（光学工程专业论文）k157发动机进气系统单向阀的研究.pdf

摘要 摘要 k i5 7 f m i 发动机是一种高速摩托车用发动机，该发动机在高速大工况下的性能 优良，但在中低速小工况下的燃油经济性不理想，面对2 0 0 9 年1 月1 日实施的燃 油税和日益严格的排放法规，阻止该发动机迸气反喷，降低其燃油消耗率是十分 必要的。 本文介绍了一种控制发动机进气反喷的单向阀，该单向阀安装在化油器与发 动机气缸体之间，利用其单向导通的原理，使中低转速下进入气缸内的混合气不 能倒流，阻止发动机进气反喷，从而能有效地降低燃油消耗率，提高k 1 5 7 f m i 发 动机的燃油经济性。 首先，根据发动机示意图和p - v 示功图分析了发动机进气过程中单向阀簧片 的工作过程和工作原理；根据工程热力学和流体力学的相关理论，建立了簧片的 流动微分方程式和运动微分方程式，分析了簧片的运动规律，同时运用m a t l a b 求 解出所设计簧片的理论固有频率。 其次，根据薄板理论，运用有限元软件a n s y s 对单向阀簧片进行模态分析和 谐响应分析，从而得到模型中簧片的固有频率以及簧片在受气流冲击载荷后的响 应值，并结合簧片运动规律的理论分析，为单向阀的簧片的形状和限位板高度等 的设计提供参考和依据。 再次，建立并调试功率综合实验台，以k 1 5 7 发动机为研究对象，通过外特性 和负荷特性实验，将加阀后发动机的功率、转矩和燃油消耗率与原机作对比，验证 单向阀的理论可行性。 最后，基于流体动力学，对单向阀的结构进行优化和改进设计，减小了单向 阀在发动机进气时引起的流动阻力损失，并通过对比各种改进单向阀结构的方案， 确定了合理的单向阀结构。 关键词发动机；单向阀；进气反喷；有限元方法；燃油消耗率 a b s t r a c t a b s t r a c t k 15 7 f m ie n g i n ei sa m o t o r c y c l ee n g i n e i tp r o v i d e sg o o dp o w e ri nh i 曲s p e e d ，b u t i ts t i l ln e e d st oi m p r o v et h ee n g i n e sf u e le c o n o m yi nt h em e d i u ma n dl o ws p e e d t h e n e wf u e lo i lt a xw a sc a r r i e di n t oe x e c u t i o no nj a n u a r y1 ，2 0 0 9 ，a n dt h ee m i s s i o n r e g u l a t i o n sh a sb e c o m em o r ea n dm o r er i g i dn o w ，t h e r e f o r , i ti sn e c e s s o r yt or e d u c et h e s p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n p r e v e n t i n gt h em i x t u r e sf l o w i n gf r o mt h ec y l i n d e rb a c kt o t h eg a s o l i n ee n g i n ei n l e ti na d m i s s i o np e r i o di sa ne f f e c t u a lm e t h o dt or e d u c et h e s p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n t h et e x ta n a l y z e dar e e dv a l v eu s e di ni n l e to fm o t o r c y c l ee n g i n e t h er e e dv a l v e l i n k st h ec a r b u r e t o rt ot h ec y l i n d e ra n d p r e v e n t st h em i x t u r ef r o mc o u n t e r f l o w i n g u s i n g t h er e e dv a l v e sc h a r a c t e ro fu n i l a t e r a l c i r c u l a t i n gt oa v o i di n h a l i n ga n t i s p r a yi n m e d i u m s p e e da n dl o ws p e e do p e r a t i n ge n v i r o n m e n t ，t h e r e f o r , t h em e t h o dc a n e f f e c t i v e l yr e d u c e st h es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o