带模拟缸压载荷的配气机构试验装置研制

2020-12-16陈俊玄俞展亮陈沛禹汪铭磊俞小莉

实验技术与管理 2020年10期

黄瑞，陈俊玄，俞展亮，陈沛禹，汪铭磊，俞小莉

（1. 浙江大学能源工程学院，浙江杭州 310027；2. 浙江大学能源与动力国家级实验教学示范中心，浙江杭州 310027；3. 浙江康和机械科技有限公司，浙江台州 317200）

随着发动机性能的不断提升，尤其是对其动力性、经济型、可靠性以及振动噪声等性能的要求更加严苛，配气机构作为发动机两大机构之一，其性能好坏直接影响发动机工作各项性能[1-4]。随着经济全球化和信息时代的到来，电子商务迅猛发展，其中物流行业是电商的基础，中国载货汽车保有量逐年增加，截至2019 年6 月已达2 694 万辆[5]。我国山路多，急弯陡弯多，载货汽车质量大，制动能力要求高，工信部对国标GB 7258.2017《机动车运行安全技术条件》的内容进行了调整，要求一定条件的货车应装备缓速器或其他辅助制动装置[6]，这也使得车辆缸内辅助制动系统技术近几年发展迅猛[7-8]。为了保证配气机构的稳定性和可靠性，同时适用于发动机辅助制动，需在开发前后进行试验验证。配气机构验证试验主要测量气门动态特性曲线，而气门的动态特性会受到气门的载荷、运动速度、润滑条件及工作温度等影响。现有配气机构试验装置不具备气门负荷加载系统，不能真实地模拟配气机构实际的使用工况，也无法很好地检测零件的性能[9-15]。因此本文针对带有发动机缸内辅助制动的配气机构，设计了一套带模拟缸压载荷的配气机构试验装置并开展了试验研究。

1 试验装置设计

1.1 整体方案设计

带模拟缸压载荷的配气机构试验装置由主体框架、液压系统、传动系统与测控系统等组成，系统整体结构如图1 所示。

图1 系统结构示意图

配气机构试验装置的主体框架分上下两层，上层设有一个集油槽，被测缸盖总成与工装安装于集油槽内，集油槽底部设有连接回油过滤器及回油泵的管路，集油槽顶部是一个可移除的透明罩盖。下层底面安放伺服电机、高压过滤器和回油泵，同时下层还预留了下置凸轮轴型发动机的安装空间。液压系统用于实验台架的润滑、控制及加载，主体框架下层顶面吊装着液压油轨，在油轨上设有6 路高速电磁阀和压力传感器，及蓄能器、泄压阀、压力表等。压力油通过高压过滤器过滤后经高压防爆油管输送至液压油轨，再通过金属液压管路与工装油道连接。

测控系统用于监测台架工作状况并发布指令，激光位移传感器通过柔性支架固定于缸盖上，对准被测气门的弹簧座圈，用于测量排气门的升程；扭矩传感器和编码器分别与电机轴和凸轮轴相连；液压系统各支路均设有电磁阀和压力传感器，其中用于对排气门加载的支路使用的电磁阀为高速电磁阀，用于润滑和控制配气机构切换工作模式的油路还设有流量传感器，所有传感器数据接收和电磁阀控制均由NI 测控设备完成。外接控制柜中除了安装有NI 测控设备，还安装有伺服电机驱动器、高速电磁阀驱动器、交流接触器、互感器、AC-DC 开关电源、开关按钮、指示仪表等硬件设备。

