（仪器科学与技术专业论文）摩托车发动机气门相位及压缩比测量系统的研究.pdf

重庆大学硕+ 学位论文 中文摘要 摘要 本沦文以重庆嘉陵工业集团“摩托车发动机气门相位、压缩比测量”为科研背 景，研究，1 ：发了基于p c 机的摩托车气门相位及压缩比测量系统。全文分为绪论、 工作原理、总体设计、硬件设计、软件设计、误差分析六个部分。 阔内对摩托车发动机气门和位和压缩l b 坝, f j 量的。般方法存在着揲作复杂，精 确度较低等问题，在分析对发动机换气过程与气门结构、气门通过能力的基础卜， 提出了改进的方法。 介绍了工程系统总体设计的方法和步骤，然后根据工程系统总体设计的原则 规划出本系统的软、硬件系统。采用光栅位移传感器和光电轴角编码器，分别将 发动机进、排气门位移量和曲轴旋转位移量的变化信号通过数据采样，输入到计 算机，通过软件对三路信号加以比较，找出气门的相位关系，准确测量出气门相 位的各个参数。 对两种不同的测量压缩比的方法进行了比较研究，提出了两种方法的使用范 罔，对各自的优缺点进行了相应的分析。从而引出本系统的压缩比测量方法 液体测量。并对本系统液体测量的方法和如何选择测量液体进行了详细的介绍。 用绕着液体测量的方法进行了硬件上的选择，搭建了本系统的硬件结构，给 出了各个硬件具体的安装示意图。并且根据夹具设计的原则专门设计了本系统所 需要用到的夹具，给出了夹具设计图。 闹述了面向对象编程的原则和基本概念，对统一建模语言u m l 的丌发过程进 行了总结。用u m l 按照面向列象的设计思想对软件进行系统建模和提供针对本 系统所设计的概念模型，并介绍了软件中重要的用况、进行用况分析和介绍了典 型事件发生过程。程序的编写采用v i s u a l b a s i c ，详细介绍了软件的使用流程。 埘误差理论进行了阐述，具体介绍了误差的各种来源和消除这些误差的各种 方法。对系统中可能出现的误差进行了具体的分析，并给出如何减小，甚至在误 差源上消除这些误差的方法。 本系统已在重庆嘉陵工业集团运行了一年多，使用情况良好。操作简币，安 装方便，并且能够提供较高的精确度。对摩托车发动机技术开发人员在品质控制 卜有着重要的参考价值。 关键词：气门相位，压缩比，液体测量 重庆大学硕十学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h e 。m o t o r c y c l ev a l v ep h a s ea n dc o m p r e s s i o nr a t i om e a s u r e ”p r o j e c t ， o f f e r e db yc h o n g q i n gj i a l i n gi n d u s t r i a l g r o u p ，w es t u d i e d a n df o u n dt h em e a s u r e s y s t e mf o rm o t o r c y c l ee n g i n e v a l v e p h a s e a n d c o m p r e s s i o n r a t i o t h i sp a p e ri sd i v i d e d i n t os i xp a r t s ：i n t r o d u c t i o n ，w o r kp r i n c i p l e ，h o l i s t i cd e s i g n ，h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r e d e s i g n ，a n de r r o ra n a l y s i s t h ef i r s t p a r tp o i n t s o u tt h a tt h e g e n e r i c m e a s u r em e t h o dh a s f o l l o w i n g d i s a d v a n t a g e s ：c o m p l i c a t e do p e r a t i o na n d l o w e rp r e c i s i o n t h es e c o n dp a r to f f e r st h em e n d i n gm e t h o db a s e do i la n a l y z i n gt h ec h a n g i n g g a s p r o c e s s i o n ，v a l v es t r u c t u r ea n dt r a n s m i t t i n gc a p a b i l i t y t h ep a r ti n t r o d u c e st h eg e n e r i cc o n c e p to fs y s t e mp r o j e c th o l i s t i cd e s i g n ，a n d d e s i g n