na n di m p r o v e st h ee n g i n e sf u e l e c o n o m yi nt h em e d i u ma n dl o ws p e e d f i r s t l y , t h et e x ta n a l y z e dt h ew o r k i n g p r o c e s sa n dp r i n c i p l eo ft h er e e di nr e e dv a l v e b yt h es k e t c hm a po ft h eg a s o l i n ee n g i n ea n dp vi n d i c a t e dd i a g r a m t h ea u t h o r e s t a b l i s h e dt h ef l u xd i f f e r e n t i a l e q u a t i o na n dm o v e m e n td i f f e r e n t i a le q u a t i o nb y e n g i n e e r i n gt h e r m o d y n a m i c s 、h y d r o d y n a m i c sa n dr e l a t e dt h e o r i e s a c c o r d i n gt ot h e k i n e m a t i c sm o d e lo ft h er e e di nr e e dv a l v e 、t h ef l u xd i f f e r e n t i a l e q u a t i o na n d m o v e m e n td i f f e r e n t i a le q u a t i o n , t h ea u t h o ra n a l y z e dt h em o t i o nr e g u l a r i t yo ft h er e e d v a l v e ，s o l v e dt h es i m u l t a n e o u sd i f f e r e n t i a le q u a t i o nb ym a t l a b ，a n dg a i n e dt h et h e o r e t i c s n a t u r a lf r e q u e n c yo ft h er e e dd e s i g n e d s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fe l a s t i cp l a t el i b r a t i o n ，t h ea u t h o rm a d et h e m o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s b yt h ea n s y s ，g a i n e dt h en a t u r a l f r e q u e n c ya n dd i s p l a c e m e n to ft h er e e dw h i c hr e c e i v e dp e r i o d i ci m p a c kl o a d si n k i n e m a t i c sm o d e l a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h er e e d ，t h ea u t h o ro f f e r e d r e f e r e n c ea n dt h e o r yg u i d a n c et ot h es h a p ea n dh e i g h to ft h ed i s p l a c e m e n tr e s t r i c t o rf o r i i i 山东大学硕十学位论文 t h ea m e l i o r a t i o n t h i r d l y , t h ea u t h o re s t a b l i s h e da n dd e b u g g e dt h ec o m p r e h e n s i v ee x p e r i e m e n tt a b l e b a s i n go nk 15 7 f mm o t o r c y c l ee n g i n ef o rt h es t u d y , t h ea u t h o rc o m p a r e dt h ep o w e r 、 t h et o r q u ea n dt h es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o nb e t w e e nt h eg a s o l i n ee n g i n ee q u i p p e dt h e r e e dv a l v ei ni n l e ta