汽車發動機配氣機構設計的探討

史玉泉

（天津鑫現汽車貿易有限公司西青分公司，天津 300380）

汽車發動機配氣機構設計的探討

史玉泉

（天津鑫現汽車貿易有限公司西青分公司，天津 300380）

對于內燃機來說配氣機構是十分重要的，它能影響到內燃機的動力性、經濟性等性能，它是內燃機的重要組成部分。對于汽車的配氣機構來說，凸輪型線和配氣相位占有很大的比重，配氣機構設計的合理性都要同凸輪型線的評價標準相結合，只有通過對凸輪型線的系數、凸輪、挺柱接觸應力、氣門躍度、凸輪曲率半徑等情況進行分析，配氣機構的設計才能實現其合理性。

汽車；發動機；配氣機構；設計

1 汽車配氣機構的創新發展

目前汽車配氣機構技術又得到進一步的發展，其新技術主要包括：頂置凸輪軸技術、多氣門技術、可變氣門系統技術、無凸輪電液驅動技術。以下是對各技術的詳解：1.1 頂置凸輪軸技術

頂置式凸輪軸技術中凸輪軸的運動主要有凸輪直接驅動氣門式、擺臂式、搖臂式，這三種主要結構形式。凸輪直接驅動氣門式結構形式比較直觀，相對于其他形式來說復雜程度比較低，結構簡單。它的運動方式與凸輪驅動平底挺柱配氣機構的運動方式在本質上是接近的。擺、搖臂式結構可以較靈活地選擇擺、搖臂比，使凸輪型線升程工作的包角處于比較合適的狀態。它們通過擺臂和搖臂將凸輪的作用傳給氣門，所以它們同時運作并不能使凸輪升程方法得以實現，它們這種結構形式使得凸輪升程比氣門升程低。

單頂置，雙頂置凸輪軸的劃分主要按凸輪軸的數目劃分。顧名思義，單頂置凸輪軸就是在氣缸蓋上設置一條凸輪軸，而雙頂置凸輪軸就是在氣缸蓋上安置兩條凸輪軸，在氣缸兩側各安置一個。

1.2 多氣門技術

何謂多氣門技術？簡單來說就是指多氣門發動機每一氣缸的氣門數目都超過兩個，目前的汽車上多氣門發動機多是四氣門式的，而多氣門發動機大多分為兩個進氣門和一個排氣門的三氣門式，兩個進氣門和兩個排氣門和兩個排氣門的四氣門式以及三個進氣門和兩個排氣門的五氣門式。所謂三、五、六氣門式就是進、排氣門相疊加，四缸發動機就有十六個氣門，六缸發動機有二十四個氣門，八缸發動機則有三十二個氣門。氣門數目越多增加相應的配氣機構裝置越多，構造就越復雜。如果想擴大氣門頭的直徑，使氣流通過的面積得以擴大，換氣性能得到合理改善，就要在氣缸燃燒室中心兩側的傾斜位置上布置氣門，這樣有利于混合氣的迅速燃燒。

1.3 可變氣門系統技術

所謂可變氣門系統技術，即當今汽車的高性能發動機都普遍配備的系統，該系統也叫連續可變氣門正時系統。它對優化汽車發動機配氣過程的作用可以通過對配置的控制與執行以及對發動機凸輪的氣門升程工作的完善達到。目前的汽車發動機大都有利用進氣慣性去提高進氣量和掃氣效率的功能，在高轉速下使發動機的氣門早開晚閉，低轉訴下則是晚開早閉。

1.4 無凸輪電液驅動技術

近幾年出現了可以使汽車發動機燃油經濟性和有害物降低的發動機，該發動機就是無凸輪電液驅動技術的配氣機構發動機。之所以說這種發動機具有創新技術，主要原因來源于它所具備的特點。該技術的特點是在發動機中，氣門開啟的氣門升程、開啟持續時間都可以相互獨立。它取代了傳統的機械式凸輪軸對于氣門的控制，改用電液驅動裝置來替代。

2 凸輪型線設計技術

在凸輪型線的設計方面，大致經歷了靜態設計、動態設計、系統優化設計三個階段。

2.1 靜態設計

圓弧凸輪以其簡單的型線、挺柱位移、速度曲線連續，在前幾年得到廣泛使用。當汽車內燃機發動轉速低時，它的振動和噪聲都較小，但是它的加速度曲線不連續，

配氣機構慣性力的突變以及在內燃機轉速提高時的振動、噪聲增大使人們逐漸減少了對圓弧凸輪的使用，轉而又設計了函數凸輪，函數凸輪的位移、速度和加速度都是連續的。函數凸輪還叫低次方凸輪、高次方凸輪、復合正弦凸輪和復合擺線凸輪等。雖然它能夠在一定范圍內使配氣機構的振動和噪聲降低，但是其氣門運動規律并不能與凸輪所需要的控制的挺柱運動規律所匹配。

2.2 動態設計

但凡對汽車知識有一定基礎的人都知道，發動機配氣機構是一個具有彈性的振動體。從發動機的彈性振動和凸輪型線控制運動的角度考慮，可以將汽車發動機配氣機構理解為較為簡單的單質量振動模型，也可以將其看為復雜的多質量振動模型。只要物理模型參數的選擇合適適當，其計算的結果一定會與實驗結果不差上下，但是這種計算在凸輪型線設計完成以后才能對發動機的振動狀況進行校對。如果振動超過允許值就要需要重新設計凸輪，直到能對設計要求滿足為止。