st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mb a s e do n i t sr u l e s ，c o l l e c t sa n dc o m p a r e st h e d i s p l a c e m e n ts i g n a l s o f s u p p l yv a l v e ，e x h a u s t v a l v ea n dc r a n k b yu s i n g r a s t e r d i s p l a c e a n e n tc o d e ra n dp h o t o e l e c t r i ca n g l ec o d e r , f i n d s o u tt h er e l e v a n tr e l a t i o n ，e x a c t l y m e a s u r e st h ep a r a m e t e r so fv a l v ep h a s e ，a n da l s oe x p l a i n sw h yu s et h el i q u i dm e a s u r e i no u r d e s i g n t h ef o u r t h p a r t i n t r o d u c e sh o wt oc h o o s et h eh a r d w a r ea n df i n dt h eh a r d w a r e s t r u c t u r eb a s e do nm e a s u r em e t h o d a c c o r d i n gt oc l a m pd e s i g np r i n c i p l e ，d e s i g n st h e c l a m p su s i n gi nt h es y s t e m ，o f f e r st h ec l a m p sa n d t h es k e t c hm a p so f h a r d w a r e f i x i n g t h ef i f t hp a r ti n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo f o o p a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fu m l ， f o u n d st h es y s t e mm o d e la n da n a l y z e st h ei m p o r t a n tu s ec a s e 、t h ep r o c e s so ft y p e e v e n t s ，p r o g r a n lw i t h v i s u a lb a s i ca n dl i s t st h eo p e r a t i o n a ls t e p so f t h i ss o f t w a r e ， t h es i x t hp a r ti n t r o d u c e st h eo r i g i no fv a r i o u se r r o r sa n dt h em e t h o d st or e d u c eo r e l i m i n a t et h e m ，d e t a i l e da n a l y z et h ee r r o r s p o t e n t i a l l ya p p e a r i n gi n t h e s y s t e ma n d o f f e r st h em e t h o d st h a tc a l lr e d u c eo re v e ne l i m i n a t et h e m t l w o u g h t h ee r r o r o r i g i n t h i ss y s t e mh a sr u nw e l lay e a ra n da nh a l fi nc h o n g q i n gj i a l i n gi n d u s t r i a lg r o u p ， s i m p l eo p e r a t i o n ，c o n v e n i e n tf i x i n ga n du p p e rp r e c i s i o n i tc a l lb ev e r y v a l u a b l ef o r t h e p e r s o n n e lw h oe n g a g e i nq u a l i t yc o n t r o lo f m o t o r c y c l e e n g i n e k e y w o r d s ：v a l v ep h a s e ，c o m p r e s s i o nr a t i o ，l i q u i dm e a s u r e i i 重庆人学硕j ：学位论文 l 绪论 1 绪论 1 1 引言 由于环境保勿、和人类可持续发展的要求，低能耗和低污染已成为摩托车发动 机的发展目标。