n dt h eo r i g i n a le n g i n e ，t h e r e b y ，v a l i d a t i n gt h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t y f o rt h er e e dv a l v ei nm o t o r c y c l e f i n a l l y , b a s i n go nh y d r o d y n a m i c s ，t h ea u t h o ro p t i m i z e dt h ec o n f i g u r a t i o no ft h e r e e dv a l v e ，a n dm i n i s h e dt h ef l u i dr e s i s t a n c el o s s e si na d m i s s i o np e r i o d b yc o n t r a s t i n g t h ei m p r o v e m e n t si nt h er e e dv a l v e ，t h ea u t h o rd e s i g n e dt h er e a s o n a b l ec o n f i g u r a t i o no f k e yw o r d se n g i n e ；r e e dv a l v e ；a n t i s p r a yi na d m i s s i o np e r i o d ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； s p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 墨垦查室 e l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或其他复制手段 保存论文和汇编学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：翌垄墨导师签名： e l 期：丝：墨j 第l 章绪论 1 1 课题的背景和来源 第1 章绪论 近年来我国摩托车制造业发展迅速，产量从1 9 9 3 年起持续稳定增长，2 0 0 3 年国内摩托车的保有量已经突破8 0 0 0 万，2 0 0 5 年全年产量达到1 7 7 6 万辆，据中 国产业经济研究院2 0 0 9 年中国摩托车市场研究报告显示，2 0 0 8 年我国全年产量约 2 7 ，6 8 万辆，比2 0 0 7 年增长1 1 3 0 。目前我国已成为世界摩托车产销第一大国， 摩托车作为交通和娱乐工具，正面临着能源和环境这两大日益突出的问题。从1 9 9 3 年起，我国开始成为石油进口国，现在我国年石油消耗量居世界第2 位，石油进 口量已占总需求量的5 0 以上【l 】。 欧盟自2 0 0 6 年1 月1 日起，摩托车执行欧i 标准，日本自2 0 0 7 年1 月1 日 起执行新的排放标准( 类似欧i i i 标准) 【2 1 。我国从2 0 0 8 年7 月1 日起对摩托车( 包 括轻便摩托车) 实施第阶段排放标准型式核准( 相当于欧排放标准) ，并开始要 求对摩托车燃油蒸发物进行污染控制。日前，国家环保总局正式批准了摩托车 污染物排放限值及测量方法( 工况法，中国第1 阶段) 和轻便摩托车污染物排 放限值及测量方法( 工况法，中国第1 i i 阶段) ，同时批准的还有摩托车和轻便摩 托车燃油蒸发污染物排放限值及测量方法。今年1 月1 日，我国全面实施了燃油 税。 由于我国摩托车产品基本上是日本上世纪9 0 年代的产品，从产品系列型谱分 布看以中等排量( 1 0 0 1 2 5 c c ) 为主，其发动机技术指标已很难适应新标准的技术 要求，所以标准的实施无疑会对摩托车企业带来前所未有的挑战，包括技术、生 产、配套、质量控制等方面。标准实施日期确定在公布后l 2 年内执行。面对今 年1 月1 日实施的燃油税和日益严格的排放法规，降低摩托车发动机的燃油消耗 率是十分必要的。 k 1 5 7 f m i 发动机是一种新型单缸风冷四冲程高速摩托车用发动机，最高转速可 达9 5 0 0 r m i n 。该发动机在高速大工况下的性能优良，但在中低速小工状下的燃油 经济性不是很理想，在实际使用中存在两个方面的问题： 山求人学硕十学位论文 ( 1 ) 中低速、小工况下的燃油消耗率较大； ( 2 ) 中低速时存在进气“反喷”现象，排放性能不理想。 该机型最初设计为高速车型用发动机，该发动机的配气机构采用传统的非可 变配气系统，结构简单，工作可靠，气门开闭时刻和气门升程不变，其凸轮型线是 为了满足高速大负荷的工况而设计，其进气门开启提前角为3 0 0 ，进气门关闭延迟 角为7 0 0 。 