液壓挺柱泄沉時間對氣門升程影響的研究

趙 波 孟祥斌 劉 東 趙福成 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利羅佑發動機有限公司）

引言

發動機被譽為汽車的心臟，發動機的動力性能、油耗、駕駛舒適性、NVH等特性越來越受關注。發動機中關鍵的運動副-配氣機構是影響發動機性能的重要因素之一。傳統的發動機以前都采用機械杯式挺柱，發動機在工作時，氣門及其傳動件如挺柱、推桿等都將受熱膨脹而伸長。如果氣門與其傳動件之間在冷狀態時沒有預留間隙，在熱狀態下，由于氣門及其傳動件膨脹伸長而頂開氣門，破壞氣門和氣門座圈之間的密封，造成漏氣，影響發動機性能。所以，在裝配發動機時，必須在氣門與其傳動件之間預留適當的間隙。但氣門間隙既不能過大，也不能過小。氣門間隙過小，不能完全消除上述弊病；氣門間隙過大，氣門和氣門座圈以及傳動件之間將產生撞擊和異響，造成過度磨損[1]。為了消除以上弊病，現在的發動機基本上都采用液壓挺柱來實現零氣門間隙。當氣門及其傳動件因溫度升高而膨脹或因磨損而縮短時，液壓挺柱進行自動調整和補償，從而使發動機氣門升程達到最理想狀態，更好地發揮發動機的動力性能、經濟性能以及NVH性能。影響液壓挺柱工作的重要參數是其泄沉時間，如果液壓挺柱沉降太慢，會帶來啟動異響；液壓挺柱沉降太快，會使氣門無法按設計狀態及時開啟和關閉，嚴重時會使整個配氣相位錯亂。故研究液壓挺柱泄沉時間對氣門升程的影響意義重大。

1 配氣機構的動力學仿真分析

配氣機構是發動機的重要組成部分，控制著發動機的換氣過程，其設計優劣直接關系到發動機的動力性、經濟性、排放性能以及工作可靠性和耐久性[2]。配氣機構動力學仿真分析的目的是為了使所設計的凸輪型線滿足氣門升程、曲率、豐滿度、速度、加速度、凸輪與挺柱或搖臂接觸應力、彈簧裕度等要求，保證氣門有良好、準確、平穩的運動規律和盡可能大的氣流通過能力，避免因不連續而造成加速度曲線突變，引起配氣機構產生振動和噪聲，破壞配氣相位，損害發動機。

CAE模擬仿真分析能更好地校核凸輪與從動件之間接觸應力、氣門落座力、彈簧力等是否滿足要求，以及檢查是否存在從動件飛脫、氣門反跳等現象，從而更好地評價氣門機構動力學特性、液壓挺柱動力學特性及功能適用性[3]。

本文對一款缸內直噴增壓四缸發動機單閥系進行動力學仿真分析，考慮超速時發動機各零部件的運動條件最為惡劣，若發動機在超速時能滿足動力學性能要求，則在其他轉速都會滿足要求。因此本文對發動機5 500 r/min超速20%，即發動機轉速為5 500×120%=6 050 r/min的狀況進行分析。分析模型如圖1所示。

分析表明：

1）通過對配氣機構動力學特征進行分析可知，配氣機構的主要動力學特征參數未出現異常。氣門落座力為527N，滿足不超過6倍氣門彈簧預緊力的設計要求；氣門落座速度為0.46 m/s，滿足不超過1 m/s的設計要求，可保證氣門與氣門座之間不出現異常磨損。

2）通過對液壓挺柱動力學特征進行分析可知，液壓挺柱的主要動力學特征參數未出現異常。球塞在許用升程范圍之內運動，不失效；由柱塞間隙、行程和受力得出柱塞具有良好的泵油效果；球閥正常開啟和關閉，以便補油，無異常的壓力下降或上升趨勢，滿足要求。

3）通過對搖臂動力學特征進行分析可知，搖臂的主要動力學特征參數未出現異常。搖臂滾輪與凸輪接觸應力為980 MPa，滿足小于1 500 MPa的設計要求，凸輪與搖臂未發生飛脫現象。