这就要求发动机既要保证良好的动力性能又要降低燃油消耗，满 足排放的规定要求。发动机气门相位和压缩比这两个指标是直接与发动机的功率、 扭矩、油耗、排放密切相关的参数。针对蕈庆嘉陵工、业集团不断开发的新发动机 机型，分析每种机型的详细技术指标，提高整车的技术性能的需要，研究开发。 套摩托车发动机ze 门相位与压缩比测量系统就具有重要的现实意义。 本文要研究的主要是与四冲程发动机性能密切相关的问题。四冲程汽油机，由 于有单独的进、排气行程，每个工作循环新鲜混合气不易随废气逃逸，汽缸内残 留废气少，所以燃油消耗率和h c 的排放都较低。四冲程发动机在摩托车上，特别 是在2 5 0 m l 排量以上的摩托车上得到广泛应用。 1 2 摩托车发动机气门相位测量技术现状 目前我幽摩托年生产企业对发动机气门相位所采用的测量方法较为租糙。丰 要利用通用量具( 百分表和角度量板) 进行手工测量。测量方法如图1 】所示： 角度量板一 卣分表 、 爹 阁11 手t 测量示意图 f i g l 1t h es k e t c ho f m a n u a lm e a s u r e 重庆火学硕士学位论文绪论 将百分表安装于汽缸头部，百分表的测杆分别置于进气门和排气门的气门弹 簧座【：，百分表用于测量进、排气门的移动量。角度量板安装于发动机的曲轴上， 用于测量发动机曲轴的旋转量。手工转动发动机曲轴，手工分别记录f 进、排气 门的位移量，曲轴的旋转角度量。同时将发动机的火花塞取下，通过汽缸头上的 火花寒孔，再用另外的百分表，将测杆置于活塞顶部，旋转曲轴，以百分表指示 值的转折点为基准，找出活塞运动的上止点和下止点。记录f 止点、下l e 点对应 的曲轴转角。这样就可以找出进、排气门，曲轴，活塞三者的静态运动关系。从 而绘制出发动机的进、排气运动相位关系图。在整个测量过程中，通用量具的安 装较为烦琐，数据采集由于是手工测量和记录，所以不可能间隔太小。所以测量 结果准确度1 i 高，测量的误差较大。 1 3 摩托车发动机压缩比测量技术现状 活塞从下止点向上运动，同时关闭进、排气门。由于容积减小，汽缸的空气 受到压缩，压力和温度不断上升。实际的压缩过程不是绝热过程，而是十分复杂 的多变过程。如果用表示汽缸余隙容积，k 表示汽缸最大容积，表示汽缸工 作容积，那么空气受压缩的程度用压缩比e 表示： f 一一+ 一1 ，k ，、 “一一一”屹 1 。 屹 “ 在发动机的产品使用醢明书中，一般给出了汽缸压缩终点的压力( 简称压缩 压力) ，用以判断汽缸密封的状态。汽缸或活塞环磨损严重或拉缸时，漏气，“重时， 压缩压力会大大下降，从而使发动机性能恶化和启动困难( ”。 现代化油器式发动机压缩比一般为6 一1 2 【4 j 。压缩比越大，在压缩终了时混合 气的压力和温度便越高，燃烧速度越快，因而发动机发出的功率也越高，经济性 也越好。但压缩比过大时，不仅不能改善燃烧情况，反而会出现爆燃和表面点火 等不l _ | = = 常现象。所谓爆燃是气体压力和温度过高，在燃烧室内离火花塞较远的某 一处可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧。发生爆燃时，火焰以极高的速率 向外传播，甚至在2 t 体来不及点燃的情况下，温度和压力急剧升高，形成冲击波。 当这种冲击波撞击燃烧室壁时，就发出尖锐的敲击声。同时还会引起发动机过热、 功率f 降、燃油消耗量增加等一系列不良后果。严重爆燃时，甚至还会造成气门 烧毁、轴承破裂、火花塞绝缘体击穿等机件损坏现象。 压缩比过高的发动机，有时还会引起表面点火，它是由于燃烧室内炽热处( 如 气门头部、火花塞电极、积碳) 点燃混合气产生的另外一种不证常燃烧( 也称为 炽热点火或早燃) 。表面点火时，也伴有强烈的敲击声( 较沉闽) ，产生的高压会 重庆人学硕十学位论文 使发动机机件负荷增加，寿命降低。因此在提高压缩比时，必须注意防止爆燃和 表面点火的发q j 。此外，发动机压缅比的提高还受到排气污染法规的限制。压缩 比提高使排气中氧化氮的含量增加吼 陶1 2 液体法测譬压缩比 p i g l2t h ec o m p r e s sr a t i ou s i n gl i q u o rm e a s u r e 目前我国摩托车企业测量压缩比的方法主要是液体容积测量法。如图1 | 2 所 示。将发动机的火花塞取下，先用百分表，通过火花塞孔，将百分表的测杆置于 活塞的顶部，转动曲轴，通过百分表的示值转折点，找准发动机活塞运动的上止 点和下止点。在上止点时将曲轴止住，用滴管将液体慢慢滴入发动机的燃烧室内， 同时要注意排出其中的空气，当液体液面与火花塞孔口部平齐时，记录下滴管的 前、后刻度值且、儿，这就可以得出发动机燃烧室的余隙容积e ： = h 】一h 2 一巧 ( 1 - 2 ) ( ”为火花塞伸入燃烧室部分的体积) 再将发动机的曲柄进行旋转，同时一边不断地用滴管向燃烧室内注入液体， 直到通过火花塞孔可以清楚地看到其中的液体，然后关闭滴管的开关。