高速大负荷时，进气速度高，这样进气惯性大，7 0 啪进气延迟角可以使进气 时问延长；在中小负荷下，由于进气惯性减小，此时，发动机需要较小的进气延 迟角，但发动机工作时进气门仍以高速时的延迟角关闭，因此，在进气后期已进 入气缸内的部分混合气体会反向流入进气道造成发动机进气“反喷”，反喷出的 混合气被阻挡在空气滤清器内，在下一个工作循环时又重新被吸入气缸，这部分 混合气进一出一进三次经过化油器，造成混合气过浓，不仅增加了油耗，而且恶化 了持放，使经济性和排放性降低l ”。 因此k i s 7 f m i 发动机仅适合于高速行驶，而摩托车多在中小转速下运转。若 能改善中低速小工况下该发动机的燃油经济型将会使本机型更加完善。 图卜1 原机图1 _ 2 安装单向阀的发动机 如图卜2 所示，在化油器与发动机气缸之间安装上一个单向阀，利用单向阀 的单向导通原理，使中低速小工况下进入气缸内的混合气不能回流，阻止发动机 进气反喷，从而能有效地降低燃油消耗率，提高k 1 5 7 f m i 发动机的燃油经济性。 第1 章绪论 1 2 国内外发动机进气系统的研究现状 目前国内外关于发动机进气系统的研究主要包括可变配气机构和可变迸气系 统等的研究。 ( 1 ) 可变配气机构 配气控制技术从1 9 7 0 至今的发展历程是：优化凸轮型线、可变凸轮相位、可 变凸轮型线、机械式全可变气门机构、无凸轮电磁驱动配气机构、无凸轮全可变 配气机构【4 - 8 】。其中，可变配气控制技术通过改变配气相位和气门升程，提高了发 动机的充量系数，为发动机提供较理想空燃比的混合气，因而，在同等工况下， 能有效地提高发动机的动力性和经济性。关于可变配气机构的研究主要包括凸轮 驱动可变气门系统和无凸轮驱动可变气门系统。 凸轮驱动可变气门系统是在传统气门驱动机概念上的改进，通过对凸轮轴传 动、摇臂比、项柱或正时皮带的调节达到改变配气相位或升程的目的。该系统主 要有两种实现形式：一种是凸轮轴和凸轮可变系统，通过凸轮轴或凸轮的变换来 改变配气相位和气门升程【协13 1 。h o n d a 公司的v t e c 可变正时电控机构是世界上第 一个能同时控制气门开闭时间及升程的可变气门电控驱动机构，目前已有v t e c - e 、 s o h c v t e c 、d o h c v t e c 、3 - s t a g e v t e c 、i - v t e c 五种形式【1 乒16 1 。其中，d o h c v t e c ( 顶置双凸轮可变气门驱动机构) 最具有代表性，该系统在高速时采用高速凸轮 轴，低速时切换到低速凸轮，分别满足了发动机在高速和低速时对配气相位和凸 轮升程的要求，从而能同时改善发动机的高速和低速性能。另一种是气门一挺杆可 变系统，工作时凸轮轴和凸轮不变动，通过机械力或者液力作用于气门、摇杆、 摇臂或拉杆，从而改变配气相位和气门升程【1 7 砌】。f i a t 公司设计了一种三维凸轮 配气机构，其凸轮轴的轴向移动使凸轮的不同部位与可倾斜导板接触，从而改变 了气门的升程【1 9 2 1 1 。德国b e n z 公司采用电子调节方式来改变正时皮带轮与凸轮 轴内轴之间的相对相位，使气门配气相位改变，该机构已用于r o a d s t e r 5 0 0 l 系列 的5 l v 8 发动机中 2 2 】。 无凸轮驱动可变气门系统在概念上完全不同于传统的气门机构，它取消了传 统的凸轮轴及其从动件，直接以电磁、电液、电气、电机等电控方式驱动气门【2 3 1 。 它是在电控技术基础上发展起来的，可实现对气门升程、气门运动速度、气门开 山尔大学硕十学何论文 启持续时问和配气相位的灵活独立控制。该系统通过电控单元检测发动机的工况， 接受和处理传感器的信号后，发出控制信号，控制气门的丌启和关闭。优点是能 对与气门j 下时和升程相关的所有因素进行控制，在各种工况下获得最佳配气正时 和升程。上世纪9 0 年代，f o r d 公司开发了一种电子控制无弹簧双作用液压活塞可 变气门驱动系统，它的原理是将气门与一个液压活塞相连，通过电磁阀控制液压 缸内液体的流入和流出来控制气门的运动【2 4 】。g m 公司推出了一种电磁铁直接控制 的可变气门正时系统，该系统由电磁线圈直接驱动气门，通过改变线圈的通电和 断电时刻控制气门的开启始点和开启持续期，气门动作调节灵活，响应迅速。 ( 2 ) 可变进气系统 发动机进气时，由于进气管内存在气流的惯性效应和压力的波动效应，活塞的 下行运动导致在进气管内产生膨胀波，该膨胀波在进气管的开口端反射，形成压 缩波返回，向气缸方向传播。如果压力波反射叠加后，进气口处的压力在进气门 开启和关闭时能经常维持一段时间较高的压力，特别是关闭时，那将会有助于增 加发动机的进气量，提高充量系数，使燃油充分燃烧，从而提高燃油经济性。 为了达到最佳的充量系数值，可以采用可变进气系统( v i s ) ，以充分利用进 气谐振作用，使发动机的高速与低速都能达到最优。可变进气系统原理是：在进 气道中增加一个可控制的副气道，低速时，气流只从主进气道流入发动机，高速 时打开副气道，气流从主、副两个进气道同时流入气缸中。这就相当于高速时增 加了进气管流通截面积，低速时减小进气管流通截面积，从而在高速和低速时都 能相应提高发动机的充量系数。 1 3 单向阀研究的意义及主要内容 1 3 1 单向阀研究的意义 可变配气控制技术通过改变配气相位和气门升程，提高了发动机的充量系数， 为发动机提供较理想空燃比的混合气，因而，在同等工况下，能有效地提高发动 机的动力性和经济性2 5 1 。