圖1 配氣機構單閥系動力學仿真模型

2 配氣機構動態測試

在CAE模擬仿真分析后進行配氣機構動態測試。測試用發動機為上述動力學仿真分析所用的缸內直噴增壓四缸發動機，配氣機構為液壓挺柱驅動氣門的常規結構。將發動機缸蓋以上部分安裝在臺架上，模擬發動機臺架試驗工況，進行冷啟動試驗及動態性能試驗。

2.1 冷啟動試驗

冷啟動試驗臺架布置如圖2所示。

圖2 冷啟動試驗臺架

2.1.1 試驗零部件的選取

試驗開始前，先對因液壓挺柱配合間隙不同而造成泄沉時間不同的零部件進行低溫冷啟動驗證。取3組泄沉時間范圍的液壓挺柱作為試驗對象，見表1。

表1 不同泄沉時間分組

2.1.2 冷啟動試驗條件

將發動機缸蓋置于低溫試驗箱中6 h，選擇-36℃作為測試溫度，用電機驅動并給予合適的機油進行潤滑，模擬發動機轉速及相應的機油壓力，測試液壓挺柱不同的泄沉時間所對應的冷啟動噪聲穩定時間。

2.1.3 測試結果

測試結果如表2和圖3所示。

表2 不同泄沉時間測試結果

圖3 噪聲穩定時間與液壓挺柱泄沉時間的關系

從表2和圖3可以得出，隨著液壓挺柱泄沉時間的增加，冷啟動噪聲的穩定時間隨之增加，且增加呈非線性趨勢。

液壓挺柱泄沉時間的下限值通常由發動機啟動噪聲所確定，即不同的噪聲需求有不同泄沉時間下限值的液壓挺柱。但并不是下限值越小越好，還要綜合考慮發動機轉速、機油溫度以及泄沉時間對氣門升程的影響。

液壓挺柱的結構特征決定了其在不同條件下的工作特性將有所不同。為研究不同泄沉時間的液壓挺柱在不同發動機轉速、不同機油溫度條件下的氣門升程變化，需對配氣機構進行動態性能試驗驗證。

2.2 動態性能試驗

動態性能試驗臺架布置如圖4所示。

圖4 動態性能試驗臺架布置

2.2.1 試驗工況及試驗條件

選擇上述3組不同泄沉時間的液壓挺柱，每缸對應裝上理論剛性挺柱。試驗采用3種不同的機油溫度，發動機轉速從怠速一直到超速，采用激光位移傳感器監測氣門升程、速度及加速度等數據[4]。臺架使用電機驅動發動機，試驗工況見表3。

表3 不同泄沉時間分組對應工況

2.2.2 試驗結果分析

經過對所測數據進行分析處理，得到如圖5所示的氣門升程、速度及加速度的特性曲線以及如圖6所示的不同泄沉時間所對應的氣門升程損失示意圖。

圖5 氣門升程、速度及加速度曲線圖

圖6 氣門升程損失示意圖

以理論進氣門升程10.5 mm的設計要求對原始數據進行分析可知：

1）不同泄沉時間的氣門落座速度都滿足設計要求，都小于0.5 m/s。

2）相同泄沉時間下，機油溫度越高，氣門升程損失越大。

3）發動機在低轉速下，泄沉時間越短，氣門升程損失越大。

具體數據統計如圖7所示。

圖7 不同泄沉時間測試數據

3 結論

本文就發動機液壓挺柱不同泄沉時間對發動機氣門升程及發動機冷啟動噪聲影響的問題進行了理論分析及試驗研究，得到以下結論：

1）在寒冷地區，發動機啟動后，缸體及冷卻液溫度均較低，需要一定時間后，機油壓力及機油溫度才能達到工作壓力及工作溫度，會影響液壓挺柱的工作性能。根據試驗研究，泄沉時間越短，液壓挺柱越能降低發動機冷啟動時配氣機構的噪聲。因此，一般在設計開發前期進行配氣機構動態驗證，選擇泄沉時間較短的液壓挺柱來改善發動機冷啟動時配氣機構的噪聲問題。

2）發動機在低轉速時，泄沉時間越短，氣門升程損失越大；氣門升程損失大，會影響發動機的整體性能。為了兼顧發動機低轉速時的性能，并解決發動機冷啟動噪聲問題，選擇合適泄沉時間的液壓挺柱對于配氣機構的開發尤為重要。

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