同时正反 两个方向旋转曲轴，找出液体液面的最低点，此为活塞运动的下止点，这时再打 丌滴管的开关，继续向燃烧室内缓慢地滴入液体。当液体液面与火花塞孔口部平 齐时，记录下滴管液面的高度日：。再用液体容积法测出火花塞l 部位的体积k 。 这样就可以得出汽缸最大容积以： = q h 3 一u ( 1 - 3 ) 测m 了k 、矿。就可以计算出压缩比e ： e = e ( 1 4 ) 重庆火学硕十学位论文 1 绪沦 从上画的叙述中可以看出，目f i 这种测量方法对操作人员的熟练程度要求高、 操作较为复杂、测量的准确性也主要取决于操作人员的熟练程度。有必要进行进 一步的改进。 1 4 课题来源及意义 应重庆嘉陵工业集团的要求，针对其不断开发的新的发动机机型，分析每种机 型的详细技术指标，从而提高整车的技术性能；摸准、监控每款发动机的气门相 位、压缩比等参数，从而有效的指导设计和生产；提高成熟机种的品质问题的分 析、处理能力。 具体1 作及要求： 究成摩托车发动机气门相位与压缩比测量系统的总体设计( 包括硬件系统设 计与软件设计) 。 究成传感器( 包括位移传感器、光栅编码器) 、计算机、倍频卡等元件的选 犁及购买。 完成测量装置中用到的夹具设计。 编写测试系统的全部软件，实现对摩托车发动机。i 门相位和压缩比的测量， 并能进行数据存储。 本文结合重庆嘉陵工业集幽“摩托车发动机气门相位、压缩比测量装置”这一课 题，对有关结构、控制、检测误差等问题进行分析论述，特别在实际试验中的参 数测定、误差分离及评定方面作了较详细的研究，具体如下： 论述了摩托车发动机气门相位、压缩比这两样参数对发动机性能的具体影 响，确定课题的设计思想及方案。 论文详细研究了液体测量发动机眶缩比的具体方法，并对这种方法的准确 性进行了深入的研究。迸ij ：了误差分析。 采用丽向对象编程语言v i s u a lb a s i c 进行面向对象编程，使程序代码具有较 高的可维护性和可扩展性。 本论文提出的方法都运用于具体生产实际中，具有很强的指导意义。为新 机种的开发和成熟机种的品质控制在测量上提出了改进的方法。 重庆大学硕+ 学位论文 2 工作原理 2 工作原理 2 1 四冲程发动机的换气过程 在设计摩托车发动机气门相位与压缩比测量系统之前，了解发动机换气过程 是十分必要的。熟悉摩托车发动机的换气过程是我们设计测量方案、选择测量方 法、硬件设计、软件设计的前提条件。四冲程发动机的换气过程由自由排气、强 制排气和进气三个阶段组成。图2 1 为凹冲程发动机的配气相位图。以下为整个 换气过程的介绍。 排 角 气连续角 提前角 凹2 1 四冲程发动机气门相似 f i 9 2 1t h ev a l v ep h a s eo f f o u r s t r o k ee n g i n e 2 。1 1 自由排气阶段 发动机的活塞在高温燃气的推动f ，向下运动：接近下止点时，排气门打丌， 排气提前角的大小由试验决定。排气门之所以要提前打开( 即需要。+ 个排气提前 角) ，是考虑到气门在刚刚打开( 或关闭) 时，开度很小，不能一下到达全开位置。 如果没有排气提前角的话，会导致排气不畅。如果到f 止点才打丌排气门，那么 汽缸内的气体压力就来彳i 及有效的f 降，导致活塞回行时的排气压力增加，排气 消耗的机械功增加。气门提前打开，利用缸内燃气本身的压力向缸外排气即 自山排气。这时缸内的压力为进气管压力的2 倍以上。在自由排气阶段，排出废 气的多少，只与气门开闭的面积和气体的状态有关，而与气门前后的压差无关。 发动机最高工作转速越高，排气提前角也越大。自由排气的时间虽然很短，但是 因为排气的速度很高，排出的废气可以达到整个排气的6 0 。 畦庆人学硕学何论文2 t ：作原理 2 1 2 强制排气阶段 在自由排气时，随着活塞继续向下运动，汽缸内h i 力不断下降，当活塞运动 到f i l 点或稍过下止点，缸内的压力降到排气管压力的1 9 倍以下时，缸内的气 体就主要靠活塞推出。这时的排气成为强制排气。 在强制排气阶段，排气的快慢不但要受气门丌闭面积大小的影响，而且也与 气门前后的压差人小有关。 在排气快终止时，排气门即将关闭。山于排气门的节流作用，使排i 阻力增 加，汽缸内的压力回升，造成残留废气的增加。为了使废气排得更干净一些，其 办法是将排气门的关闭h , 孩f j 推迟到上止点以后，利用废气流出，这就有一个排气 迟闭角，排气迟闭角，增大了排气的时间面积，同时使活塞过了卜- 止点后，利用 废气的惯性，将废气带出去，使废气排出得更干净。排气终了的压力比正常环境 的大气h i 力略高。不同机型的配气相位数值各不相同，由试验确定。 2 1 - 3 进气阶段 同样进气门r j i ne 打开时，开启面积很小。为了有效地进气，活塞到达上止点 前就得打开，即需要一个进气提前角。在进气开始时，气体还不能一下顺畅地进 入汽缸，还得有一个使气体加速的过程。气体经过气门h 寸，又要受到一定的阻力， 所以在进。