但是在摩托车发动机上采用可变配气控制技术需对发动 机进行重新设计，相对比较复杂，技术要求和制造成本都较高，以及受摩托车自 身尺寸等因素的限制，使得目前该技术在摩托车等小型车辆上的应用有很大限制。 4 第l 章绪论 这样在过度阶段就需要一种简单经济的方式来改善发动机的工作状况，而单向阀 结构简单、制造成本低，因此，单向阀介入发动机是一种可行的方式。 本课题研究的目的和意义就是在化油器与气缸之间安装一个固定式的单向阀， 利用单向阀的单向导通原理，使发动机在中低速小工况下进入气缸内的混合气不 能回流，阻止发动机进气反喷，从而改善发动机的工作状况，提高其燃油经济性 等指标。 1 3 2 单向阀研究的主要内容 本文以k 1 5 7 f m i 摩托车发动机为研究对象，对单向阀进行了理论研究、设计 和改进。主要完成工作如下： ( 1 ) 介绍了单向阀基本结构和影响簧片运动规律的因素，结合发动机的示意 图和p - v 示功图分析了发动机进气时单向阀簧片的工作原理； ( 2 ) 通过建立单向阀簧片的流动微分方程式和运动微分方程式，来分析簧片 的运动规律，并运用m a t l a b 求出所设计簧片的理论固有频率； ( 3 ) 根据薄板理论，运用有限元软件a n s y s 对单向阀簧片进行模态分析和谐 响应分析，得到簧片的一阶固有频率以及簧片受简化了的气体冲击载荷作用后的 响应值，并结合簧片运动规律的理论分析，为单向阀簧片的形状和限位板高度等 的设计提供参考和依据。 ( 4 ) 建立并调试功率综合实验台，以k 1 5 7 发动机为研究对象，通过外特性 和负荷特性实验，将加阀后发动机的功率、转矩和燃油消耗率与原机作对比，验证 单向阀的理论可行性。 ( 5 ) 基于流体力学，对单向阀的结构进行优化和改进设计，减小了单向阀在 发动机进气时引起的流动阻力损失，并通过对比各种改进单向阀结构的方案，确定 了合理的单向阀结构。 5 第2 章单向阀的基本结构和工作原理 第2 章单向阀的基本结构和工作原理 2 1 气阀的分类 气阀根据其运动特点以及气阀的运动与相关机构运动的内在联系来分析，可 以分为两大类：一类称为强制阀，它的启闭是由专门机构控制，而与气缸内的压 力变化无关；另一类称为自动阀，它的启闭主要是由气缸和阀腔内气体压力差来决 定的。强制阀的结构复杂，其启闭时间不固定，很少采用。 按照阀片的结构型式，气阀也可分为簧片阀、环状阀、网状阀、蝶阀、塞状 阀、条状阀、直流阀等。其中，环状阀和网状阀的阀片厚度一般都在l m m 以上， 运动中阀片的变形很小。从理论分析和工程设计的角度，簧片阀可以分为三类【2 6 】： ( 1 ) 翼状簧片阀：一端固定，一端自由状态。细分为条状、工字形状、树叶 状及排骨状等。 ( 2 ) 圆环形、半圆环形簧片阀：阀孔分布在圆( 半圆) 环形上，靠两翼定位 或中心固定。 ( 3 ) 马蹄形簧片阀：阀片两端固定，中间形状呈马蹄状。 本文研究的单向阀，其阀芯上的簧片属于翼状簧片阀。 2 2 单向阀的基本结构 单向阀主要由阀壳、阀芯和橡胶垫片 等零部件组成。其基本结构如图2 - 1 所示： 2 2 1 阀壳 单向阀阀壳由两个阀壳通过螺栓联接 进气 起来，通过阀壳联接来固定阀芯。其中单 向阀阀壳的进气端通过螺栓与化油器相联 接，阀壳另一端通过螺栓与气缸相联接。 单向阀工作时，阀壳的内壁还起着引导混 图2 - 1 单向阀的基本结构 7 山尔大学硕十学位论文 合气流动方向的作用，因此，阀壳内壁的粗糙度、是否存在台阶、阀腔的容积以 及密封程度都对单向阀的工作性能有很大的影响。 2 2 2 阀芯 阀芯是单向阀的核心部分，主要包括簧片和限位板等零部件。 ( 1 ) 簧片：簧片由薄弹簧钢片制成。本文研究的簧片有两种：一种是工字形 的簧片，另一种是e 字形簧片。当簧片前后有一定压差时，在气体的推力作用下， 簧片开始离开阀座，作开启运动；当压差减小到一定值时，簧片在自身的弹性回 复力作用下回到阀座上。 ( 2 ) 限位板：限位板的一端通过两个螺钉把簧片固定在阀座上并紧压簧片。 当簧片在气体推力作用下开启时，限位板起着限制簧片升程的作用。 2 2 3 橡胶垫片 橡胶垫片在阀壳与阀芯结合处起密封作用。另外，在阀座与簧片接触处进行 硫化处理，粘贴上一层油橡胶，以减轻簧片与阀座的撞击和振动。 2 3 单向阀簧片的运动形式 簧片的运动形式对单向阀的工作性能有很大的影响。如图2 2 所示，典型的簧 片运动形式有以下三种【2 7 】 ( 1 ) 正常的簧片运动 如图2 2a 所示，正常的簧片运动是指单向阀簧片能及时开启和关闭，运动过 程中不出现“颤抖”现象，并且簧片对阀座和限位板具有适当的撞击速度。当簧 片前后的压差足以克服簧片自身的弹性力时，簧片迅速开启，以适当的速度撞击 限位板且产生一次轻微的反弹，然后在气体推力的作用下，重新紧贴在限位板上， 在发动机要出现反喷现象前基本能关闭，并且簧片在落座时，只是出现一次轻微 的反弹运动。 理想的簧片运动是混合气以较低的流速经过单向阀阀隙，且簧片有适当的时 间截面，进气流动阻力损失小，单向阀工作时噪音小。 