汽车发动机配气机构设计的探讨

史玉泉

（天津鑫现汽车贸易有限公司西青分公司，天津 300380）

汽车发动机配气机构设计的探讨

史玉泉

（天津鑫现汽车贸易有限公司西青分公司，天津 300380）

对于内燃机来说配气机构是十分重要的，它能影响到内燃机的动力性、经济性等性能，它是内燃机的重要组成部分。对于汽车的配气机构来说，凸轮型线和配气相位占有很大的比重，配气机构设计的合理性都要同凸轮型线的评价标准相结合，只有通过对凸轮型线的系数、凸轮、挺柱接触应力、气门跃度、凸轮曲率半径等情况进行分析，配气机构的设计才能实现其合理性。

汽车；发动机；配气机构；设计

1 汽车配气机构的创新发展

目前汽车配气机构技术又得到进一步的发展，其新技术主要包括：顶置凸轮轴技术、多气门技术、可变气门系统技术、无凸轮电液驱动技术。以下是对各技术的详解：1.1 顶置凸轮轴技术

顶置式凸轮轴技术中凸轮轴的运动主要有凸轮直接驱动气门式、摆臂式、摇臂式，这三种主要结构形式。凸轮直接驱动气门式结构形式比较直观，相对于其他形式来说复杂程度比较低，结构简单。它的运动方式与凸轮驱动平底挺柱配气机构的运动方式在本质上是接近的。摆、摇臂式结构可以较灵活地选择摆、摇臂比，使凸轮型线升程工作的包角处于比较合适的状态。它们通过摆臂和摇臂将凸轮的作用传给气门，所以它们同时运作并不能使凸轮升程方法得以实现，它们这种结构形式使得凸轮升程比气门升程低。

单顶置，双顶置凸轮轴的划分主要按凸轮轴的数目划分。顾名思义，单顶置凸轮轴就是在气缸盖上设置一条凸轮轴，而双顶置凸轮轴就是在气缸盖上安置两条凸轮轴，在气缸两侧各安置一个。

1.2 多气门技术

何谓多气门技术？简单来说就是指多气门发动机每一气缸的气门数目都超过两个，目前的汽车上多气门发动机多是四气门式的，而多气门发动机大多分为两个进气门和一个排气门的三气门式，两个进气门和两个排气门和两个排气门的四气门式以及三个进气门和两个排气门的五气门式。所谓三、五、六气门式就是进、排气门相叠加，四缸发动机就有十六个气门，六缸发动机有二十四个气门，八缸发动机则有三十二个气门。气门数目越多增加相应的配气机构装置越多，构造就越复杂。如果想扩大气门头的直径，使气流通过的面积得以扩大，换气性能得到合理改善，就要在气缸燃烧室中心两侧的倾斜位置上布置气门，这样有利于混合气的迅速燃烧。

1.3 可变气门系统技术

所谓可变气门系统技术，即当今汽车的高性能发动机都普遍配备的系统，该系统也叫连续可变气门正时系统。它对优化汽车发动机配气过程的作用可以通过对配置的控制与执行以及对发动机凸轮的气门升程工作的完善达到。目前的汽车发动机大都有利用进气惯性去提高进气量和扫气效率的功能，在高转速下使发动机的气门早开晚闭，低转诉下则是晚开早闭。

1.4 无凸轮电液驱动技术

近几年出现了可以使汽车发动机燃油经济性和有害物降低的发动机，该发动机就是无凸轮电液驱动技术的配气机构发动机。之所以说这种发动机具有创新技术，主要原因来源于它所具备的特点。该技术的特点是在发动机中，气门开启的气门升程、开启持续时间都可以相互独立。它取代了传统的机械式凸轮轴对于气门的控制，改用电液驱动装置来替代。

2 凸轮型线设计技术

在凸轮型线的设计方面，大致经历了静态设计、动态设计、系统优化设计三个阶段。

2.1 静态设计

圆弧凸轮以其简单的型线、挺柱位移、速度曲线连续，在前几年得到广泛使用。当汽车内燃机发动转速低时，它的振动和噪声都较小，但是它的加速度曲线不连续，

配气机构惯性力的突变以及在内燃机转速提高时的振动、噪声增大使人们逐渐减少了对圆弧凸轮的使用，转而又设计了函数凸轮，函数凸轮的位移、速度和加速度都是连续的。函数凸轮还叫低次方凸轮、高次方凸轮、复合正弦凸轮和复合摆线凸轮等。虽然它能够在一定范围内使配气机构的振动和噪声降低，但是其气门运动规律并不能与凸轮所需要的控制的挺柱运动规律所匹配。

2.2 动态设计

但凡对汽车知识有一定基础的人都知道，发动机配气机构是一个具有弹性的振动体。从发动机的弹性振动和凸轮型线控制运动的角度考虑，可以将汽车发动机配气机构理解为较为简单的单质量振动模型，也可以将其看为复杂的多质量振动模型。只要物理模型参数的选择合适适当，其计算的结果一定会与实验结果不差上下，但是这种计算在凸轮型线设计完成以后才能对发动机的振动状况进行校对。如果振动超过允许值就要需要重新设计凸轮，直到能对设计要求满足为止。