i 初期，汽缸内产生较大的压力降，随着气门开启面积的增大，进入汽 缸气体的增多，加j 二汽缸壁和燃烧宅对气体的加热，使缸内压力有所回升。到进 气终止时，气体的动能部分地转化为压力能，使缸内的压力上升至接近大2e 压力。 进气门快关闭叫，刘气体产生很大的节流作用，为利用气体的流动惯性增加进气， 所以要过下止点才能关闭，即需要一个进气迟闭角。在上止点前进气门早丌及上 止点后排气门晚关，这样就形成进、排气门在这段时问内同时开启的情况。我们 把进、排气门同时开肩的情况称为气门重叠。气门重叠期间所对应的曲轴转角成 为气门重叠角。为了有效地组织进排气，就得有一个适当的气门重叠角。发动机 的最高工作转速越高，气门重叠角也就越大。 2 2 摩托车发动机配气机构 配气机构是内燃机的个重要组成部分。所以配气机构也是摩托车发动机的 重要组成部分，它的设计是否合理将直接影响内燃机的经济性能、噪声、振动j _ 孑 工作可靠性等。 摩托年发动机配e 机构的形式是多种多样的，一般可分为： 链驱动顶置凸轮轴( 上置凸轮轴) 式 推杆式顶置气门( 下凸轮轴) 式 侧置式 6 重大大学硕j 二学位论文 2 - 1 ：作原理 活塞气阀式 旋转气阀式 其巾前三种配气机构用于四冲程发动机，后两种配气机构用于二冲程发动机。 二冲程发动机的配气机构比较简单，不需要专门的气门，气门弹簧，摇臂，凸轮 轴等零件。侧置式配。t 机构，由于进气阻力大，进气效率低，所以已经基本被淘 汰。近年来摩托车四冲程发动机广泛采用的是链条驱动顶置凸轮轴配气机构和推 杆式顶置气门配气机构。本文研究的也主要是这两种四冲程发动机的配气机构。 图2 2 是链条驱动顶置凸轮轴配气机构的结构简图。 四冲程发动机通常采用凸轮一挺柱一推杆一摇臂一气门这样一种卜_ 置凸轮轴 式的布置和传动形式。 链条驱动顶置凸轮轴式配气机构主要出凸轮轴、摇臂、进气门、排气门、气 门弹簧及凸轮驱动机构链轮、链条等组成。我国大量生产的j h 7 0 、j h l 2 5 、j h l 4 5 等都足采用这种机构。其主要特点是：凸轮轴布置在汽缸头上，结构紧凑，传动 可靠，进气阻力较小，进气效率高，有利于提高发动机的高速性能。 1 - i n n j 从动链轮2 一凸轮3 一链条4 一顺删主动链轮 5 一曲轴6 一气门7 一气门弹簧8 一摇臂 图2 2 驱动链条顶置凸轮轴 f i 9 2 2t h et o p p l a c ec a m s h a f t d r o v eb yc h a i n 重庆人学硕士学位论文2 _ _ 【一作原理 1 5 1 4 1 一梢汕罩2 一i 轮轴右轴承3 一凸轮轴组合4 一摇臂5 一摇臂轴6 一摇恃轴定位板 7 进气门8 一排气门9 一气门外弹簧l o 一气fj 内弹簧1 1 一弹簧座1 2 一外弹簧座 1 3 一内弹簧座1 4 一锁夹1 5 一橡皮堵头1 6 一气门调节螺钉1 7 调整螺母 圈2 3j h l 2 5 配气机构零件图 f i 9 2 3t h ea c c e s s o r y s k e t c ho f j h l 2 5m o t o r c y c l em a t c h g a sm e c h a n i s m 5 4 1 6 2 4 0 1 一止时从动链轮2 一链条3 一调节板4 一张紧器5 一变位弹簧6 一酾节杆 7 一定位销8 一道向板9 一防坐冒1 0 一锁紧灾1 1 一调节螺管1 2 、1 3 一垫制 1 4 一。型密封罔1 5 一螺柠1 6 一螺钉 图2 4j h l 2 5 摩托车配气机构正时链轮及张紧装置零件i 刳 f i 9 2 4t h ec h a i nw h e e lo fm a t c h g a sm a c h i n ea n dt h ep a n so fd g h t e nd e v i c es k e t c ho fj h l 2 5 m o t o r c y c l em a t c h g a sm e c h a n i s m 8 置基卜 重庆大学硕1 一学位论文 2i ：作原理 推杆式顶置气门配气机构( 图2 3 与图2 4 ) 主要由推杆、凸轮齿轮、摇臂、 进气门、排气门、气门弹簧等组成。本田c g l l 0 、c g l 2 5 型摩托车，我国的x f l 2 5 型摩托车都是这种结构。其主要特点是：凸轮轴布置在汽缸头下面，汽缸的侧面。 凸轮轴离汽缸较远，改善了凸轮轴的环境工作温度。推杆式顶置气门配气机构的 工作过程是：曲轴通过正时齿轮，把动力传递到凸轮轴上，凸轮轴通过下摇臂、 推杆一| 二摇臂把动力传递到气门上，然后克服气门弹簧的弹力，驱动2 t 门进行进 气和排气。 推杆式顶置气门与链驱动顶置凸轮轴式配气机构的t 要区别存于：一个是通 过推杆传递动力，一个是通过链条传递动力。 2 3 气门的结构 气门主要由杆部和头部两部分组成。图2 5 所示为气门的基本结构及名称。 