柴油機進氣門改進設計

摘 要：通過對柴油機氣門斷裂質量問題的調查、分析，找出結構上存在的問題，并對進氣門作了優化設計。實驗結果證明，新結構的進氣門有效解決了斷裂質量問題。

關鍵詞：柴油機；進氣門；改進設計

1 前言

氣門是保證柴油機工作可靠性和耐久性的重要零件之一，氣門的作用是專門負責向發動機內輸入空氣并排出燃燒后的廢氣。從發動機結構上，分為進氣門（inlet valve）和排氣門（exhaust valve）。進氣門的作用是將空氣吸入發動機內，與燃料混合燃燒；排氣門的作用是將燃燒后的廢氣排出并散熱。氣門的材質在通常分為40Cr、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo、21-4N和23-8N共5種。5Cr8Si2、4Cr9Si3、21-2N、21-12N、23-8N、XB等已在一些引進機型上大批量使用。高溫鎳基合金在高負荷發動機排氣門上也開始應用。氣門對柴油機的動力性和經濟性也有很大的影響。市場部反映，某型號柴油機投入市場運行一段時間后，發現部分進氣門有斷裂現象，給用戶造成較大損失。因此，需要對進氣門進行改進設計。

2 斷裂原因分析

從實際調研情況來看，該型號柴油機進氣門斷裂的主要表現為氣門盤部掉塊、頸部斷裂。

1.柴油機進氣門的工作條件

柴油機進氣門的工作條件極其惡劣：承受氣體壓力的沖擊；氣門頭部平面直接與高溫燃氣接觸，不僅受熱，而且受腐蝕，散熱條件很差；氣門落座時產生并承受很大的沖擊載荷。在這樣惡劣的工作條件下，氣門經常出現變形、燒傷、點蝕、座合面磨損、氣門斷裂等故障。

導致氣門產生故障的原因很多，主要有：配氣機構的剛度不能滿足使用要求，這也促使柴油機生產企業不斷開發或持續改進其產品。新一代的柴油機同上個世紀九十年代初期的同排量機型相比，均增大了強化程度，體現為不同程度地提高了升功率，其中某些機型升功率提高了一倍，從而導致柴油機的部分零部件，尤其是進、出氣門的熱負荷和機械負荷成倍增加。在強化柴油機中，氣門落座時要承受的沖擊載荷高達30 000N左右，如此條件下，若氣門結構的設計、材料的選用以及加工工藝不做改進，氣門失效是不可避免的。

2.氣門結構分析

氣門室在高溫、高機械負荷及冷卻潤滑困難的條件下工作，氣門頭部承受氣體壓力的作用以及氣門落座時由于零件的慣性力而引起的較大沖擊。因此，對氣門結構形狀的要求是對氣體的流動阻力小，重要輕，并且有足夠的剛度和強度。由圖1可看出，改進前進氣門厚度相對較小，進氣門的強度較低，在氣門落座力和氣體壓力的作用下，容易產生疲勞破壞，導致進氣門斷裂。

3 改進設計

為提高進氣門的強度，需要改進進氣門的頭部結構。當提高氣門強度時，首先應考慮增加氣門頭部的厚度，而配氣結構的動力性能與氣門的剛度和質量密切相關。

為達到氣門強度、剛度、質量的良好匹配，針對改進前后的進氣門，進行氣門三維有限元分析和配氣機構動力學分析，經過多次反復計算，確定改進后進氣門結構如圖2所示。

1 氣門三維有限元分析

首先建立進氣門的PROE三維實體模型。采用Ansys劃分網格并進行有限元分析，根據發動機工作原理，在進氣門底部施加缸內爆發壓力，進氣門和氣門閥座接觸處施加線性全約束，通過有限元計算獲得進氣門的應力和變形。由于主要分析進氣門的剛度，因此只分析進氣門的變形量。經ANSYS三維有限元計算，進氣門的最大變形由0.072mm減小到0.047mm，降低了35%。

2 .配氣機構動力學分析

利用AVL公司的TYCON軟件完成配氣機構動力學分析。建立配氣機構動力學計算模型（圖3），將實際的配氣機構描述成一個串聯的質量系統，大部分零件都可以被描述成由彈簧/阻尼/質量三部分組成的元素（例如：挺柱、推桿、氣門桿），參數設定完全按照實際結構參數輸入。

改進氣門結構，主要影響配氣機構動力學中的氣門落座力，而氣門落座力與氣門的剛度和質量成正比。因此，配氣機構動力學分析的主要目的是：在保證氣門具有足夠強度的基礎上，盡量減少氣門的剛度和質量。為提高進氣門的強度，增大了氣門頭部的厚度，相應提高了氣門的剛度和質量，導致氣門落座力略有增加（由1600N增加到1760N），但仍在允許的范圍內。

4 試驗鑒定

為了給改進設計后的進氣門在該型號柴油機上推廣應用提供技術依據，我們按照以上優化設計的方案加工了新進氣門，并在柴油機試驗臺架上進行了1000小時可靠性試驗，由測量結果可以看出：采用改進后的進氣門，下沉量一般在0.50mm范圍內，滿足使用要求。

5 結論

本文在對當前某型號柴油機配氣機構的工作條件、進氣門的頭部形狀進行分析的基礎上，對進氣門結構進行了優化設計；并通過氣門三維有限元分析、配氣機構動力學分析、柴油機實驗臺架實驗，證明此次改進設計是成功的。

參考文獻

[1].H.梅梯格{西德}：《高速內燃機設計》[M].機械工業出版社，1984年

作者簡介

楊林（1968—），女，山東濰坊人，山東科技職業學院機械系教師，工程碩士，高級工程師，主要研究方向為機械設計與教學。