主要设备选型见表1，装置设计图和实物图分别见图2 和3。

表1 配气机构试验装置主要设备选型及功能

图2 配气机构试验装置数字化设计图

图3 配气机构试验装置实物图

1.2 模拟缸压载荷系统设计

本文设计了一种模拟缸压载荷加载系统。根据被测对象的缸盖尺寸，设计一套专用工装，在工装上设计凹坑，充当机体上的燃烧室，当缸盖上的某一缸的进排气门都处于关闭状态时，工装与缸盖之间的空间形成一个密闭空间。液压加载系统如图4 所示，工作过程如下：测控系统接收激光位移传感器和编码器分别采集的排气门升程信息和凸轮轴的相位信息，在排气门打开前开启高速电磁阀，使得液压油在极短的时间内充入工装凹坑与缸盖底面形成的密闭空间，由于燃烧室空间小，并且液压油经过加热器加热后黏度低，空间内将迅速建立高压，以此模拟发动机辅助制动时气缸内的高压工况，实现压力加载过程。排气门开启时，排气门克服油压作用打开，与排气道相通的一瞬间，液压油从排气道外泄，流入集油槽，实现压力卸载过程。此过程更能模拟发动机进行缸内辅助制动时的实际情况。发动机进行缸内辅助制动时，缸压根据发动机转速与增压比变化，可达到4～7 Mpa，试验装置液压加载系统的压力值可以通过调节泄压阀灵活设定。

图4 配气机构试验装置加载方案

2 配气机构试验

为了验证本试验装置的可行性，利用该装置对带有缸内辅助制动功能的某型号发动机进行试验。气门的动态特性可以通过测量气门的位移、速度或加速度来反映，考虑到试验装置的配气机构型式兼容性与测量数据的准确性，本文通过对比不同工况下的气门升程动态曲线来验证实验装置。试验中，缸盖的润滑油温度要求保持80～90 ℃，压力为0.25 MPa。在凸轮轴转速设定为950 r/min，即发动机额定转速1 900 r/min。液压加载系统的压力依次设定为0、3 和6 MPa，缸内辅助制动模式切换电磁阀处于开启或关闭状态，试验工况如表2 所示。

表2 试验工况设计表

具体试验步骤如下：

（1）安装一套某型号发动机到配气机构试验装置上；

（2）打开控制柜电源与数据采集处理系统，设定液压系统加热器温度为85 ℃；

（3）调整激光位移传感器空间位置，使测量基准点对准排气门弹簧座圈；

（4）调整凸轮轴角度，使1 缸的排气升程开启位置与编码器零位对齐，并盖上透明罩盖；

（5）待液压系统加热到80 ℃左右，启动液压泵站，设置润滑油压力为0.25 MPa，加载系统压力为0 MPa；

（6）伺服电机驱动器上电，设置伺服电机旋转方向为逆时针，转速为100 r/min，检查试验装置是否正常运行；

（7）待液压系统加热到85 ℃后，在保持缸内辅助制动模式切换电磁阀未通电状态下，提高伺服电机转速到950 r/min，记录该工况下的激光位移传感器数据、编码器数据及压力传感器数据；

（8）接通缸内辅助制动模式切换电磁阀电源，然后依次设定液压加载系统的压力为3 和6 MPa，记录每个工况下的激光位移传感器数据、编码器数据及压力传感器数据；

（9）停止伺服电机，关闭加热器，关闭液压泵站；

（10）整理试验数据，确认数据无误后，导出试验数据并关闭试验装置电源；

（11）处理试验数据。

3 试验结果分析

图5 非缸内辅助制动模式无模拟缸压加载时排气门升程曲线（工况1）

图6 缸内辅助制动模式无模拟缸压加载时排气门升程曲线（工况2）

图7 缸内辅助制动模式并加载模拟缸压时排气门升程曲线（工况3、4）

对表2 的四个工况开展试验，分析凸轮轴转角—气门升程曲线结果，并与该机型的仿真设计数据进行对比分析。图5、6、7 分别是不同工况的排气门升程测量和仿真结果对比图，均发现气门升程曲线有很好的连续性，气门落座平稳，没有出现气门飞脱或反跳的现象，且与动力学仿真升程曲线吻合度较好。以图7 为例，试验测得加载压力为3 MPa 时制动升程开启提前角为62°，关闭角为71°，最大升程为2.87 mm；加载压力为6 MPa 时制动升程开启提前角为61°，关闭角为71°，最大升程为2.86 mm。仿真结果为开启提前角62°，关闭角66°，最大升程3.14 mm。测量与仿真结果较为接近。

通过试验结果可知，不论发动机是否处于缸内辅助制动工况，本装置均能较好地测量气门动态特性曲线。对于带有缸内辅助制动功能的发动机，本试验装置可以提供模拟缸压加载功能，从而准确测量发动机配气机构实际的工作状况，为发动机辅助制动机构优化设计提供试验支持。