柴油机进气门改进设计

摘 要：通过对柴油机气门断裂质量问题的调查、分析，找出结构上存在的问题，并对进气门作了优化设计。实验结果证明，新结构的进气门有效解决了断裂质量问题。

关键词：柴油机；进气门；改进设计

1 前言

气门是保证柴油机工作可靠性和耐久性的重要零件之一，气门的作用是专门负责向发动机内输入空气并排出燃烧后的废气。从发动机结构上，分为进气门（inlet valve）和排气门（exhaust valve）。进气门的作用是将空气吸入发动机内，与燃料混合燃烧；排气门的作用是将燃烧后的废气排出并散热。气门的材质在通常分为40Cr、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo、21-4N和23-8N共5种。5Cr8Si2、4Cr9Si3、21-2N、21-12N、23-8N、XB等已在一些引进机型上大批量使用。高温镍基合金在高负荷发动机排气门上也开始应用。气门对柴油机的动力性和经济性也有很大的影响。市场部反映，某型号柴油机投入市场运行一段时间后，发现部分进气门有断裂现象，给用户造成较大损失。因此，需要对进气门进行改进设计。

2 断裂原因分析

从实际调研情况来看，该型号柴油机进气门断裂的主要表现为气门盘部掉块、颈部断裂。

1.柴油机进气门的工作条件

柴油机进气门的工作条件极其恶劣：承受气体压力的冲击；气门头部平面直接与高温燃气接触，不仅受热，而且受腐蚀，散热条件很差；气门落座时产生并承受很大的冲击载荷。在这样恶劣的工作条件下，气门经常出现变形、烧伤、点蚀、座合面磨损、气门断裂等故障。

导致气门产生故障的原因很多，主要有：配气机构的刚度不能满足使用要求，这也促使柴油机生产企业不断开发或持续改进其产品。新一代的柴油机同上个世纪九十年代初期的同排量机型相比，均增大了强化程度，体现为不同程度地提高了升功率，其中某些机型升功率提高了一倍，从而导致柴油机的部分零部件，尤其是进、出气门的热负荷和机械负荷成倍增加。在强化柴油机中，气门落座时要承受的冲击载荷高达30 000N左右，如此条件下，若气门结构的设计、材料的选用以及加工工艺不做改进，气门失效是不可避免的。

2.气门结构分析

气门室在高温、高机械负荷及冷却润滑困难的条件下工作，气门头部承受气体压力的作用以及气门落座时由于零件的惯性力而引起的较大冲击。因此，对气门结构形状的要求是对气体的流动阻力小，重要轻，并且有足够的刚度和强度。由图1可看出，改进前进气门厚度相对较小，进气门的强度较低，在气门落座力和气体压力的作用下，容易产生疲劳破坏，导致进气门断裂。

3 改进设计

为提高进气门的强度，需要改进进气门的头部结构。当提高气门强度时，首先应考虑增加气门头部的厚度，而配气结构的动力性能与气门的刚度和质量密切相关。

为达到气门强度、刚度、质量的良好匹配，针对改进前后的进气门，进行气门三维有限元分析和配气机构动力学分析，经过多次反复计算，确定改进后进气门结构如图2所示。

1 气门三维有限元分析

首先建立进气门的PROE三维实体模型。采用Ansys划分网格并进行有限元分析，根據发动机工作原理，在进气门底部施加缸内爆发压力，进气门和气门阀座接触处施加线性全约束，通过有限元计算获得进气门的应力和变形。由于主要分析进气门的刚度，因此只分析进气门的变形量。经ANSYS三维有限元计算，进气门的最大变形由0.072mm减小到0.047mm，降低了35%。

2 .配气机构动力学分析

利用AVL公司的TYCON软件完成配气机构动力学分析。建立配气机构动力学计算模型（图3），将实际的配气机构描述成一个串联的质量系统，大部分零件都可以被描述成由弹簧/阻尼/质量三部分组成的元素（例如：挺柱、推杆、气门杆），参数设定完全按照实际结构参数输入。

改进气门结构，主要影响配气机构动力学中的气门落座力，而气门落座力与气门的刚度和质量成正比。因此，配气机构动力学分析的主要目的是：在保证气门具有足够强度的基础上，尽量减少气门的刚度和质量。为提高进气门的强度，增大了气门头部的厚度，相应提高了气门的刚度和质量，导致气门落座力略有增加（由1600N增加到1760N），但仍在允许的范围内。

4 试验鉴定

为了给改进设计后的进气门在该型号柴油机上推广应用提供技术依据，我们按照以上优化设计的方案加工了新进气门，并在柴油机试验台架上进行了1000小时可靠性试验，由测量结果可以看出：采用改进后的进气门，下沉量一般在0.50mm范围内，满足使用要求。

5 结论

本文在对当前某型号柴油机配气机构的工作条件、进气门的头部形状进行分析的基础上，对进气门结构进行了优化设计；并通过气门三维有限元分析、配气机构动力学分析、柴油机实验台架实验，证明此次改进设计是成功的。

参考文献

[1].H.梅梯格{西德}：《高速内燃机设计》[M].机械工业出版社，1984年

作者简介

杨林（1968—），女，山东潍坊人，山东科技职业学院机械系教师，工程硕士，高级工程师，主要研究方向为机械设计与教学。