n j ，点导牮雠 4 一锁夹柑5 一气门锥面 ( a ) ( b ) 黼2 5 气门的基本结构及名称图2 6 气门的头部形状 f i 9 2 5b a s i cs t r u c t u r ea n da p p e l l a t i o no f t h e v a l v e f i 9 2 6t h ec e p h a l i cf i g u r eo f t h ev a l v e 气门头部形状除影响气体流通特性外，还影响气门的刚度、蕈量、导热性能 以及制造成本等，同时也关系到气门的使用期限。因此，应根据发动机的不同情 况进行具体分析，然后确定具体的方案。如图2 6 所示。( a ) 为平底气门，这种 气门的优点是结构简单，工艺性好，受热面积小，且具有一定的刚度，因此得到 广泛的运用。( b ) 为凹底气门，它的特点是气门头部到气门杆的过渡半径大，这 样就有利于改善进气的流动。 2 4 气门的通过能力 为了保证发动机有良好的换气品质，获得最大的充量系数，这就要求配气机 构具有尽量大的通过能力。气门通道的通过能力与气门开度的大小，开启时间的 长短，丌启的快慢等因素有关。气门开启愈大，丌肩的时问愈长，开启愈快，气 门的通过能力也愈大。因此常用丌启断面与开启时问的乘积来表示气门机构的通 9 型窭塑幽 ! 型：坚堡 过能力。此即为气门机构的时间断面，简称“时而值”。任一气门开度时的气门开 启断面积f 可以认为就是气门处气门通道的最小面积。在常用的气门升程不太大 的情况下，通常认为气门口通道端面积厂就是以气门头部最小直径( 般等于气 门喉r 直径瓯) 为小底，直径z 为大底，h 为斜高的截锥体的侧表面积，如图2 7 所示。 ，= 口自( 瓯+ 谚) 2 因为h 。= h c o s o 一。d + 2 h s i n 0 2 巩+ 2 h s i n o c o s 0 所以 f = z r h ( d c o s o + h s i n 0 c o s o c o s 目) 2 石寿c o s 0 咴+ ( h 。s i n 2 0 ) 2 式中，0 为气门密封锥面的锥角。 a ， 隧纛熬i。 翟t lt 2 匕止点下止点 图2 8 气门开启时面积 f i 9 2 8t h ea r e ao f t h eo p e n i n gv a l v e 图2 ，7 气f j 门的基本尺寸及其通道面积 f 9 2 - 7t h eb a s i cs i z ea n dt h ec h a n n e l s r l e ao f t h ev a l v ep o r t 由以上可知，在气门尺寸一定时，气门口通道端面积f 与气门升程h 有直接 的关系。由于。i 门升程是时间t 的函数，因此通断面积也是时间的函数( 图2 8 ) 。 气门的可f 启时间值”可以用积分表示为： 2f ( t ) d t 其中积分下限和上限分别对应进( 排) 气行程始点和终点，即上f = 点和下止 点( 刈排。e 门则相反) 。换句话说，从结构设计角度评价气门口的通过能力时，均 重庆大学硕十学位论文 不考虑气门的开启角和落后角。 为了评价气门机构的时间断面，引入丰满系数的概念。丰满系数、l ，定义如下： 气门通道的平均断面f m 对最大通过断面f m a x 的比值。 。：立：业竺 ，二( t 2 一f 。) f 。 很明显，丰满系数越人越好，丰满系数的大小决定于气门升程| f i 线的形状。 。i 门通过断面虽然与气门升程有关，但并不是气门升程越火，。i 流量越火。 大量试验证明，在一定的气门升程范围内，随着气门升程的加大，气体流量电逐 渐增加；当气门升程超过某一数值时，随着气门升程的加大，气体流量不再增加， 甚至有时还出现下降的趋势。这种现象可解释为：在一定气门升程范围内，由于 气门头部与杆部连接处的过渡圆角的导引作用，使气流随着升程的埔加有利流过 气门通过，当升程达到某一数值后，继续增加，反而使圆角的导引作用减弱，使 气流不再上升甚至反而下降；另一方面，气流也受到“气门通道喉处”的面积限制， 气门通道面积受到喉口处的而积制约，气门通道超过喉口处面积时，气流不再增 加吲。一般进气门升程取( o 2 6 , - 0 2 8 ) d i ，排气门升程取( o 3 0 0 3 5 ) d e 2 ”。 2 5 配气机构中气门实际升程曲线与理论升程曲线的差别 内燃机配气机构是一个弹性系统。配气机构中各零件的弹性形变，使凸轮外 型所决定的从动件运动规律，传到位于一条很长的传动链末端的气门时，便产生 很大的畸变。随着发动机向高速发展，气门驱动零件的尺寸和重量都受到限制， 使整个配。i 机构的刚度有很大的削弱。同时，由于高速弓l 起的惯性力激起机构振 动，产生了附加振动负荷，使驱动机构产生变形，这些因素使气门的理论升程曲 线与实际升程血线差别很大。 1 一理论升程曲线2 一实际升程曲线 图2 9 实际升稃曲线与理论升程曲线的比较 f i 醇9t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ea c t u a lr i s i n gw a v ea n dt h ea c a d e m i cr i s i n gw a v e 重庆人学硕i j 学位论文2 工作原理 图2 9 表示配气机构巾气门实际升程曲线与理论刀程曲线的差别。