柴油机配气机构动力学仿真

摘要：本文以S195型柴油机配气机构实体作为模型，结合相关图纸得出各零部件的质量、刚度、阻尼等相关信息，在AVL中的Excite Timing Drive子模块建立S195型柴油机配气机构的动力学模型，对配气机构气门进行动力学仿真计算，得出各零件间的相互作用力、气门升程、速度、加速度等在一个工作循环内的曲线，据此对配气机构进行动力学仿真分析。结果表明：仿真所得的升程曲线基本上与设计的理论升程一致，并且改型配气机构的各零部件的受力也未超过一般情况的允许范围;配气机构的气门并未出现飞脱现象;气门打开后，气门阀座力瞬间变为零，此现象可说明没有出现明显的气门反跳现象。

关键词：柴油机 ;配气机构;动力学分析

1 引言

随着内燃机的设计、制造水平的提高，在体积、质量力求更小的同时，其速度和功率却在逐渐增大。为了满足上述的各方面要求，必须将提高内燃机的各项性能、降低排放、减少各零部件之间的磨损作为高性能内燃机的主要研究方向。

配气机构作为发动机的两大机构之一，对发动机的性能有重要影响，发动机的配气机构设计的合理与否，毫无疑问将直接影响发动机的各方面性能_[1]。發动机在运转时，配气机构的各零部件之间会相互接触，必然导致刚度偏小的零件出现弹性变形，严重时将导致气门出现落座反跳、飞脱、内外弹簧并圈、凸轮轴过度磨损等现象。这些不良情况的出现必将导致发动机不能在预先设计的状态下运行，使其各方面性能恶化_[2～3]。

动力学仿真分析要求我们把配气机构进行简化，根据作用在配气机构各零件上力的关系，针对进、排气门的运动建立可求解的微分方程，同时各零件的弹性变形阻尼、刚度、质量等因素也必须纳入我们的考虑范围。通过这种简化，我们就能够较为方便但又不失合理准确地分析配气机构各零部件的受力及运动情况_[4]。

目前，对柴油机配气机构进行动力学分析已成为发动机性能分析的一个重要组成部分_[5～6]。同时，配气机构的升级也是对发动机整机性能优化的有效途径_[7～8]。

2 研究方法与方案

2.1数值模拟计算模型的建立与验证

根据S195型发动机配气机构的实际零部件布置情况，所建原机模型如图1所示，计算模型由13个单元组成。包括凸轮轴、凸轮轴相位、气门、气门的内外弹簧、凸轮、推杆、挺柱摇臂等。

对标定转速（1000r/min）下工况进行了模拟，并对模拟结果进行分析讨论。

3 结果分析

3.1 气门升程及其速度

在一个工作循环内，气门两次开启，气门升程曲线类似于半正弦波，最大气门升程约为0.0108m。可以看出，气门升程曲线十分平滑，没有出现断点，说明在发动机运行时，配气机构的气门并未出现飞脱现象。

其次对气门速度进行分析，在图2中，气门速度近似呈分段的一次函数进行变化，先由0m/s逐渐增加到最大值2.4m/s，再迅速降至-2.2m/s，最后又逐渐变为零，完成一次开启。

可以看出，气门绝对速度在最大值附近时，出现了较为明显的波动，这可能与凸轮型线的设计及参数的设置有关。落座时，气门速度并没有立刻归零，出现了较为明显的波动，原因在于存在的气门间隙。气门在回落时本身以一定的速度与气门座接触，接触后会出现多次震荡，最后速度变为0。而这种速度的波动正是发动机所产生的噪声的主要来源。气门落座时没有明显的反跳现象。

3.2 气门加速度

气门的加速度值要求控制在可取范围值之内，以防止气门飞脱现象的出现。加速度值的异常变化会造成配气机构的剧烈震动。

3.3 凸轮与挺柱间的接触应力

凸轮与挺柱的相互接触必然会造成两零件间的相互磨损。因此必须验证其接触力大小是否在需用范围之内。凸轮与挺柱间的接触力从0开始急剧增大，在1500N附近变化。在气门上升期间的变化尤为剧烈，总体呈上升趋势;而在气门回落期间，接触力变化相对缓慢，一直呈下降趋势;气门落座时，接触力变化也较为剧烈，这可能是因为零件间的不平滑接触所造成，但总体在可接受范围之内。

4 结论

1. 升程曲线与理论升程曲线基本一致，并且改型配气机构的各零部件的受力也未超过一般情况的允许范围;

2. 配气机构的气门并未出现飞脱现象;气门打开后，气门阀座力瞬间变为零，此现象可说明没有出现明显的气门反跳现象。

3. 仿真分析的结果符合S195柴油机的运行情况，仿真模型准确合理，为S195型柴油机配气机构研究提供了参考。

参考文献：

[1]王远志， 唐斌， 薛冬新，等. 某柴油机配气机构动力学分析[J]. 2011.

[2]张桂昌. 柴油机配气机构动力学分析及凸轮型线优化设计[D]. 天津大学， 2009.

[3]秦辉， 熊永红. N330柴油机配气机构运动学与动力学仿真分析[J]. 2011.

[4]秦凤莲， 毕玉华， 申立中，等. 柴油机配气机构动力学仿真及优化[J]. 拖拉机与农用运输 车， 2010， 37（5）：71-73.

[5]王远志. 柴油机配气机构动力学分析[D]. 大连理工大学， 2011.

[6]凤莲. 柴油机配气机构及正时驱动系动力学特性研究[D]. 昆明理工大学， 2010.

[7]陈阳， 姜学涛， 刘建. 配气机构动力学仿真分析[J]. 科技风， 2011（1）：187-187.

[8]陈仲海. 柴油机气门组动态特性分析研究[D]. 中北大学， 2013.

作者简介：姓名：陆大勇（1994-），性别：男，民族：汉，籍贯：江苏省连云港市灌南县，职务/职称：学生 学历：硕士在读单位：江苏大学 研究方向：动力工程;所在省市：江苏省镇江市