氣缸蓋表面振動對發動機氣門沖擊特性的影響研究

徐罕 張剛 賈廣成

摘要：對發動機氣門容易發生故障的主要原因進行了分析，從研究氣門沖擊氣缸蓋的振動響應特性和傳遞特性出發，簡述利用氣缸蓋表面振動信號檢測和診斷發動機排氣門故障的途徑。氣缸蓋表面振動是發動機缸內各種激勵力沖擊的綜合響應，建立了氣缸蓋振動系統的多輸入單輸出線性模型，通過傅氏變換得出了激勵的傳遞函數，說明利用氣缸蓋表面振動信息來檢測缸內的工作情況是可以實現的。

關鍵詞：氣缸蓋;振動;發動機氣門;沖擊特性

在發動機不斷開啟和關閉的工作過程中，排氣門承受著高溫和高速沖擊的雙重負荷作用，使得排氣門是發動機最容易發生故障的零部件之一，容易因為燒蝕而出現漏氣現象，導致排氣溫度提高、功率下降。因此，對發動機氣門早期故障診斷技術的研究，是一項有意義的課題。近幾十年來，很多人研究了利用性能參數檢測發動機排氣門故障的方法。從文獻報道來看，利用溫度、壓力等參數檢測發動機故障費用高，傳感器安裝復雜，也不易實現早期輕微程度的故障檢測。

一、發動機氣門容易發生故障的原因分析

發動機配氣機構中的氣門，分為進氣門和排氣門，用來封閉進排氣道，由于氣門工作時承受的溫度很高，進氣門達300～400℃，排氣門高達780～980℃，且散熱潤滑困難，同時，由于現代高速發動機轉速很高，以上海桑塔納2000型轎車的AJR電控發動機為例，最大輸出功率時的轉速為5200r/min，根據四沖程發動機的工作原理，發動機配氣機構的進排氣門需要每分鐘各開啟關閉一次，即每分鐘開啟關閉2600次，而進排氣門作的是直線往復運動，因此，氣門受到的沖擊力很大，這就要求氣門材料必須在較輕的重量下有足夠的強度、剛度和導熱能力，能耐高溫和耐磨損。

二、氣缸蓋系統激勵源的分析和簡化

氣缸蓋結構是一個復雜的機械系統，其內部有無規則形狀的冷卻水套，并在垂直和橫向分別與氣缸體和進排氣管相連。氣缸蓋系統受到如下激勵力作用：

（1）燃燒室氣體壓力;（2）氣門落座沖擊力;（3）活塞不平衡往復慣性力和其它不平衡力矩;（4）各種隨機激勵。

同時，氣缸內高溫氣流引起的沖擊熱應力，活塞橫向運動敲擊缸套也會影響氣缸蓋的振動。整個氣缸蓋的振動主要由氣缸蓋本身的局部彎曲、扭轉振動與其整體的垂直振動疊加而成。尤其是氣缸蓋的邊界條件，系統結構阻尼等因素的影響很復雜，在理論上用積分方程描述及求解是非常困難的，簡單而有效的方法是用實驗分析方法。為了使問題簡化又不失其主要特性，簡化得到的結果與實際情況相符或在允許的誤差范圍內，首先對所研究的系統作以下假設：

1、氣缸蓋系統是一個線性且時不變的系統;

2、各個激勵之間是線性無關的

在假設成立的基礎上，建立了氣缸蓋系統的多輸入單輸出模型（圖1所示）。

圖1是表征氣缸蓋系統動態特性的多輸入單輸出線性系統模型，由于個激勵之間是不相關的，氣缸蓋表面輸出相應Y可寫成：

從發動機的工作特性分析可知，缸內氣體燃燒壓力、氣門開啟及關閉時間各相差一百八十多度曲軸角，所以各激勵力在時間與上是分離的。對于往復慣性力和回轉慣性力矩，由于傳遞路徑不同，故也可以與其它激勵力分離開。因此，圖1中的[XG]、 [Xv]、[XI]和y（t）可以通過實驗得到，并因此進一步計算可得到[HG] 、[H] 和[HI]。

三、結論

（一）氣缸蓋表面振動是發動機缸內各種激勵力沖擊的綜合響應。不僅反映了氣門落座、氣缸內爆壓沖擊產生的缸蓋彎曲、扭轉振動，而且說明不平衡慣性力和發動機上各種隨機激勵對氣缸蓋的振動均有較大的影響。

（二）氣缸蓋上的響應是由一系列瞬態響應疊加而成，每個激勵力所引起的響應的頻率特性是不同的。氣門落座響應和漏氣的能量主要在高頻，缸內爆壓和排氣門開啟的響應主要峰值在低頻。

（三）通過測試方法可以分離各激勵力并得到這些激勵力各自的傳遞函數，這就是說利用氣缸蓋表面振動信息來檢測缸內的工作情況是可以實現的。無疑，這種方法對于利用聲振信號診斷氣門故障是很有意義的。

參考文獻：

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[3] 梁紅波.基于氣缸振動信號的發動機故障診斷研究.[D]內蒙古：內蒙古工業大學，2010.

作者簡介：

徐罕，男，遼寧省營口市，研究生，營口職業技術學院，教授研究員級高級工程師，機械、電子及汽車教學與科研 。

張剛，男，1971.11 遼寧省營口市，研究生，營口職業技術學院? 高級工程師，機械、電子及汽車教學與科研。

賈廣成，男，遼寧省營口市人力資源和就業事務中心。