配气机构文献综述

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1、文献综述题目168F汽油机设计一一配气机构二级学院车辆工程学院专 业能源与动力工程112040601学生姓名彭元平学号指导教师屈翔 职称 副教授2016-3-20摘要：配气机构作为内燃机的重要组成部分其设计合理与否直接关系到内燃机的动力 性、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。本文综述了汽油机配气机构的发 展现状，论述了对配气机构优化设计的必要性，阐述了发动机配气机构优化设计的发 展方向。关键词：配气机构、凸轮型线、配气相位、气门弹簧。Abstract：As important part of the internal combustion engine, valve mechanism

2、 with right design is a must, for it is directly relevant to power, economic performance, emission performance, reliability and durability of the internal combustion engine. This paper reviewed the gasoline engine valve mechanism from the aspects of the state-of-the-art and the necessities of its op

3、timization design, and set forth the development of engine valve mechanism optimization design.Key words：Air distribution mechanism Cam type line Gas distribution phase Valve spring1.前言配气机构是汽油机最重要的组成部分它的功能是实现换气过程，即根据气缸的工 作次序，定时的开启和关闭进、排气门，以保证换气充分。一台汽油机的工作是否稳 定可靠1，噪声与振动是否控制在较低的水平，都与其配气机构设计合理的是密不可 分的。

4、配气机构要使各气缸都保持换气良好的状态，使充气系数尽可能的提高，按照 工作的需要，科学的开启与关闭进气门和排气门。随着人们的需求，发动机的设计趋于高速化、高功率化。人们对其性能的要求 也越来越高，配气机构作为发动机的配给系统，很大程度的决定了发动机的优劣2。 所以想要提高发动机的性能，配气机构的优化设计也是必不可少的。随着前人的不断 积累，配气机构的供给能力及结构形式都发生了很多改观，下面我将介绍配气机构的 发展现状及主要优化形式。2. 凸轮型线的优化内燃机配气凸轮机构是由配气凸轮驱动的，所以配气机构的这些性能指标在很大 程度上取决于配气凸轮的结构。尤其是当发动机转速提高以后，凸轮型线设计的好

5、坏 对发动机的充气性能和动力性能的影响更大3。最近，海马轿车有限公司的王艳芳、 王少辉4等汽车工程师做了相应的实验，他们选择了三种不同型线的进气凸轮轴和同 种型线的排气凸轮轴在同台发动机上进行匹配，进行了仿真分析，建立了配气相位模 型，得出仿真结果，并将三种不同型线进气凸轮轴先后安装到同一台发动机上进行性 能试验验证通过GT-Power仿真分析及台架试验结果，发现不同的凸轮型线发动机的 功率值和扭矩值等性能参数的影响很大，充分说明了凸轮型线使影响发动机配气机构 的主要因素，因此，选择适当凸轮型线的进气凸轮轴，对于提高发动机的动力性有重 要意义。目前，对配气凸轮的研究已经涉及配气机构性能的各个方

6、面5，包括型线、挺柱 的运动规律、气门振动模型、挺柱与凸轮的接触应力、摩擦应力等。国外对配气机构 的振动模型、摩擦及配气相位和可变气门正时等的研究有一些报道，我国也在致力研 究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的 拟合等间题。上海交通大学内燃机研究所马逢峻、周振华6等教授，将某大型柴油机配气机构 的几何凸轮改进为函数凸轮,他们通过 ADAMS 软件对配气机构建模并进行动力学仿 真。并通过改进前后的配气机构的各参数，得出的结论是：采用函数凸轮可以增大丰 满系数,减小气门最大加速度,有能力在保证气门不飞脱的前提下 ,进一步提高柴油机 转速,从而提高输出功率。在凸

7、轮型线设计中,采用最优化技术以来,经历了静态优化设计、动态优化设计和 系统优化设计三个阶段7。在静态优化设计中，将配气机构看成绝对刚体，不考虑它在运动时的弹性变形.， 用此方法设计凸轮型线主要用静态充气性能、凸轮廊面最小曲率半径指标来判别其好 坏。在动态优化设计中，考虑弹性变形，把配气机构看成弹性系统，主要由气门的动 态加速度峰值、动态充气性能指标来评价其优劣。系统优化设计就是从配气凸轮型线与配气机构动态参数（刚度与质量）统一考虑 在内进行凸轮型线的优化设计配气凸轮型线凸轮转速和配气机构参数之间有一个最 优化匹配。潍坊学院刘云、肖恩忠8教授对三种优化技术方法进行了详细的比较，分别提出 了静态优