从a 到f ， 凸轮消除了间隙，。i 门在f 点与传动部件丌始接触，但直到g 点以前气门并不开 启，只是当传动部件所受的压缩力平衡了气门弹簧力及汽缸内气体压力时，气门 才开始打丌。发动机转速低时，气门实际运动情况如虚线所示，除因气门弹簧引 起的静变形外，基本仍按凸轮外型所规定的情况运动。高速时则不然，随着变形 的增大，变成如图卜实线所示。气门先以大于设计规定的速度到达h 点，接着产 生跳动，脱玎凸轮的控制( 飞脱) 。i 点为第一次跳动的终点，气门又落到带弹性 的气门传动机构上，就像跳在一个弹簧垫上似的，势必又在另一点j 处重新跳了 起来。这样地跳起落下，最后冲击着气门座，产生噪声，甚至重新跳起【2 。 1 2 重庆人学硕士学位论文 3 总体设计 3 总体设计 3 1 系统总体设计 系统总体设计是在系统总体分析的基础上通过埘多种可实现方案的建模、仿 真、计算、优化和综合，而最终形成总体研制方案的过程。是对工程系统提出“如 f 2 r 去做”的研究与设计过程，也可称为系统综合。它包括设计师系统对传统工程、 专门工程专业、硬件、软件和系统接口的设计综合，以及对试验工程和生产制造 工程的设计综合。这一过程的目标是保证能够按照工程总要求或研制任务书的要 求，综合设计队伍中各门类专j l k 专家的工作成果，狭得整体效益优化，保障合理、 均衡的丁程设计。 3 1 1 人机环工程的综合 人机环工程综合的目标是把人的可达性、目视要求、提拿操作、聪想、理解和 反应能力等因素适时地综合到系统工作环境和技术要求中去，实现丁程系统的优 化、歧计。人机环工程在系统综合过程巾的主要工作包括如下内容： 将 j 程系统的功能要求分配到人员、设备、软件或硬件上。 规定人员介入工程活动的要求。 运用任务分析和时间基线研究手段，确定人的能力是否能适应系统的要求。 应用系统模型或样机评价备选设计方案，进行人的极限能力模拟试验。 与工程系统设计师、有关工程专业专家，以及系统试验、生产、训练和使用 人员一起，研究、解决在危险工作状态下，如何保护操作人员与装备的安全 问题。 3 1 2 软件和硬件的综合 工程系统软件和硬件的综龠对保证复杂工程系统的质量起着重要，甚至关键性 的作用。因此，通常在工程设计总体部设立专门的软件与硬件综合机构负责这一 t 作。该机构的组成人员应由既熟悉计算机硬件和软件，又具有系统工程经历、 对工程技术状态很熟悉的殴计师组成，唰时他们也是软件工程化专家组的重要成 员。软件与硬件综合工作主要包括如下内容： 认真分配每个计算机程序的技术要求，并负责审核计算机程序。 软件设计师提出接口设计要求，并提供接口输入数据，保证硬件与计算机 软什的正确综合。 1 ) 对计算机软件的使用、存储资源和技术发展潜力进行评价。 2 ) 负责实施相关设计评审，审核研制方内部软件的设计更改，确认软 件是否满足要求。 重庆人学硕卜学位论文3 总体设计 3 ) 试验部门一起验证计算机程序与硬件之问是否i e 确地进行了综合。 4 ) 在规定的使用条件下，演示验证工程系统是否能够满意地实施软件 与硬件综合的主要手段是接 _ ：】控制文件( i n t e r f a c ec o n t r o l d a t a ， i c d ) ，也町以纳入到该工程系统的工程标准当中。i c d 规定了计算 机软件与必须一起使用的硬件之间的功能接口，将接口要求传递给 计算机软件设计师，使其完整、准确地理解，并在系统综合工作中 具体考虑对计算机程序设计的影响。 3 1 3 系统接口的综合 随着功能分析的展开，工程系统各层次组成单元之间的接口逐步明确，并以技 术要求文件的形式确定下来。系统接口可以是物理的，也可以是提供功能的，或 两者兼而有之。通常用机械、电子或功能数据、软件程序表达，形成物理接口、 电子接口、液压与气压接口、光学接口、软件接口、软件与硬件组合接r _ 】和环境 接口等。对系统接口进行设计综合主要包括如下工作内容； 用功能流程框图和功能接口输入输出图，初步确定接口，并规定接口之间 的数据流。 在功能分解完成后，依据接口设计要求，进行接门设计。 在工程设计总体部组建接口控制技术组，负责接口设计协调，确保所有接口 的兼容性，进而制定相应的接口控制文件o c t ) ) ，完成接口的研制t 作。 考虑到接口研制涉及到诸多专业领域和众多实施部门，通常在接口控制技术 组之下，设立若干专门专业接口工作小组，处理诸如电磁兼容、计算机资源 和测试计划等专门技术领域的问题，完成相应的i c d 的制定工作。 由 i 程设计总体部负责工程系统所有接口设计要求的汇总、技术协调工作， 最终形成整个工程系统的i c d ，并由所有相关单位会签，发送到所有有关设 计实施单位，作为系统设计的共同依据。 3 1 4 系统总体综合平衡 系统总体综合平衡研究通常是面对诸多备选方案，针对影响工程设计的若干因 素，如系统的技术与使用性能要求、专门工程专业各方面的要求、系统的生产性 与试验验证要求，以及工程的综合技术保障要求、工程的寿命周期费用和研制进 度要求等进行统筹分析、平衡，并提出决策建议的系统工程过程。因此，通常面 列的是多目标决策的复杂问题。