氣門間隙對發動機性能影響的研究

雷蕾，周濤，常耀紅,張雪林，張超，喻春鳳

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

氣門間隙對發動機性能影響的研究

雷蕾，周濤，常耀紅,張雪林，張超，喻春鳳

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

運用AVL-Boost軟件搭建發動機熱力學模型，研究全轉速和低轉速工況時進、排氣氣門間隙變化對性能的影響，為氣門型線設計和低端性能優化提供了一定的依據。

氣門間隙；發動機性能；熱力學

Abstract:AVL-Boost software was used to build engine thermodynamic model. The influences of intake and exhaust valve clearance changes on engine performance under the conditions of full speed and low speed were analyzed. It provides a basis for valve design and optimization of low speed performance.

Keywords:Valve clearance; Engine performance; Thermodynamics

0 前言

合理的進排氣氣門間隙能夠保證發動機進氣充分、排氣徹底[1]。氣門間隙過大，進排氣開啟遲后、進排氣時間縮短，降低了氣門的開啟高度，改變了正常的配氣相位，易導致進氣不足和排氣不凈；氣門間隙過小，零件受熱膨脹，導致氣門關閉不嚴，造成漏氣[2-4]。此外，氣門間隙還會影響重疊角，過小導致重疊角變大，而過大則導致重疊角變小[5]。

針對某公司某款柴油發動機，利用AVL-Boost軟件搭建熱力學分析模型，對其進行熱力學仿真，研究氣門間隙變化對發動機性能的影響[6]。

1 仿真計算

1.1 模型建立

根據發動機的零部件布置及各零部件結構建立熱力學計算模型，見圖1。

1.2 模型標定

模型標定結果見圖2，計算值與目標值相吻合，作者認為該模型標定成功。

1.3 氣門間隙研究

文中研究的柴油機進氣方式為中冷增壓非VVT，采用機械式挺柱，氣門冷態間隙分別為：排氣間隙0.5 mm、進氣間隙0.25 mm。而試驗實測氣門熱態間隙：額定轉速下，氣門挺桿等零件膨脹量分別為排氣間隙0.27 mm、進氣間隙0.16 mm。

1.3.1 不同轉速下氣門間隙研究

結合試驗測量膨脹量對進排氣門間隙同時縮小相同比例，得出以下方案，見表1。

表1 各轉速氣門間隙研究mm

相應計算結果見圖3。

圖3對不同氣門間隙方案進行了各項發動機指標進行了對比。其中，紅色曲線為方案一、綠色為方案二、藍色為方案三。圖3中依次給出了發動機的BMEP(平均有效壓力，即輸出扭矩)、過量空氣系數(缸內實際進氣量與柴油最佳空燃比下的進氣量之比，即氣缸充氣效率)、BSFC(發動機比油耗，即發動機油耗量與功率比值，用來衡量發動機經濟性)、泵氣損失(缸內換氣過程中的損失)變化曲線。由以上計算結果可知：在均滿足BMEP要求的情況下，進排氣氣門間隙減小，使得進排氣門提前打開、延遲關閉從而重疊角變大，各轉速過量空氣系數均減小、油耗增加，泵氣損失在中高轉速時逐漸減小，因此油耗在中高轉速時變化量不大。

1.3.2 低轉速下氣門間隙研究

針對柴油機低端轉速(1 000 r/min)出現的過量空氣系數過低、油耗較高和排放不達標等諸多問題，在此重點對1 000 r/min的氣門間隙進行分析。

研究方案：進、排氣氣門間隙分別從0.5和0.25遞減至0.05 mm，對兩者進行組合交互計算,相應計算結果見圖4。

圖4中橫坐標為排氣門氣門間隙，縱坐標為各項發動機指標主要包括BSFC、過量空氣系數、泵氣損失。當進氣門氣門間隙選取0.25 mm時(如圖中紅色曲線所示)，隨著排氣門氣門間隙增大，BSFC減小、過量空氣系數先減小后增大(排氣門間隙在0.225 mm時最小)、泵氣損失增大。根據圖4所示：低轉速(1 000 r/min)時，隨著進、排氣門氣門間隙逐漸減小，泵氣損失減小，過量空氣系數先減小后增大，油耗逐漸增大。

作者對發動機氣門熱態間隙和冷態間隙進行對比分析：

方案一：排氣間隙0.5 mm，進氣間隙0.25 mm；

方案二：排氣間隙0.25 mm，進氣間隙0.10 mm。

圖5依次給出了方案一和方案二在發動機轉速1 000 r/min時的氣門升程、氣門有效流通面積、通過氣門的氣體流量隨著曲軸轉角變化的瞬態情況。不難看出：方案二排氣門開啟時刻提前、關閉時刻滯后，導致氣門重疊角增大。從缸內瞬態質量流量對比中可見：方案二在氣門重疊角期間缸內出現廢氣倒流，造成排出氣體減少4.8%、進氣減少5.02%，因此使得缸內殘余廢氣增加、燃燒惡化，油耗增加。

2 結論

(1)對于此次計算的柴油機而言，較大的進、排氣氣門間隙更有利于發動機進、排氣。

(2)氣門間隙變化會影響到進、排氣門開啟、關閉時刻，并改變配氣相位和氣門升程從而影響性能。對于低轉速(1 000 r/min)工況，隨著進、排氣氣門間隙減小，過量空氣系數先減小后增大，油耗則逐漸增高。

(3)針對氣門受熱膨脹造成的配氣相位和氣門升程改變，是否可通過優化氣門升程和配氣正時需要做進一步仿真研究和試驗驗證。

【1】 周龍寶.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2005.

【2】 蔣德明.高等車用內燃機原理[M].西安:西安交通大學出版社,2006.

【3】 席躍兵.淺析氣門間隙和配氣相位對發動機工作的影響[J].中國科技博覽,2013(21):434.

【4】 陳家瑞.汽車構造[M].北京:人民交通出版社,2009:255-256.

【5】 劉永長.內燃機原理[M].武漢：華中科技大學出版社，2008:220-221.

【6】 王軍，李龍超，李自強.某客車動力總成匹配優化計算[J].合肥工業大學學報:自然科學版,2009,32(S1):41-43.

StudyontheInfluenceofValveClearanceonEnginePerformance

LEI Lei,ZHOU Tao,CHANG Yaohong,ZHANG Xuelin,ZHANG Chao,YU Chunfeng

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

2014-04-22

雷蕾(1985—)，碩士，工程師，研究方向為發動機熱力學性能。E-mail:cumt_leilei@163.com。