配設(shè)計更占優(yōu)勢，市場應(yīng)用前景更加廣闊。