8 第2 章单向蚓的基本结构和工作原理 ( 2 ) 簧片的“颤抖 运动 如图2 2b 所示，实线部分代表簧片出现“颤抖 现象的运动曲线，虚线部分 代表正常的簧片运动曲线。簧片的“颤抖运动是指簧片开启后，由于其自身的 弹性回复力较大，簧片在限位板和阀座之间来回多次振荡。当簧片出现“颤抖 现象时，簧片撞击限位板或阀座的次数增加，降低了发动机的充量系数，减少了 簧片开启的时间截面积，不利于混合气进入气缸，同时增大了进气流动阻力损失。 ( 3 ) 簧片的“延迟关闭 运动 如图2 2c 所示，实线部分代表簧片出现“延迟关闭”的运动曲线，虚线部分 代表正常的簧片运动曲线。簧片的“延迟关闭 运动是指由于簧片自身的弹性回 复力较小，较小的压力差就能使其开启并紧贴限位板，以至于延迟落座关闭，使 已经进入气缸的部分混合气反向流回进气道，此时，在反向混合气推力的作用下， 簧片迅速撞击阀座，则增加了簧片的应力和磨损，降低了簧片的使用寿命。若簧 片出现“延迟关闭 现象，则将降低单向阀阻止发动机进气反喷的功能。 h a ) hh b9 b ) 图2 - 2 单向阀簧片的运动形式 c ) a ) 正常的簧片运动曲线b ) 簧片“颤抖”曲线c ) 簧片“延迟关闭”曲线 2 4 簧片运动的影响因素 由簧片的三种运动形式可知，其运动相关的参数主要包括：簧片的厚度、硬 度、形状、装配间隙、限位板的高度以及混合气流速等，当这些参数变化时，簧 片的运动也相应发生变化，下面着重分析几个主要参数对簧片运动的影响【2 8 】1 2 9 ： ( 1 ) 簧片的厚度 9 山东大学硕十学何论文 为了保证簧片有一定的强度和刚度，使其能承受一定的冲击载荷，保证单向 阀的气密性，簧片的厚度一般在0 1 0 5 m m 之间。 ( 2 ) 簧片的硬度 簧片的材料影响它的硬度值，硬度太低，则在簧片工作时容易变形，落座时 密封性不好，则发动机仍存在部分反喷现象；硬度太高，则出现颤振现象，会增 加进气流动阻力损失。 ( 3 ) 簧片的形状 形状不同，簧片的开启压力和升程也不同。若开启压力较大，则容易造成怠 速不稳定，并且增大进气流动阻力损失。 ( 4 ) 装配间隙 由于簧片难以成型，容易变形，所以它密封性很重要，要保证单向阀组合装 配合格。 ( 5 ) 限位板的高度 限位板的高度太小，则簧片可能不能完全打开，单向阀的流通截面积较小， 流通能力较差，流动阻力损失增大，同时加强了限位板、阀座与簧片之间的撞击； 限位板高度太大，则增大了簧片开启高度、应变和应力，因簧片的运动惯性容易 出现滞后关闭现象。 ( 6 ) 混合气的流速 簧片在开启的过程中，可以把它看成是受周期冲击载荷的悬臂梁。混合气的 流速与簧片的运动有很大的关系，因此，单向阀内的混合气流速是衡量单向阀性 能的一个重要因素。单向阀内混合气流速过高，会增大流动阻力损失；混合气流 速过低，则需要增加簧片的个数或加大簧片的尺寸，不利于单向阀的制造和安装。 2 5 单向阀的工作原理 本文研究的单向阀是自动阀，它的启闭主要是由气缸和阀腔内气体压力差( 即 簧片前后的压差) 来决定的，因此，它的工作过程与气缸的运动密切相关。发动 机的气缸有进气、压缩、做功和排气四个行程。单向阀只在发动机进气行程工作， 可结合发动机p v 示功图和簧片的升程来说明单向阀的工作原理。 l o 第2 章单向阀的基本结构和i ：作原理 单向阀的工作原理图如图2 3 所 示，其中，p 表示气缸内的压力，表 示大气压强，y 表示气缸容积，h 表 示单向阀簧片的位移，表示发动机 曲轴转角，矿表示发动机燃烧室容积， k 表示发动机气缸工作容积，圪表示 发动机气缸总容积，由于k 1 5 7 发动机 是单缸四冲程发动机，所以 圪= 圪+ 圪。 假定发动机迸气过程中，在空气 滤清器和化油器内不存在压力损失， 只考虑簧片克服自身弹性力所需的开 启压差肇。设发动机迸气行程活塞位 于上止点时曲轴转角= 0 0 ，k 1 5 7 发 动机进气门开启提前角为3 0 0 ，这样发 动机在上一个工作循环曲轴转角 声= 6 9 0 0 时，进气门开始开启，这正对 应图2 3c 中1 点所示位置。进气门 卜i 卜点下止点 t j 硼 i i 再。 7 皿门 ii 譬l l c i 、 屺夕j 厂1 。 a ) fed 爵 、 、 - - 、3 p 、 要d ， r g a p i a p o fb 吒 吒 v 一 吒 b ) h l 35 6 7， 、 一 f 7 1288b c ) 图2 - 3单向阀的工作原理图 早开增大了进气行程开始时气门的开 a ) 发动机的截面示意图b ) p _ v 示功图 启高度，有利于减小进气流动阻力损 c ) 单向阀簧片运动规律 失。此时虽然气门已开始开启，但由 于单向阀簧片前后的压差还不足以克服簧片自身的弹性力，所以簧片此时没开启。 如图2 3a 所示，当曲柄转角= 0 时，活塞处于上止点位置，此时，气缸容 积等于燃烧室容积。活塞从上止点开始往下运动后，气缸内的压力逐渐降低，直 到单向阀簧片前后的压差等于卸时，气体的推力足以克服簧片自身的弹性力，单 向阀的簧片开始开启，并迅速达到限位板( 图2 3c 中2 3 线段) 。此时混合气经 单向阀进入气缸，开始了发动机的进气过程( 图2 3b 中b c 线段) 。