液压挺柱泄沉时间对气门升程影响的研究

赵 波 孟祥斌 刘 东 赵福成 王瑞平，2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

引言

发动机被誉为汽车的心脏，发动机的动力性能、油耗、驾驶舒适性、NVH等特性越来越受关注。发动机中关键的运动副-配气机构是影响发动机性能的重要因素之一。传统的发动机以前都采用机械杯式挺柱，发动机在工作时，气门及其传动件如挺柱、推杆等都将受热膨胀而伸长。如果气门与其传动件之间在冷状态时没有预留间隙，在热状态下，由于气门及其传动件膨胀伸长而顶开气门，破坏气门和气门座圈之间的密封，造成漏气，影响发动机性能。所以，在装配发动机时，必须在气门与其传动件之间预留适当的间隙。但气门间隙既不能过大，也不能过小。气门间隙过小，不能完全消除上述弊病；气门间隙过大，气门和气门座圈以及传动件之间将产生撞击和异响，造成过度磨损[1]。为了消除以上弊病，现在的发动机基本上都采用液压挺柱来实现零气门间隙。当气门及其传动件因温度升高而膨胀或因磨损而缩短时，液压挺柱进行自动调整和补偿，从而使发动机气门升程达到最理想状态，更好地发挥发动机的动力性能、经济性能以及NVH性能。影响液压挺柱工作的重要参数是其泄沉时间，如果液压挺柱沉降太慢，会带来启动异响；液压挺柱沉降太快，会使气门无法按设计状态及时开启和关闭，严重时会使整个配气相位错乱。故研究液压挺柱泄沉时间对气门升程的影响意义重大。

1 配气机构的动力学仿真分析

配气机构是发动机的重要组成部分，控制着发动机的换气过程，其设计优劣直接关系到发动机的动力性、经济性、排放性能以及工作可靠性和耐久性[2]。配气机构动力学仿真分析的目的是为了使所设计的凸轮型线满足气门升程、曲率、丰满度、速度、加速度、凸轮与挺柱或摇臂接触应力、弹簧裕度等要求，保证气门有良好、准确、平稳的运动规律和尽可能大的气流通过能力，避免因不连续而造成加速度曲线突变，引起配气机构产生振动和噪声，破坏配气相位，损害发动机。

CAE模拟仿真分析能更好地校核凸轮与从动件之间接触应力、气门落座力、弹簧力等是否满足要求，以及检查是否存在从动件飞脱、气门反跳等现象，从而更好地评价气门机构动力学特性、液压挺柱动力学特性及功能适用性[3]。

本文对一款缸内直喷增压四缸发动机单阀系进行动力学仿真分析，考虑超速时发动机各零部件的运动条件最为恶劣，若发动机在超速时能满足动力学性能要求，则在其他转速都会满足要求。因此本文对发动机5 500 r/min超速20%，即发动机转速为5 500×120%=6 050 r/min的状况进行分析。分析模型如图1所示。

分析表明：

1）通过对配气机构动力学特征进行分析可知，配气机构的主要动力学特征参数未出现异常。气门落座力为527N，满足不超过6倍气门弹簧预紧力的设计要求；气门落座速度为0.46 m/s，满足不超过1 m/s的设计要求，可保证气门与气门座之间不出现异常磨损。

2）通过对液压挺柱动力学特征进行分析可知，液压挺柱的主要动力学特征参数未出现异常。球塞在许用升程范围之内运动，不失效；由柱塞间隙、行程和受力得出柱塞具有良好的泵油效果；球阀正常开启和关闭，以便补油，无异常的压力下降或上升趋势，满足要求。

3）通过对摇臂动力学特征进行分析可知，摇臂的主要动力学特征参数未出现异常。摇臂滚轮与凸轮接触应力为980 MPa，满足小于1 500 MPa的设计要求，凸轮与摇臂未发生飞脱现象。