2.3 系統優化設計

最優化的匹配關系就存在于發動機配氣凸輪型線、凸輪轉速與配氣機構的參數之間。系統優化設計就是將配氣凸輪型線與配氣機構動態參數都考慮在其范圍內，從而使凸輪型線的設計優化進行。為了使配氣機構更加平穩的運行，就需要對配氣機構各參數之間進行最優化的匹配設計，只有這樣才能使凸輪設計滿足凸輪設計的指標，這是一種創新的凸輪型線設計方法。

3 建立配氣機構優化設計模型

單質量模型、二質量模型、多質量模型、有限元模型共同構成配氣機構優化設計模型。其單質量模型的特點在于它的結構簡單不復雜，待定參數較小，便于計算。單質量模型描述了氣門運動中的氣門質量以及其他換算到氣門處的質量運動。此外，該氣門運動的氣門桿到凸輪軸的剛度稱為系統剛度，零部件的各阻尼稱為系統阻尼。二質量模型對氣門質量與集中質量進行分離，這一分離是在單質量模型的基礎上進行的。二質量模型參數和單質量模型都可以由實驗測定，是因為二質量模型中的某些質量的剛度與單質量模型系統的剛度接近，而單質量模型的氣門桿形狀說明單質量模型的剛度可以通過計算得到。所以說二質量模型參數也可以通過實驗計算得到。

為了使發動機配氣機構各部件的變形、阻尼得以正確的反應，在研究各個部件的運動規律與應力狀態使，大多都會運用集中質量、剛度的形式將該配氣系統改成有限自由度的等效力學系統。這一系統就稱為多質量動力學模型，配氣機構中的推桿、挺柱、搖臂、氣門和內外氣門彈簧可以用多個集中質量來代替。

最后，近期隨著有限元技術的成熟與發展，使有限元模型可以對汽車的配氣機構進行動力學角度的專業分析，配氣機構的零件振動和振動型都可以通過這一分析得到。在配氣機構的分析計算中有限元模型的使用，可以在很大程度上幫助對氣門振動的使用期限和可靠性的研究，這一研究是在考慮氣門振動的情況下進行考慮的。它的好處是能夠計算出配氣機構的零件位移、速度、加速度和零件接觸應力、變形。

4 優化設計凸輪型線

4.1 凸輪型線設計思路

通過對發動機配氣機構的結構和凸輪型線的數據進行分析，使發動機的配氣機構動力學模型的建立得以實現。根據配氣機構評價標準對配氣機構的優劣分析就是利用這一模型所實現的，還可以利用模型進行凸輪型線的優化設計最終得到優化后的凸輪型線。

4.2 緩沖段的設計方案

為了消除氣門受力時的彈性變形，研發出了凸輪型線緩沖段的設計。應挺柱升程曲線在緩沖段分為上升段和下降段，需求不同，對這兩段的設計也可以有所不同。簡單來說，如果想要使氣門開啟速度加快，關閉時落座速度變小，可以采取將上升段包角變短及將下降段的包角變長的方法。緩沖段主要有三個設計參數包括緩沖段的高度、緩沖段包角和緩沖末了速度。在參數設計過程中，最重要的是緩沖段的高度選取，選取時需要考慮的是：消除氣門間隙和配氣機構彈性變形量。一旦氣門間隙剛消失，氣門就必須要保持靜止，一直到氣門受到向下的作用力超過向上的作用力，只有達到這一條件氣門才會開啟。

4.3 工作段的設計

工作段以其對配氣機構性能的直接性影響，成為發動機配氣機構凸輪型線的重要組成部分也是最關鍵的部分。對此，有一個軟件提供了三種配氣凸輪工作段的設計方案，這三種方案分別是氣門多項動力凸輪、氣門加速凸輪及氣門分段加速度函數，這個軟件就是AVL TYCON。為了提高配氣機構的性能、使凸輪軸加速度連續起來、降低慣性力的突變可能性、減少配氣機構的跳動，凸輪型線就要采取高次方曲線的方法。

5 結束語

對配氣機構的設計影響著汽車發動機的性能、經濟性、可靠性以及使用時間，因此，對于汽車的發動機來說，配氣機構是其中最應該重視的機構之一。目前汽車市場應用最廣泛的配氣機構，配氣形式就是氣門凸輪式的配氣機構。汽車行業是復雜的，對于汽車各方面的研究也是復雜的在研究發動機的配氣機構方面，也要進行大量的分析和計算，最終就是為了得出更適應于汽車發動機工作的配氣機構，這樣的研究不是一個短暫的過程，而是十分長遠的過程。

［1］魏宇明. 汽車發動機配氣機構的分析設計研究［D］.重慶大學，2012.

［2］武彬. 汽油機低摩擦系統優化及其對節能影響研究［D］.吉林大學，2013.

［3］孫勝軍. 發動機配氣機構優化改進設計探析［J］. 中小企業管理與科技（中旬刊），2016，03：267.

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1671-3818（2016）10-0182-02