从这里可以 看出，在没装单向阀前，如图2 3b 所示，在a 点之前进气门开启提前角3 0 0 ，发 山东人：硕十学位论文 动机就开始进气了，进气门早开增大了进气行程开始时气门的开启高度，减小进 气阻力，增加了进气量。加装单向阀后发动机进气滞后了，这不仅增加了发动机 进气的流动阻力损失，也降低了发动机的充量系数。 单向阀簧片的开启压差一般是o 1 o 1 5 个大气压。在气体推力的作用下，簧 片以较大的速度撞击限位板，如果限位板不能把簧片动能全部吸收，则簧片将会 出现反弹现象( 图2 3c 中3 4 5 线段) 。 随着活塞继续往下止点运动，发动机继续进气，如果气体推力大于簧片自身 的弹性回复力，簧片就会紧贴在限位板上，出现相对较长的一个平贴段( 图2 3c 中 5 - 6 线段) 。当到达6 点时，活塞到达下止点。 如图2 3b 所示，c 点表示活塞到达下止点，f 点表示进气延迟角为7 0 0 ，即 曲轴转角为2 5 0 0 ，e 点位于d 点和f 点之间。活塞到达下止点后，开始了压缩 行程。高速大负荷时，进气速度高，这样进气惯性大可以使进气时间延长，增加 进气量，提高充气效率，所以进气延迟角较大，直到f 点进气门才关闭；中低速 小负荷时，进气惯性比较小，而此时活塞处于向上止点运行的压缩行程，若发动 机仍以高速的进气延迟角关闭进气门，就会使得己进入气缸的部分混合气倒流反 向流入进气道，造成发动机进气“反喷”。因此，发动机在中低速小负荷下要求能 有较小的延迟角。 如图2 3b 所示，假设在e 点时发动机的延迟角基本符合中等负荷时发动机对 进气延迟角的要求，即发动机在e 点进气结束，安装单向阀的发动机实际的进气 过程如图2 3b 中b c e 线段所示，而此时发动机实际的延迟角为7 0 0 ，即f 点位 置，在化油器和气缸之间装上单向阀，通过设计好单向阀簧片的刚度，使其在c 点至e 点之间某个点的外力合力等于零，假设这点为d 点。从d 点开始，簧片上 所受外力的合力开始改变作用方向，此后，簧片自身的弹性回复力大于气体的推 力，簧片开始关闭，这正对应图2 3c 中的7 点位置。这样在f 点之前就能使簧片 回座，由单向阀的单向导通性可在一定程度上减少发动机的“反喷 现象。理想 的情况是：当活塞到达e 点对应e 点位置时，单向阀正好关闭，阀片完全座落在 阀座上( 图2 3c 中的8 。点) 。这样单向阀完成一次工作循环。在图2 3c 中，作线 段7 8 关于虚线j c 的镜像，得到线段7 8 。这样2 3 4 567 8 称为单向阀簧片运 1 2 第2 章单向阀的基本结构和t 作原理 动规律曲线，图2 3c 中，h 表示簧片的位移，表示曲轴的转角，面积2 3 4 5 6 7 - 8 2 就称为单向阀簧片开启的时间截面积【2 6 1 。 如图2 3b 所示，活塞从f 点对应的位黄继续往上止点运动，当到g 点时，活 塞到达上止点，压缩行程( 图2 3b 中线段c g ) 到此结束，经火花塞点火，燃 烧室内的气体急剧膨胀，压力迅速升高到h 点，活塞在膨胀气体压力推动下逐渐 向下止点位移，直到j 点。g i h i j 就是发动机的作功行程，j 点开始至a 点为排 气行程。显然，在作功行程和排气行程时单向阀是不工作的。 2 6 单向阀的设计要求 单向阀工作的好坏对k 1 5 7 f m i 发动机运转时的燃油经济性有一定的影响，为 此，根据单向阀的运动形式、运动的影响因素和工作原理的分析，对单向阀的设 计提出下述几个基本的要求【2 7 】： ( 1 ) 混合气流过单向阀的流动阻力损失小 一般簧片阀的阻力损失在发动机指示功中占到8 一1 0 范围内【3 1 。通过采用在 结构上选择合理的形状、在进气道允许的范围内适当增大单向阀截面积、降低阀 壳内壁粗糙度、消除单向阀内的台阶以及在阀壳出口处的内孔倒锥角等方法，尽 可能减小混合气经过单向阀时的流动阻力损失。 ( 2 ) 簧片的使用寿命长 要求簧片抗击反复冲击载荷的能力强。单向阀簧片的寿命与选用材料、工艺 以及簧片与限位板、阀座的反复撞击速度有关。其中，簧片对阀座的撞击速度与 升程相关，提高升程会使撞击速度增加。通过在阀座处进行硫化处理，粘贴上一 层油橡胶，能有效地降低簧片落座速度，并能减轻簧片与阀座的撞击和振动。 ( 3 ) 良好的簧片运动规律 要求簧片对于发动机进气响应迅速，有充足的开启时间截面积，中小负荷时 在发动机出现反喷现象时能基本及时落座，阻止或减小发动机反喷，簧片工作时 不出现颤振和滞后关闭现象。 ( 4 ) 单向阀工作噪音低 单向阀的噪音一般是由流经簧片的混合气流以及簧片与限位板和阀座的金属 山尔大学硕十号：何论文 撞击等引起的。单向阀簧片若发生共振，不仅会产生噪音，而且还会加大簧片的 应力和应变，因此，设计时要使簧片的一阶固有频率大于发动机进气的频率。 ( 5 ) 簧片关闭时具有良好的密封性 ( 6 ) 单向阀结构简单 要求簧片运动质量小，单向阀结构简单，制造方便，易于维修，能实现零件 的标准化、通用化程度高等。 单向阀相关参数选择是否恰当以及簧片的运动规律，不仅直接影响单向阀的 工作性能，更重要的是这些设计直接影响着发动机的动力性和经济性。