柴油機配氣機構動力學仿真

摘要：本文以S195型柴油機配氣機構實體作為模型，結合相關圖紙得出各零部件的質量、剛度、阻尼等相關信息，在AVL中的Excite Timing Drive子模塊建立S195型柴油機配氣機構的動力學模型，對配氣機構氣門進行動力學仿真計算，得出各零件間的相互作用力、氣門升程、速度、加速度等在一個工作循環(huán)內(nèi)的曲線，據(jù)此對配氣機構進行動力學仿真分析。結果表明：仿真所得的升程曲線基本上與設計的理論升程一致，并且改型配氣機構的各零部件的受力也未超過一般情況的允許范圍;配氣機構的氣門并未出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象;氣門打開后，氣門閥座力瞬間變?yōu)榱悖爽F(xiàn)象可說明沒有出現(xiàn)明顯的氣門反跳現(xiàn)象。

關鍵詞：柴油機 ;配氣機構;動力學分析

1 引言

隨著內(nèi)燃機的設計、制造水平的提高，在體積、質量力求更小的同時，其速度和功率卻在逐漸增大。為了滿足上述的各方面要求，必須將提高內(nèi)燃機的各項性能、降低排放、減少各零部件之間的磨損作為高性能內(nèi)燃機的主要研究方向。

配氣機構作為發(fā)動機的兩大機構之一，對發(fā)動機的性能有重要影響，發(fā)動機的配氣機構設計的合理與否，毫無疑問將直接影響發(fā)動機的各方面性能_[1]。發(fā)動機在運轉時，配氣機構的各零部件之間會相互接觸，必然導致剛度偏小的零件出現(xiàn)彈性變形，嚴重時將導致氣門出現(xiàn)落座反跳、飛脫、內(nèi)外彈簧并圈、凸輪軸過度磨損等現(xiàn)象。這些不良情況的出現(xiàn)必將導致發(fā)動機不能在預先設計的狀態(tài)下運行，使其各方面性能惡化_[2～3]。

動力學仿真分析要求我們把配氣機構進行簡化，根據(jù)作用在配氣機構各零件上力的關系，針對進、排氣門的運動建立可求解的微分方程，同時各零件的彈性變形阻尼、剛度、質量等因素也必須納入我們的考慮范圍。通過這種簡化，我們就能夠較為方便但又不失合理準確地分析配氣機構各零部件的受力及運動情況_[4]。

目前，對柴油機配氣機構進行動力學分析已成為發(fā)動機性能分析的一個重要組成部分_[5～6]。同時，配氣機構的升級也是對發(fā)動機整機性能優(yōu)化的有效途徑_[7～8]。

2 研究方法與方案

2.1數(shù)值模擬計算模型的建立與驗證

根據(jù)S195型發(fā)動機配氣機構的實際零部件布置情況，所建原機模型如圖1所示，計算模型由13個單元組成。包括凸輪軸、凸輪軸相位、氣門、氣門的內(nèi)外彈簧、凸輪、推桿、挺柱搖臂等。

對標定轉速（1000r/min）下工況進行了模擬，并對模擬結果進行分析討論。

3 結果分析

3.1 氣門升程及其速度

在一個工作循環(huán)內(nèi)，氣門兩次開啟，氣門升程曲線類似于半正弦波，最大氣門升程約為0.0108m?？梢钥闯?，氣門升程曲線十分平滑，沒有出現(xiàn)斷點，說明在發(fā)動機運行時，配氣機構的氣門并未出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象。

其次對氣門速度進行分析，在圖2中，氣門速度近似呈分段的一次函數(shù)進行變化，先由0m/s逐漸增加到最大值2.4m/s，再迅速降至-2.2m/s，最后又逐漸變?yōu)榱悖瓿梢淮伍_啟。

可以看出，氣門絕對速度在最大值附近時，出現(xiàn)了較為明顯的波動，這可能與凸輪型線的設計及參數(shù)的設置有關。落座時，氣門速度并沒有立刻歸零，出現(xiàn)了較為明顯的波動，原因在于存在的氣門間隙。氣門在回落時本身以一定的速度與氣門座接觸，接觸后會出現(xiàn)多次震蕩，最后速度變?yōu)?。而這種速度的波動正是發(fā)動機所產(chǎn)生的噪聲的主要來源。氣門落座時沒有明顯的反跳現(xiàn)象。

3.2 氣門加速度

氣門的加速度值要求控制在可取范圍值之內(nèi)，以防止氣門飛脫現(xiàn)象的出現(xiàn)。加速度值的異常變化會造成配氣機構的劇烈震動。

3.3 凸輪與挺柱間的接觸應力

凸輪與挺柱的相互接觸必然會造成兩零件間的相互磨損。因此必須驗證其接觸力大小是否在需用范圍之內(nèi)。凸輪與挺柱間的接觸力從0開始急劇增大，在1500N附近變化。在氣門上升期間的變化尤為劇烈，總體呈上升趨勢;而在氣門回落期間，接觸力變化相對緩慢，一直呈下降趨勢;氣門落座時，接觸力變化也較為劇烈，這可能是因為零件間的不平滑接觸所造成，但總體在可接受范圍之內(nèi)。

4 結論

1. 升程曲線與理論升程曲線基本一致，并且改型配氣機構的各零部件的受力也未超過一般情況的允許范圍;

2. 配氣機構的氣門并未出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象;氣門打開后，氣門閥座力瞬間變?yōu)榱?，此現(xiàn)象可說明沒有出現(xiàn)明顯的氣門反跳現(xiàn)象。

3. 仿真分析的結果符合S195柴油機的運行情況，仿真模型準確合理，為S195型柴油機配氣機構研究提供了參考。

參考文獻：

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[4]秦鳳蓮， 畢玉華， 申立中，等. 柴油機配氣機構動力學仿真及優(yōu)化[J]. 拖拉機與農(nóng)用運輸?車， 2010， 37（5）：71-73.

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[7]陳陽， 姜學濤， 劉建. 配氣機構動力學仿真分析[J]. 科技風， 2011（1）：187-187.

[8]陳仲海. 柴油機氣門組動態(tài)特性分析研究[D]. 中北大學， 2013.

作者簡介：姓名：陸大勇（1994-），性別：男，民族：漢，籍貫：江蘇省連云港市灌南縣，職務/職稱：學生?學歷：碩士在讀單位：江蘇大學?研究方向：動力工程;所在省市：江蘇省鎮(zhèn)江市