8、化设计、动态优化设计和系统优化设计的优缺点，他认为：（1）用静态优化 设计法设计的圆弧凸轮,虽然加速度曲线不连续,配气机构惯性力有突变,但有较大的 时间-断面值。对转速不高的发动机来说,它所引起的振动和噪音较小,故在较低转速的 发动机上还有一定的使用价值。但随着发动机转速的提高 ,振动和噪音趋于严重，静 态优化法就不太适用了。（2）用动态优化设计方法设计的凸轮有多项动力凸轮、正弦 抛物线凸轮、n次谐波凸轮等。多项动力凸轮只从弹性变形的角度出发设计凸轮外形， 动态优化设计虽然考虑了配气机构的弹性变形和振动问题 ,但仅局限于凸轮型线的优 化。并未考虑配气机构的弹性振动，故没有从根本上解决配气系统的

9、振动等问题。（3） 统动力学优化设计是将配气凸轮型线与配气机构动态参数 （刚度和质量）统一考虑在 内，进行凸轮型线的优化设计。配气凸轮型线、凸轮转速和配气机构参数之间有一个 最优化匹配关系，其中凸轮型线正加速度的宽度对配气机构的振动强度影响很大。因 为激励的能量主要从正加速度传给整个配气机构，所以凸轮正加速度的形状和宽度对 凸轮激励特性具有决定性意义，但一般系统动力学方法是将配气机构简化为单质量或 多质量模型，得出系统运动质量的微分方程 ，但一般不能得出解的表达式，无法对解的 形态和特性进行分析。3. 配气相位的优化配气相位是进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对于上、下止点曲轴转角来表 示。配

10、气相位对于换气品质、泵气损失、充气系数、转矩外特性、怠速稳定性及尾气 排放等都有很大影响。其中进气相位，尤其是进气门关闭角对发动机性能影响最大9。重庆交通大学交通运输学院安娜、邵毅明10等教授，以1. 6 L 4 缸涡轮增压汽油 机为研究对象，针对增压汽油机压缩比提高后可能出现的“回火、爆震”问题，利用 AVL EXCITE和AVL BOOST软件分别建立发动机的配气机构及整机仿真模型。重新 设计气门重叠角较小（ 40CA、30CA、10CA） 的气门升程曲线，研究新的配气 相位对发动机性能的影响。模拟结果表明，优化后的凸轮型线在一定程度上改善了原 机配气机构的运动学和动力学特性; 当气门重叠

11、角从 50CA 到 10CA 依次减小 时，发动机的动力性和经济性相对于原机有所提高，并在 30CA 气门重叠角时达到 最优。昆明理工大学，云南省内燃机重点实验室张学文、申立中11等教授，通过对一款1L、四气门、高压共轨、两缸增压中冷柴油机作为实验对象，对两种发火顺序的优缺 点进行了分析，利用气门正时优化和 DOE 软件对配气相位进行了优化，得到发动机 在低速、最大扭矩、额定功率工况时不同的配气相位对柴油机的充量系数、燃油消耗 和泵气损失的影响。兼顾柴油机的高低速性能，选择了合理的配气相位并进行试验。 试验结果表明，柴油机涡前排温降低了 10C，低速扭矩增加了 5Nm,燃油消耗降 低了 6g/

12、kW h。4. 气门弹簧的优化为了降低燃油耗、汽车制造商已经做出了相当大的努力，例如减轻整车质量、提 高发动机传动系统的动态特性，例如减轻整车质量、提高发动机传动系统的动态特性， 以及减少发动机配气机构的摩擦损失。减少配气机构的摩擦损失是降低燃油耗最有效 的方法之一。而决定配气机构摩擦的最重要部件就是气门弹簧12。减少驱动气门弹簧 所需的负荷，可减小其与凸轮轴和气门摇臂等接触部件的摩擦，从而降低燃油耗。由 于驱动气门弹簧的负荷随弹簧常数的减小而减小，而弹簧数数与弹簧钢丝的直径成正 比，因此， 减小钢丝直径就可以降低驱动负荷。但是，对于传统的油洛浴回火钢丝 而言，减小气门弹簧直径会使工作应力达到