因此，有 必要建立准确的簧片运动规律的数学模型。 2 7 本章小结 ( 1 ) 首先介绍了气阀的分类、单向阀的基本结构以及簧片和限位板的功能和 作用。 ( 2 ) 分析了单向阀簧片工作时可能出现的三种运动形式和影响簧片运动规律 的因素，并结合发动机示意图和p - v 示功图着重分析了发动机进气时单向阀簧片 的工作过程和原理。 ( 3 ) 根据单向阀的工作原理和簧片运动影响因素的分析，提出了单向阀的设 计要求，为单向阀的设计提供参考依据。 1 4 第3 章单向阀运动规律的数模犁 第3 章单向阀运动规律的数学模型 3 1 气阀数学模型的研究 气阀的工作原理虽然简单，但是用数学模型描述它的运动规律并不容易，其 中，簧片的位移与进气道和气缸之间的气体压力差、簧片的物理性质以及限位板 的设计高度有关，簧片开启的频率受到气体推力频率的影响。如果用数学模型描 述气阀的运动规律，至少需要两个微分方程式，一个是气体的流动微分方程式， 该方程是用来描述气体经过气阀时的流动状况；另一个是气阀的运动微分方程式， 该方程式用来描述簧片在气体推力和自身弹性回复力共同作用下的运动状况【3 0 】。 1 9 6 6 年，美国的m w w a m b s g a n s s 和r c o h e n 建立了一个多自由度的进气阀 模型【3 l 】【3 2 】。1 9 7 4 年英国的s v k e r r 和j f t m a c l a r e n 建立了考虑到进气道压 力脉动对气阀影响的数学模型【3 3 】。1 9 8 4 年，l a w s o ns 和m e l a r e nr j l 采用 多流动单元，进行了舌簧阀动力学的计算机模拟【3 5 1 。2 0 0 7 年，在热力学和流体力 学的基础上，t i w a r ia s h e s h 和m a n e p a t ils s 建立了比较精确的管道流体数学模 型【3 6 1 。 本文研究的单向阀属于气阀中的簧片阀。单向阀阀体的两端通过螺栓分别与 化油器和气缸体相联接。k 1 5 7 发动机是单缸四冲程发动机，在发动机进气、压缩、 作功和排气行程的过程中，单向阀的簧片只在发动机的进气行程期间运动。簧片 的运动包括开启和关闭的动作，本文分析簧片的运动规律，主要包括单向阀内气 体的流动微分方程式、气体流速与单向阀横截面的函数关系以及单向阀簧片的运 动微分方程式，这些分析为单向阀的设计和改进提供了基本的理论依据。 3 2 单向阀内气体的流动微分方程式 发动机的进气过程比较复杂。首先，空气经过单向阀进入气缸时，进气道的 压力是变化的，且由于进气的周期性，进气道的压力存在压力脉动。其次，发动 机进气过程中存在热传导，气体的温度和比热是变化的。 为了建立单向阀内气体的流动微分方程式，须简化上述情况，因此，作出如 1 5 山东人学硕十7 ：何论文 下假定【2 6 】： ( 1 ) 本文对单向阀运动规律的分析是建立在发动机倒拖原理基础上的，此处 只考虑空气在单向阀内的流动状况。 ( 2 ) 发动机进气过程中单向阀内气体不发生热交换，属于绝热流动过程，可 用定比热来代替随温度而变化的比热。 ( 3 ) 通过单向阀的气体流动可视作一元定常等熵流动，即进气压力为常量， 不考虑进气压力脉动对单向阀内气体流动的影响。 ( 4 ) 单向阀簧片开启后，不管其形状如何，都可以作为具有一定有效流通截 面的简单孔口处理。 ( 5 ) 发动机进气过程中，进气道和单向阀内的气体可视为理想气体。 如图3 1 所示，设单向阀阀芯入口处的气体压力为岛，密度为岛，温度为t o ， 气体流速为，单向阀阀芯出口处( 阀隙) 的气体压力为p 。，密度为一，温度为互， 气体流速为k 。 根据热力学第一定律和理想气体的性质，有如下方程式【3 7 】： 状态方程：p = p r t 气体常数：r = c p c v 焓： 比能： h = c 0 e = 勺r 比热容比：k ：生 勺 矾 阀芯入口处 岛 进气 毛 式中 p 压强( p a ) 。 图3 一l单向阀阀芯内流体状态 p 密度( k g m 3 ) ； r _ 度( k ) ； 1 6 尺摩尔气体常数 j ( k g k ) 。 c 户比定压热容 j ( k g k ) ； 勺比定容热容 j ( k g k ) ： 第3 章单向阀运动规律的数学模犁 日热焓( j k g ) i e 气体的内能( j k g ) i k 比热容比，对于理想气体，k 又称为等熵指数。 理想气体一元恒定流动的能量方程式为： 量旦+ ! ：常数 ( 3 一1 ) k 。1p2 将比热容比、气体常数、状态方程和焓的关系式代入式( 3 - 1 ) ，并整理该式 告里+堡=cpp+!=印，+一v2=-k1p2 r p 22+ 兰2 三_ + = c + 一= c 。l + = + 一 ， 所以有 日+ 堡：常数 一 ( 3 2 ) 2 。 c p = 暑 ( 3 _ 3 ) 由式( 3 - 2 ) 得气体通过单向阀簧片时的一元等熵流动伯努利等式： 峨+ 譬= q + 譬 c 3 4 ， 由于阀芯入口处的横截面积比阀隙处的横截面积大很多，由流体力学管内横 截面与流速的关系可知，阀芯入口处的气体流速与阀