雷蕾，周濤，常耀紅,張雪林，張超，喻春鳳

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

氣門間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究

雷蕾，周濤，常耀紅,張雪林，張超，喻春鳳

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

運(yùn)用AVL-Boost軟件搭建發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型，研究全轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速工況時(shí)進(jìn)、排氣氣門間隙變化對(duì)性能的影響，為氣門型線設(shè)計(jì)和低端性能優(yōu)化提供了一定的依據(jù)。

氣門間隙；發(fā)動(dòng)機(jī)性能；熱力學(xué)

Abstract:AVL-Boost software was used to build engine thermodynamic model. The influences of intake and exhaust valve clearance changes on engine performance under the conditions of full speed and low speed were analyzed. It provides a basis for valve design and optimization of low speed performance.

Keywords:Valve clearance; Engine performance; Thermodynamics

0 前言

合理的進(jìn)排氣氣門間隙能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣充分、排氣徹底[1]。氣門間隙過大，進(jìn)排氣開啟遲后、進(jìn)排氣時(shí)間縮短，降低了氣門的開啟高度，改變了正常的配氣相位，易導(dǎo)致進(jìn)氣不足和排氣不凈；氣門間隙過小，零件受熱膨脹，導(dǎo)致氣門關(guān)閉不嚴(yán)，造成漏氣[2-4]。此外，氣門間隙還會(huì)影響重疊角，過小導(dǎo)致重疊角變大，而過大則導(dǎo)致重疊角變小[5]。

針對(duì)某公司某款柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，利用AVL-Boost軟件搭建熱力學(xué)分析模型，對(duì)其進(jìn)行熱力學(xué)仿真，研究氣門間隙變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[6]。

1 仿真計(jì)算

1.1 模型建立

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件布置及各零部件結(jié)構(gòu)建立熱力學(xué)計(jì)算模型，見圖1。

1.2 模型標(biāo)定

模型標(biāo)定結(jié)果見圖2，計(jì)算值與目標(biāo)值相吻合，作者認(rèn)為該模型標(biāo)定成功。

1.3 氣門間隙研究

文中研究的柴油機(jī)進(jìn)氣方式為中冷增壓非VVT，采用機(jī)械式挺柱，氣門冷態(tài)間隙分別為：排氣間隙0.5 mm、進(jìn)氣間隙0.25 mm。而試驗(yàn)實(shí)測(cè)氣門熱態(tài)間隙：額定轉(zhuǎn)速下，氣門挺桿等零件膨脹量分別為排氣間隙0.27 mm、進(jìn)氣間隙0.16 mm。

1.3.1 不同轉(zhuǎn)速下氣門間隙研究

結(jié)合試驗(yàn)測(cè)量膨脹量對(duì)進(jìn)排氣門間隙同時(shí)縮小相同比例，得出以下方案，見表1。

表1 各轉(zhuǎn)速氣門間隙研究mm

相應(yīng)計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3對(duì)不同氣門間隙方案進(jìn)行了各項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比。其中，紅色曲線為方案一、綠色為方案二、藍(lán)色為方案三。圖3中依次給出了發(fā)動(dòng)機(jī)的BMEP(平均有效壓力，即輸出扭矩)、過量空氣系數(shù)(缸內(nèi)實(shí)際進(jìn)氣量與柴油最佳空燃比下的進(jìn)氣量之比，即氣缸充氣效率)、BSFC(發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗，即發(fā)動(dòng)機(jī)油耗量與功率比值，用來衡量發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性)、泵氣損失(缸內(nèi)換氣過程中的損失)變化曲線。由以上計(jì)算結(jié)果可知：在均滿足BMEP要求的情況下，進(jìn)排氣氣門間隙減小，使得進(jìn)排氣門提前打開、延遲關(guān)閉從而重疊角變大，各轉(zhuǎn)速過量空氣系數(shù)均減小、油耗增加，泵氣損失在中高轉(zhuǎn)速時(shí)逐漸減小，因此油耗在中高轉(zhuǎn)速時(shí)變化量不大。

