内燃机气道试验台的结构设计与开发

高亚男

(承德石油高等专科学校 汽车工程系，河北 承德 067000)

内燃机气道试验台的结构设计与开发

高亚男

(承德石油高等专科学校 汽车工程系，河北 承德 067000)

设计了一款内燃机气道试验台，可实现缸径为Φ80～140 mm气缸气道的测量。该试验台结构简单，操作方便，可实现缸盖快速、准确、可靠的定位和夹紧。气门升程可自动控制，行程控制精度高，大大提高了气道试验台的测量效率和测量精度，降低劳动强度。

内燃机；气道试验台；缸盖；测试

在内燃机特别是柴油机的研发和设计过程中，由于各国或组织对排放标准和燃油消耗制定了越来越严格的法规，使得内燃机研究方向从提高单位功率转移到改善排放和燃油消耗上来。控制和优化燃烧过程、改善燃烧系统是提高发动机燃油经济性和降低排放的根本途径，同时也可改善发动机的动力性能、降低燃烧噪声，因此研究缸内空气与燃油或混合油气的运动状态，特别是进气、压缩和燃烧三个阶段气流运动状态，在内燃机设计过程中有重要意义[1-3]。目前研究内燃机气道气流运动的方法主要有流场的数值模拟和试验测量[4]。对于数值模拟方法常用的专用软件有AVL.FIRE、FLUENT等，试验测量方法有缸内专用仪器测量(热线风速仪 CTA、激光多普勒测速仪 LDA 、粒子示踪速度法 PTV 和粒子图像速度法 PIV)和稳流试验测量(即气道试验台测量)。其中采用气道试验台测量的方法具有效率高、原理简单、结果可信的优点而被广泛使用。但目前的气道试验台都存在一定的问题，例如缸盖种类多、气门数目不定、数据采集全部为手工、气门升程采用直尺测量、缸盖的平移需要复杂的升降轨道，尤其是缸盖对应气缸的中心与气缸体轴线的对中很难保证，每测量一次都必须重新划线对中[5]。因此，设置一款气门升程可控、数据自动采集、快速高精度对中且适应多类别的气道试验台对于提高测量精度、测量效率、降低劳动强度具有重要意义。

1 稳流气道试验台的工作原理

发动机缸盖气道设计及试验时，进气道的流动阻力和产生的涡流强度，是评价发动机性能和燃烧的两个重要指标[6]。一般通过在气道试验台上测量并计算出内燃机进排气道的流量系数μσ和涡流比Ω，用这两个无因次参数作为气道流通特性的评价指标。

1)流量系数μσ：衡量气道的流通能力。

(1)

式中：ms为空气流量，kg/s；ρa为气道出口空气密度，kg/m3；f为气门孔面积，m2；Δp为气道的压降，Pa；ρam为气道进口处空气平均密度，kg/m3。

2)涡流比Ω

(2)

式中：Vh为气缸工作容积，m3；nD为风速仪转速；n为发动机转速。

图1为气道试验台的总体布置图，其中真空泵给一次、二次稳压箱提供稳定的气源，使气道产生模拟发动机工作时的气流。传统试验台架的主体结构包括工作平台、气门升程调节装置、缸盖夹紧装置、数据测量装置(由风速仪和流量测量装置采集某一气门升程位置时的涡流转速和气体流量)。另外还有一套数据采集、显示、处理及控制系统，负责气压、流量、温度、转速等数据的采集和处理以及气门升程控制，并将各种数据显示在屏幕或仪表上供操作人员记录。

2 气道试验台的结构

对于气道试验台的工作原理、数据采集和数据处理等技术都已经比较成熟，因此，针对目前常用气道试验台存在的缺点，结合着该设备的工作原理，设计出一种新的气道试验台结构，如图2所示。

图2中试验台机械机构主要包括如下几部分：工作平台、气门升程调节装置、缸盖定位夹紧装置、缸盖平移装置、悬臂锁紧装置。其中，工作平台是整个气道试验台的基体，其它各部分零件或装置全部安装在工作平台之上，其中一次稳压箱通过三根连接杆与平台连成一体并悬置于平台之下，一次稳压箱、气缸套、上法兰、缸盖依次串联连接，通过气缸锁紧块的作用及零件间的密封件，使四个零件紧密连接；气门升程调节装置由计算机系统实现，由伺服电机驱动，通过减速机构、丝杠传动机构精确控制气门的开启量，并通过位移传感器将开启量反馈给计算机，实现升程精确控制；缸盖定位夹紧装置具有快速定位、使缸盖上气缸中心与气缸轴线精确对中的功能，同时缸盖对中后能够将缸盖快速夹紧；缸盖平移装置负责缸盖在工作平台上移动时将其垂直抬起，减小缸盖平移时推力，同时到达定位点时又可将缸盖垂直落下；悬臂锁紧装置实现当悬臂绕悬臂轴旋转到合适位置时，将悬臂固定在指定位置，这时气门升程调节装置的压下杆与气门杆对正。