图1 配气机构单阀系动力学仿真模型

2 配气机构动态测试

在CAE模拟仿真分析后进行配气机构动态测试。测试用发动机为上述动力学仿真分析所用的缸内直喷增压四缸发动机，配气机构为液压挺柱驱动气门的常规结构。将发动机缸盖以上部分安装在台架上，模拟发动机台架试验工况，进行冷启动试验及动态性能试验。

2.1 冷启动试验

冷启动试验台架布置如图2所示。

图2 冷启动试验台架

2.1.1 试验零部件的选取

试验开始前，先对因液压挺柱配合间隙不同而造成泄沉时间不同的零部件进行低温冷启动验证。取3组泄沉时间范围的液压挺柱作为试验对象，见表1。

表1 不同泄沉时间分组

2.1.2 冷启动试验条件

将发动机缸盖置于低温试验箱中6 h，选择-36℃作为测试温度，用电机驱动并给予合适的机油进行润滑，模拟发动机转速及相应的机油压力，测试液压挺柱不同的泄沉时间所对应的冷启动噪声稳定时间。

2.1.3 测试结果

测试结果如表2和图3所示。

表2 不同泄沉时间测试结果

图3 噪声稳定时间与液压挺柱泄沉时间的关系

从表2和图3可以得出，随着液压挺柱泄沉时间的增加，冷启动噪声的稳定时间随之增加，且增加呈非线性趋势。

液压挺柱泄沉时间的下限值通常由发动机启动噪声所确定，即不同的噪声需求有不同泄沉时间下限值的液压挺柱。但并不是下限值越小越好，还要综合考虑发动机转速、机油温度以及泄沉时间对气门升程的影响。

液压挺柱的结构特征决定了其在不同条件下的工作特性将有所不同。为研究不同泄沉时间的液压挺柱在不同发动机转速、不同机油温度条件下的气门升程变化，需对配气机构进行动态性能试验验证。

2.2 动态性能试验

动态性能试验台架布置如图4所示。

图4 动态性能试验台架布置

2.2.1 试验工况及试验条件

选择上述3组不同泄沉时间的液压挺柱，每缸对应装上理论刚性挺柱。试验采用3种不同的机油温度，发动机转速从怠速一直到超速，采用激光位移传感器监测气门升程、速度及加速度等数据[4]。台架使用电机驱动发动机，试验工况见表3。

表3 不同泄沉时间分组对应工况

2.2.2 试验结果分析

经过对所测数据进行分析处理，得到如图5所示的气门升程、速度及加速度的特性曲线以及如图6所示的不同泄沉时间所对应的气门升程损失示意图。

图5 气门升程、速度及加速度曲线图

图6 气门升程损失示意图

以理论进气门升程10.5 mm的设计要求对原始数据进行分析可知：

1）不同泄沉时间的气门落座速度都满足设计要求，都小于0.5 m/s。

2）相同泄沉时间下，机油温度越高，气门升程损失越大。

3）发动机在低转速下，泄沉时间越短，气门升程损失越大。

具体数据统计如图7所示。

图7 不同泄沉时间测试数据

3 结论

本文就发动机液压挺柱不同泄沉时间对发动机气门升程及发动机冷启动噪声影响的问题进行了理论分析及试验研究，得到以下结论：

1）在寒冷地区，发动机启动后，缸体及冷却液温度均较低，需要一定时间后，机油压力及机油温度才能达到工作压力及工作温度，会影响液压挺柱的工作性能。根据试验研究，泄沉时间越短，液压挺柱越能降低发动机冷启动时配气机构的噪声。因此，一般在设计开发前期进行配气机构动态验证，选择泄沉时间较短的液压挺柱来改善发动机冷启动时配气机构的噪声问题。

2）发动机在低转速时，泄沉时间越短，气门升程损失越大；气门升程损失大，会影响发动机的整体性能。为了兼顾发动机低转速时的性能，并解决发动机冷启动噪声问题，选择合适泄沉时间的液压挺柱对于配气机构的开发尤为重要。

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