1.3.2 低轉(zhuǎn)速下氣門間隙研究

針對(duì)柴油機(jī)低端轉(zhuǎn)速(1 000 r/min)出現(xiàn)的過量空氣系數(shù)過低、油耗較高和排放不達(dá)標(biāo)等諸多問題，在此重點(diǎn)對(duì)1 000 r/min的氣門間隙進(jìn)行分析。

研究方案：進(jìn)、排氣氣門間隙分別從0.5和0.25遞減至0.05 mm，對(duì)兩者進(jìn)行組合交互計(jì)算,相應(yīng)計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4中橫坐標(biāo)為排氣門氣門間隙，縱坐標(biāo)為各項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)指標(biāo)主要包括BSFC、過量空氣系數(shù)、泵氣損失。當(dāng)進(jìn)氣門氣門間隙選取0.25 mm時(shí)(如圖中紅色曲線所示)，隨著排氣門氣門間隙增大，BSFC減小、過量空氣系數(shù)先減小后增大(排氣門間隙在0.225 mm時(shí)最小)、泵氣損失增大。根據(jù)圖4所示：低轉(zhuǎn)速(1 000 r/min)時(shí)，隨著進(jìn)、排氣門氣門間隙逐漸減小，泵氣損失減小，過量空氣系數(shù)先減小后增大，油耗逐漸增大。

作者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門熱態(tài)間隙和冷態(tài)間隙進(jìn)行對(duì)比分析：

方案一：排氣間隙0.5 mm，進(jìn)氣間隙0.25 mm；

方案二：排氣間隙0.25 mm，進(jìn)氣間隙0.10 mm。

圖5依次給出了方案一和方案二在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)的氣門升程、氣門有效流通面積、通過氣門的氣體流量隨著曲軸轉(zhuǎn)角變化的瞬態(tài)情況。不難看出：方案二排氣門開啟時(shí)刻提前、關(guān)閉時(shí)刻滯后，導(dǎo)致氣門重疊角增大。從缸內(nèi)瞬態(tài)質(zhì)量流量對(duì)比中可見：方案二在氣門重疊角期間缸內(nèi)出現(xiàn)廢氣倒流，造成排出氣體減少4.8%、進(jìn)氣減少5.02%，因此使得缸內(nèi)殘余廢氣增加、燃燒惡化，油耗增加。

2 結(jié)論

(1)對(duì)于此次計(jì)算的柴油機(jī)而言，較大的進(jìn)、排氣氣門間隙更有利于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣。

(2)氣門間隙變化會(huì)影響到進(jìn)、排氣門開啟、關(guān)閉時(shí)刻，并改變配氣相位和氣門升程從而影響性能。對(duì)于低轉(zhuǎn)速(1 000 r/min)工況，隨著進(jìn)、排氣氣門間隙減小，過量空氣系數(shù)先減小后增大，油耗則逐漸增高。

(3)針對(duì)氣門受熱膨脹造成的配氣相位和氣門升程改變，是否可通過優(yōu)化氣門升程和配氣正時(shí)需要做進(jìn)一步仿真研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

【1】 周龍寶.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

【2】 蔣德明.高等車用內(nèi)燃機(jī)原理[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2006.

【3】 席躍兵.淺析氣門間隙和配氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的影響[J].中國(guó)科技博覽,2013(21):434.

【4】 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:人民交通出版社,2009:255-256.

【5】 劉永長(zhǎng).內(nèi)燃機(jī)原理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2008:220-221.

【6】 王軍，李龍超，李自強(qiáng).某客車動(dòng)力總成匹配優(yōu)化計(jì)算[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,32(S1):41-43.

StudyontheInfluenceofValveClearanceonEnginePerformance

LEI Lei,ZHOU Tao,CHANG Yaohong,ZHANG Xuelin,ZHANG Chao,YU Chunfeng

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

2014-04-22

雷蕾(1985—)，碩士，工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)性能。E-mail:cumt_leilei@163.com。