2.3 系统优化设计

最优化的匹配关系就存在于发动机配气凸轮型线、凸轮转速与配气机构的参数之间。系统优化设计就是将配气凸轮型线与配气机构动态参数都考虑在其范围内，从而使凸轮型线的设计优化进行。为了使配气机构更加平稳的运行，就需要对配气机构各参数之间进行最优化的匹配设计，只有这样才能使凸轮设计满足凸轮设计的指标，这是一种创新的凸轮型线设计方法。

3 建立配气机构优化设计模型

单质量模型、二质量模型、多质量模型、有限元模型共同构成配气机构优化设计模型。其单质量模型的特点在于它的结构简单不复杂，待定参数较小，便于计算。单质量模型描述了气门运动中的气门质量以及其他换算到气门处的质量运动。此外，该气门运动的气门杆到凸轮轴的刚度称为系统刚度，零部件的各阻尼称为系统阻尼。二质量模型对气门质量与集中质量进行分离，这一分离是在单质量模型的基础上进行的。二质量模型参数和单质量模型都可以由实验测定，是因为二质量模型中的某些质量的刚度与单质量模型系统的刚度接近，而单质量模型的气门杆形状说明单质量模型的刚度可以通过计算得到。所以说二质量模型参数也可以通过实验计算得到。

为了使发动机配气机构各部件的变形、阻尼得以正确的反应，在研究各个部件的运动规律与应力状态使，大多都会运用集中质量、刚度的形式将该配气系统改成有限自由度的等效力学系统。这一系统就称为多质量动力学模型，配气机构中的推杆、挺柱、摇臂、气门和内外气门弹簧可以用多个集中质量来代替。

最后，近期随着有限元技术的成熟与发展，使有限元模型可以对汽车的配气机构进行动力学角度的专业分析，配气机构的零件振动和振动型都可以通过这一分析得到。在配气机构的分析计算中有限元模型的使用，可以在很大程度上帮助对气门振动的使用期限和可靠性的研究，这一研究是在考虑气门振动的情况下进行考虑的。它的好处是能够计算出配气机构的零件位移、速度、加速度和零件接触应力、变形。

4 优化设计凸轮型线

4.1 凸轮型线设计思路

通过对发动机配气机构的结构和凸轮型线的数据进行分析，使发动机的配气机构动力学模型的建立得以实现。根据配气机构评价标准对配气机构的优劣分析就是利用这一模型所实现的，还可以利用模型进行凸轮型线的优化设计最终得到优化后的凸轮型线。

4.2 缓冲段的设计方案

为了消除气门受力时的弹性变形，研发出了凸轮型线缓冲段的设计。应挺柱升程曲线在缓冲段分为上升段和下降段，需求不同，对这两段的设计也可以有所不同。简单来说，如果想要使气门开启速度加快，关闭时落座速度变小，可以采取将上升段包角变短及将下降段的包角变长的方法。缓冲段主要有三个设计参数包括缓冲段的高度、缓冲段包角和缓冲末了速度。在参数设计过程中，最重要的是缓冲段的高度选取，选取时需要考虑的是：消除气门间隙和配气机构弹性变形量。一旦气门间隙刚消失，气门就必须要保持静止，一直到气门受到向下的作用力超过向上的作用力，只有达到这一条件气门才会开启。

4.3 工作段的设计

工作段以其对配气机构性能的直接性影响，成为发动机配气机构凸轮型线的重要组成部分也是最关键的部分。对此，有一个软件提供了三种配气凸轮工作段的设计方案，这三种方案分别是气门多项动力凸轮、气门加速凸轮及气门分段加速度函数，这个软件就是AVL TYCON。为了提高配气机构的性能、使凸轮轴加速度连续起来、降低惯性力的突变可能性、减少配气机构的跳动，凸轮型线就要采取高次方曲线的方法。

5 结束语

对配气机构的设计影响着汽车发动机的性能、经济性、可靠性以及使用时间，因此，对于汽车的发动机来说，配气机构是其中最应该重视的机构之一。目前汽车市场应用最广泛的配气机构，配气形式就是气门凸轮式的配气机构。汽车行业是复杂的，对于汽车各方面的研究也是复杂的在研究发动机的配气机构方面，也要进行大量的分析和计算，最终就是为了得出更适应于汽车发动机工作的配气机构，这样的研究不是一个短暂的过程，而是十分长远的过程。

［1］魏宇明. 汽车发动机配气机构的分析设计研究［D］.重庆大学，2012.

［2］武彬. 汽油机低摩擦系统优化及其对节能影响研究［D］.吉林大学，2013.

［3］孙胜军. 发动机配气机构优化改进设计探析［J］. 中小企业管理与科技（中旬刊），2016，03：267.

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