13、抗拉和疲劳强度的极限。为了减小弹簧钢 丝直径，就需要开发强度更高的钢丝。当前13，广泛使用的发动机气门弹簧是 20 世纪 60 年代开发的抗拉强度约为 1900PMa的桂一铬油浴回火钢丝。到20世纪80年代，开发了抗拉强度达到2100PMa 的桂普银钢丝，并应用于高速发自机。在20世纪9時代，开发出一种2200MPa的 桂 铬钒钼和桂铬钒镍钢丝，用来提高燃油经济性。在此基础上，最新 开发了抗拉强度高达 2300MPa 的高强度钢丝，并且利用这种先进的钢丝减小气门弹 簧的尺寸，以提高燃油经济性。现阶段强化气门弹簧的方向仍然是通过添加铬、钼、 钒、硼等元素，并通过镍、络、钥元素的析出硬化， 钒元素

14、的晶粒细化、棚元素的 晶界强化，并通过制定优良的回火条件等方式优化气门弹簧。5. 可变配气机构技术常规内燃机配气相位都是按内燃机性能要求，通过试验确定某一转速和负荷条件 下较为适合的配气相位，自然只达到一种转速最为有利。然而为了在更大的曲轴转速 范围内提高功率指标，降低燃料消耗，现代多气门内燃机气门开启相位可以改变、升 程也可以改变，称作可变气门运动配气机构(VVT)14。通过这套机构对配气过程的调 节和控制， 低、中转速时， 活塞运动速度低， 气流动力学特性差， 因而要求“缩小”相位 重叠角， 以减少工作混合气倒流， 保证低、中转速时扭矩曲 线形状较好， 可显著地降 低燃油消耗率。在中高转速

15、时 ， 活塞运动速度快， 气流动力学特性好， 因而 要求“放 大”相位重叠角， 废气排放彻底， 进气量 充分， 可相应增加内燃机扭矩。显然， 采用这 一机构， 可提高内燃机性能、降低污染、改善怠速性能。可变配气机构按驱动可以分 为由凸轮轴驱动和无凸轮驱动。在有凸轮驱动的可变配气机构中，南京理工大学刘雪洪15教授通过建立了参数化 的三维模型,并用反转法绘制了摆动输出凸轮的轮廓曲线。得出的结论是：机构的关 键技术是根据发动机的需要来确定最佳的杆长参数及理想的输出凸轮轮廓曲线。在无凸轮驱动的可变配气机构中，中北大学郭建、苏铁熊16等教授，分别比较了 凸轮驱动和无凸轮驱动的优缺点，研究发现：与基于凸轮

16、轴的可变配气机构相比,无 凸轮轴可变配气机构控制较为灵活,能单独驱动每一个气门,简化了发动机结构,降低 了发动机的成本和质量,但也有一些明显的缺陷,比如气门落座冲击较大、能耗过高、 可靠性、耐久性等都比较差。另外,因为无凸轮轴全可变配气相位机构能够对气门运 动的所有因素进行控制,因此将是目前研究的主要对象。6. 多气门技术配气机构的最新发展是改善燃料经济性，其关键在于如何提供更多的新鲜空气， 多气门内燃机很早就已经出现了17，但仅用于赛车，目的是减轻排气门的热负荷和 机械负荷，但并未能在内燃机制造业 得到推广。意大利布加奇公司首先创出具有四 个排气门和一个进气门的内燃机。促进多气门内燃机产量迅

17、速提高的原因在于自动 控制技术的快速发展和生产的工艺水平越来越高，可以充分发挥多气门配气方案的 优越性，保证内燃机在整个负荷和速度范围内形成最佳混合气，并适时适度送入气 缸。多气门内燃机优点很明显，如用两个进气门取代三个进气门，流通截面加大 30%35%以上，可大大改进充气系数。因此，多气门内燃机可以提高功率。四气门 内燃机曲轴在中低转速范围内，扭矩一般比二气门内燃机大10%15%,高转速范围 内大 10% 20%。多气门内燃机不仅可以提高内燃机功率，还可以降低燃油消耗，减少排污。在 发动机上采用多气门技术，如采用 4 气门、5 气门等，是满足更严格排放指标的有 效途径。多气门技术扩大气门头直