各装置详细结构如下：

1)工作平台。工作平台由1.5 m×0.4 m×0.05 m的耐磨钢板制成(见图3)，工作面为精加工表面，粗糙度小于Ra3.2。其中横向定位装置导槽和纵向定位装置导槽分别安装横向定位板和纵向定位板，定位板可沿导槽手动平移，导槽为T型槽，定位后由T型螺栓锁紧。气缸中心孔可满足缸径为Φ80～140 mm的气缸的测量，上法兰安装其中阶梯台上，由弹性密封垫实现缸套与上法兰间的密封。缸盖平移机构导槽也为T型槽，内装有缸盖平移装置的滑道。横向定位装置刻度尺与纵向定位装置刻度尺分别位于横向定位板和纵向定位板的一侧，零点为气缸中心孔，刻度尺与贴在纵向、横向定位板上的游标副尺相配合读数，即可确定对应缸盖上气缸中心到缸盖定位面的距离，其精度为0.02 mm。

2)气门升程调节装置。气门升程调节装置位于悬臂上，可沿悬臂滑动。其主体为一壳体，其余零件安装在上面。伺服电机安装在壳体外部并与齿轮1连接，齿轮1与齿轮2相啮合。齿轮2为一齿轮轴，并由两个轴承安装在壳体内部，齿轮轴为中空且内有传动螺纹，压下杆上部有外螺纹，两者做成一对螺纹副，当齿轮2旋转时，压下杆在内螺纹的作用下上下移动。压下杆下部通过螺纹连接有调节头并由锁紧螺母锁紧，调节头可根据缸盖的尺寸更换长短和形式。齿轮1和齿轮2的传动比为30，螺纹的螺距为1.5 mm，由此可以算出，伺服电机每转一圈，压下杆位移0.05 mm，完全满足气门升程调节的需要。

3)缸盖平移装置。缸盖平移装置的作用是当需要移动缸盖时将缸盖抬起，手动使其在上滑道上滑动，并实现垂直升降(见图5)。上滑道为T型截面的杆件，下拉杆为矩形界面杆件，两者叠在一起穿入到缸盖平移装置导槽内，同时两者接触面间存在辊子和斜面接触副。拨叉杆通过支撑座固定在工作平板侧面，转动摇杆可拨动连接两下拉杆的横杆而使下拉杆伸出和退回。在辊子斜面的作用下，当下拉杆向右产生位移时，上滑道产生向右和向上的运动趋势，但由于盖板的阻挡，上滑道只能产生垂直上升运动。根据结构的几何参数，下拉杆处于最左端时，上滑道低于工作平台上表面2 mm，下拉杆处于最右端时，上滑道高于工作平台上表面5 mm，可使缸盖高于缸盖与上法兰间的密封圈，满足缸盖无障碍横向推动。

4)悬臂锁紧装置。悬臂锁紧装置(见图6)可将悬臂锁止，使气门升程装置固定在指定位置。其中悬臂轴将悬臂和悬臂支座连接，使悬臂绕悬臂轴旋转。压下螺杆与悬臂轴顶部的螺纹孔配合，旋转手轮，压下螺杆顶住锁紧压头下行，使得两锁紧块径向向外移动直至与悬臂轴内孔壁紧紧贴合，靠贴合面的摩擦力将悬臂锁住。由于螺纹的自锁性，悬臂锁紧可靠，不会回松。

3 结论

根据需要设计出一套内燃机气道试验台，其机构包括工作平台、气门升程调节机构、缸盖平移装置、缸盖定位夹紧装置、悬臂锁紧机构，可满足缸径Φ80～140 mm的气道测试试验。其具有快速定位，快速夹紧，气门升程精确控制的优点。目前内燃机气道试验台经过生产和调试并投入使用，极大地提高了测试效率，测试精度，降低操作工作强度。

[1] 刘书亮，宋飞舟. 汽油机滚动涡流模拟试验台和滚流进气道的试验研究[J]. 内燃机工程，1995(4)：1-9.

[2] 高树征，赵瑞安，王景海，等.多机型柴油机缸盖气道试验台设计[J]. 内燃机与动力装置，2011(5)：8-13.

[3] 许振忠，刘书亮，李玉峰. 发动机进气道稳流试验台的开发[J]. 农业机械学报，2000(2)：82-85.

[4] 郑振鑫. 内燃机缸内气流运动的评价与分析[D].天津：天津大学，2009.

[5] 侯树梅. 内燃机气道稳流试验台定位装置的设计[J]. 承德石油高等专科学校学报，2016(4)：42-44，48.

[6] 廖继光. 一种多机型柴油机缸盖气道试验台的实现[J]. 装备制造技术，2008(10)：10-12.

DesignandDevelopmentofAirPortFlowTestBenchforInternalCombustionEngines

GAO Ya-nan

(Department of Automotive Engineering， Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)

Air port flow test bench for internal combustion engines was designed. It can measure the air port flow of cylinder head with cylinder diameter forΦ80～140 mm. The test bench is simple-structured and easy to operate, which can make the cylinder head fast, accurate and reliable positioning and clamping. The valve lift can be automatically controlled with high precision, which greatly improves the measuring efficiency and accuracy, also reduces the labor intensity.

internal combustion engines; air port flow test bench; cylinder head; test

TK406

A

1008-9446(2017)05-0056-04

河北省高等学校科学技术研究重点项目(发动机进气流流场对缸内气体运动影响的研究)：ZD2016113

2017-03-29

高亚男(1982-)，男，河北承德人，讲师，工程师，博士，主要从事金属变形过程的计算机模拟的研究，E-mail：llovr@163.com。