气门间隙对发动机性能影响的研究

雷蕾，周涛，常耀红,张雪林，张超，喻春凤

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

气门间隙对发动机性能影响的研究

雷蕾，周涛，常耀红,张雪林，张超，喻春凤

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

运用AVL-Boost软件搭建发动机热力学模型，研究全转速和低转速工况时进、排气气门间隙变化对性能的影响，为气门型线设计和低端性能优化提供了一定的依据。

气门间隙；发动机性能；热力学

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

合理的进排气气门间隙能够保证发动机进气充分、排气彻底[1]。气门间隙过大，进排气开启迟后、进排气时间缩短，降低了气门的开启高度，改变了正常的配气相位，易导致进气不足和排气不净；气门间隙过小，零件受热膨胀，导致气门关闭不严，造成漏气[2-4]。此外，气门间隙还会影响重叠角，过小导致重叠角变大，而过大则导致重叠角变小[5]。

针对某公司某款柴油发动机，利用AVL-Boost软件搭建热力学分析模型，对其进行热力学仿真，研究气门间隙变化对发动机性能的影响[6]。

1 仿真计算

1.1 模型建立

根据发动机的零部件布置及各零部件结构建立热力学计算模型，见图1。

1.2 模型标定

模型标定结果见图2，计算值与目标值相吻合，作者认为该模型标定成功。

1.3 气门间隙研究

文中研究的柴油机进气方式为中冷增压非VVT，采用机械式挺柱，气门冷态间隙分别为：排气间隙0.5 mm、进气间隙0.25 mm。而试验实测气门热态间隙：额定转速下，气门挺杆等零件膨胀量分别为排气间隙0.27 mm、进气间隙0.16 mm。

1.3.1 不同转速下气门间隙研究

结合试验测量膨胀量对进排气门间隙同时缩小相同比例，得出以下方案，见表1。

表1 各转速气门间隙研究mm

相应计算结果见图3。

图3对不同气门间隙方案进行了各项发动机指标进行了对比。其中，红色曲线为方案一、绿色为方案二、蓝色为方案三。图3中依次给出了发动机的BMEP(平均有效压力，即输出扭矩)、过量空气系数(缸内实际进气量与柴油最佳空燃比下的进气量之比，即气缸充气效率)、BSFC(发动机比油耗，即发动机油耗量与功率比值，用来衡量发动机经济性)、泵气损失(缸内换气过程中的损失)变化曲线。由以上计算结果可知：在均满足BMEP要求的情况下，进排气气门间隙减小，使得进排气门提前打开、延迟关闭从而重叠角变大，各转速过量空气系数均减小、油耗增加，泵气损失在中高转速时逐渐减小，因此油耗在中高转速时变化量不大。

1.3.2 低转速下气门间隙研究

针对柴油机低端转速(1 000 r/min)出现的过量空气系数过低、油耗较高和排放不达标等诸多问题，在此重点对1 000 r/min的气门间隙进行分析。

研究方案：进、排气气门间隙分别从0.5和0.25递减至0.05 mm，对两者进行组合交互计算,相应计算结果见图4。

图4中横坐标为排气门气门间隙，纵坐标为各项发动机指标主要包括BSFC、过量空气系数、泵气损失。当进气门气门间隙选取0.25 mm时(如图中红色曲线所示)，随着排气门气门间隙增大，BSFC减小、过量空气系数先减小后增大(排气门间隙在0.225 mm时最小)、泵气损失增大。根据图4所示：低转速(1 000 r/min)时，随着进、排气门气门间隙逐渐减小，泵气损失减小，过量空气系数先减小后增大，油耗逐渐增大。

作者对发动机气门热态间隙和冷态间隙进行对比分析：

方案一：排气间隙0.5 mm，进气间隙0.25 mm；

方案二：排气间隙0.25 mm，进气间隙0.10 mm。

图5依次给出了方案一和方案二在发动机转速1 000 r/min时的气门升程、气门有效流通面积、通过气门的气体流量随着曲轴转角变化的瞬态情况。不难看出：方案二排气门开启时刻提前、关闭时刻滞后，导致气门重叠角增大。从缸内瞬态质量流量对比中可见：方案二在气门重叠角期间缸内出现废气倒流，造成排出气体减少4.8%、进气减少5.02%，因此使得缸内残余废气增加、燃烧恶化，油耗增加。

2 结论

(1)对于此次计算的柴油机而言，较大的进、排气气门间隙更有利于发动机进、排气。

(2)气门间隙变化会影响到进、排气门开启、关闭时刻，并改变配气相位和气门升程从而影响性能。对于低转速(1 000 r/min)工况，随着进、排气气门间隙减小，过量空气系数先减小后增大，油耗则逐渐增高。

(3)针对气门受热膨胀造成的配气相位和气门升程改变，是否可通过优化气门升程和配气正时需要做进一步仿真研究和试验验证。

【1】 周龙宝.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005.

【2】 蒋德明.高等车用内燃机原理[M].西安:西安交通大学出版社,2006.

【3】 席跃兵.浅析气门间隙和配气相位对发动机工作的影响[J].中国科技博览,2013(21):434.

【4】 陈家瑞.汽车构造[M].北京:人民交通出版社,2009:255-256.

【5】 刘永长.内燃机原理[M].武汉：华中科技大学出版社，2008:220-221.

【6】 王军，李龙超，李自强.某客车动力总成匹配优化计算[J].合肥工业大学学报:自然科学版,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—)，硕士，工程师，研究方向为发动机热力学性能。E-mail:cumt_leilei@163.com。