18、径，加大气流通过面积，改善换气性能，能够吸 进更多的空气，有利于混合气迅速燃烧。同时更快地排除废气，因而在提高动力性 和经济性的同时减少了 NOX 排放和微粒排放。上海内燃机研究生曹晓轶、彭健18等教授通过建立多气门配气系统两质量动力 学模型及其微分方程。并运用VC+等软件开发平台，开发了多气门配气机构设计软 件, 通过该软件的辅助设计,使柴油机的充气效率得到了显著提高, 并用该软件对气 门运动的动力学过程进行了仿真计算,得到了一系列的气门的性能参数。通过对比两 种动力学模型的计算结果，得出了两质量动力学模型对多气门配气机构的描述更准 确、设计的配气机构更经济实用的结论。7.顶置凸轮轴技术随着

19、汽车速度的提高，发动机转速要 求提高。现 代车用 汽油机转速 高达 6000-6500 转/分。由于下置凸轮轴配气机构的运动质量大、噪声、变形等一系列问 题，不适应高速的要求，于是出现了顶置凸轮轴的汽油机。尽管顶置凸轮轴发动机结 构复杂19，但因顶置气门配气机构内燃机的充气系数较高，燃烧室比较紧凑，内燃机 有较好的性能指标，是侧置气门机构所不能达到的，它又比下置凸轮轴更能适应高速 要求，故在高速汽油机中得到广泛应用。随着顶置凸轮轴技术发展,须对设计出的配气机构建立运动学和动力学计算模 型,验算其在不同转速下的运动状态及受力情况。华北工学院赵冬青、苏铁熊20等教 授采用数值模拟的方法,对发动机配

20、气机构进行研究,通过利用 Matlab 等数值计算软 件编制了发动机配气机构运动学及动力学计算通用程序。通过该计算程序完成了对 顶置凸轮轴配气机构运动学和动力学的计算,并对其结果做出了验证。使该程序可以 用来计算发动机在不同转速的气门运动情况,作为配气机构初步设计、详细设计及现 有配气机构验算的工具。8.结论：本文综述了内燃机的目前的发展状况和趋势，论述了对配气机构优化设计的必要 性，提出了一些优化设计的方向，阐述了当前技术的发展水平，为内燃机设计时，提 供相应的参考。参考文献：1路琼琼.李智等.内燃机配气机构技术现状及发展. 现代机械 2005 年第5 期2 张纪龙.配气机构优化技术的发展现

21、状和趋势. 机械工程师 2015 年第 11 期3 尚汉冀.内燃机配气凸轮机构设计与计算.上海复旦大学出版社, 19884 王艳芳.王少辉.凸轮型线对发动机性能影响的研究装备制造技术 .2015 年第 8 期5张德明.汽车发动机的配气机构.科技创新与应用.2015 年第 18期6 马逢峻.周振华等.配气机构凸轮型线改进设计.Diesel Engine.第29卷（2007）第1期7 张力.吴俊刚等顶置凸轮轴配气机构多体运动学分析与应.Automotive Engineering2007（第 29 卷）第 7 期刘云.肖恩忠.高速柴油机配气凸轮优化设计综述.拖拉机与农用运输车.Apr.2006第

22、33卷第2期9 蒋丽仙.浅谈发动机配气机构优化改进设计 .Equipment Manufacturing Technology No.7，201410 安 娜.邵毅明等.某增压汽油机配气相位优化设计 .重庆科技学院学报（ 自然科学 版）第 15 卷 第 5 期11 张学文.申立中.四气门两缸增压柴油机配气相位优化 .昆明理工大学学报（自然科 学版）.第 37 卷 第 1 期12 傅红良.林 运.气门弹簧特性对配气机构的影响 Design & Manufacture of Diesel Engine.2007年第3期第15卷（总第120期）13 刘建美.动机配气机构凸轮挺柱的弹流润滑设计.小型内

23、燃机与摩托车 2008 年 10 月第 37 卷第 5 期14 张德惠连续可变相位配气机构的设计拖拉机与农用运输车2005年12月第6期15 刘雪洪.一种发动机可变定时配气机构的分析和研究.现代机械 2005年第5期16 ）郭建.苏铁熊等.发动机可变配气机构的研究进展.内燃机与配件2011年第12期17 陈壁峰可变气门正时和升程电子控制配气机构.公路与汽运.2009年第85期09年18 曹晓轶.彭健等多气门配气系统两质量动力学模型研究及软件开发.内燃机工程.第29 卷第 6 期19 郭常立.马艳艳等.发动机顶置凸轮轴配气机构动力学分析. 现代车用动力.第 4 期 Nov 200720 赵冬青.苏铁熊.赵振锋等.顶置凸轮轴配气机构运动学和动力学计算 .车用发动机 2003年12月第6期（总第148期