权衡研究的基本任务是通过系统研究，适时地提 出决策建议，指导系统技术方案的决策、系统设计要求与技术状态的建立、推进 系统各组成单元详细设计等各项工作的落实。 权衡研究是工程系统、j 一程研究与设计过程的重要组成部分，在论证研究阶段， 通过权衡研究，对用户提出的需求，进j j ：系统任务分析与任务范围界定，以利于 重庆大学硕+ 。学位论文3 总体设计 用户要求与技术保障措施的落实：在方案决策阶段，对各种系统性能要求和工程 专业等方| f f 的要求进行综合与平衡，并依据工程系统总目标的要求对工程总体技 术方案进行优化和决策；在工程研制阶段，对分系统、部件、组件设计方案进行 初样和正样设计权衡，在多个备选方案中优选出综合效能好的技术方案；在定型 后，当需要进行工程系统改进时，权衡研究是评估更新技术方案的重要手段。开 展权衡研究的基本目标之一是防止设计人员习惯于按过去的经验办事，常常搞单 方案设计。通过权衡研究，在系统工程研究与设计的程序上防止单方案的研制与 决策，为能够优选出满意的设计方案创造条件。 3 2 本系统的总体设计 系统中的测量方法在开始阶段选用了两种：气体测量方法与液体测量方法。在 对气体测量方法与液体测量方法的复杂性，可操作性进行比较后，采用了现在火 多数摩托车企业使用的液体测量方法，并在实现过程中，按工程的实际情况进行 了必要的改进，尽量降低人工操作，保证测量的精度。 数据的采集以及数据的模数转换都得依靠硬件来实现。由于现在的数据采集与 模数转换硬件( 如a d 卡、倍频卡等等) 都已经标准化和产品化，自制硬件不仅 消耗大量的人力、物力、时间，也难以达到市面上产品的精度。所以硬件我们采 用选购产品为主。 市面上的硬件产品大都提供了良好的接口函数，使用户能够对硬件进行二次丌 发。这些接口函数都经过了大量的实验测试，正确性得到了保证。使我们在对硬 件与软件上的接口问题上无需担心，降低了软件设计与编写卜的复杂度。 软件设计采用现在流行的面向对象编程语言v i s u a lb a s i c 进行编写，利用其组 件强大与数据库编写方面的优势，采用面向对象的设计思想和利用a d o 数据库技 术进行数据存储，各个功能模块明确分工，便于代码的管理。如有必要对软件进 行升级时，这样的设计不需要改动大量的代码，提供了良好的可扩展性、呵维护 性。 3 _ 3 相关测量方法概述 测量是人类认识和改造客观世界的一种必不可少的重要手段。通过测量和实验 能使人们埘客观事物获得定性或者定量的概念，并发现客观事物的规律性。从广 泛的意义上说，测量就是对客观事物获得定量的数据，即对事物的某种特性得到 数字的表征p 。 3 3 1 气体( 压力) 测量方法 我们先介绍气体测量的方法，并根据由此分析得出使用液体测量的必要性。 重庆人学硕士学位论文3 总体设计 我们将气体测量转化成压力测量，如下所示。 压缩比e 的测量关键是要测出汽缸的余隙容积圪，汽缸最人容积。在不点 燃发动机的情况卜i ，根据上述活塞环密封的原理，当用手柄转动曲轴时，活塞、 活塞环、汽缸壁形成的密封道，由于汽缸内压力) 1 i 大，对气体的密封作用大大减 弱。这是由于： 由于汽缸内没有燃气，曲轴的运动速度也不快，缸内气压极小，第一密封面 的形成只能靠活塞环的弹力，这样所形成的密封面作用就大扣折扣，对气体 的密封作用大为下降。 由于没有缸内燃气( 测试状态卜1 ) ，曲轴的运动惯性也很小，缸内压力极小， 第二密封面对气体的密封作用微乎其微。 由于发动机没有点火，活塞环没有热变形，活塞环的开l _ 】问隙就是冷机状 态下的间隙，比工作中发动机活塞环的实际间隙要大，这对气体的密封作 用也就减小了许多。 从理论上讲，发动机的燃烧i l ：作室可以形成一个近似的密封容积，这时要求 川外力带动发动机以较高的转速被动运动。这时可以把发动机的运动看成一个等 温绝热过程 生：堡( 3 - 1 、 p n i v 一 其中。= 、匕。为k 。对应的汽缸压力，为。对应的汽缸压力。这样 就可以得到压缩比： e ：堡：堡：生( 3 - 2 ) k 。圪。 从( 3 - 2 ) 式可以看出，我们可以通过测量汽缸的最大压力和最小k 力来近似 测卅发动机的压缩比。 这一方法的问题在于，由丁是冷机运行，所以整个运行过程中，发动机燃烧 工作室的密封性必须可靠，漏气要减少到最小的程度。但这在实际操作和技术实 现上都具有很大的困难。不仅需要给发动机装上可靠的固定架，加装附加的驱动 装置。而且经济成本也比较高。不利于在不同的操作现场中灵活使用。因此，我 们在进行本课题的总体设计时放弃了这一方案，而改为采用液体测量法。 3 3 2 液体测量方法 液体量的表示有质量、体积和摩尔数三种，其中摩尔数在实际的t 程项目中基 本上0 i 采用。液体量测量结果的表达为容器内液体的质量或体积值。两者之间有 简单的换算关系，如( 3 - 3 ) 式所示： 璃庆大学硕士学位论文3 总体没计 m = p v ( 3 - 3 ) 一般情况下，液体密度p 为温度的函数，与压力的关系较弱。与其它量的测量 一样，液体量测量原则上可以通过以_ f 两种途径实现： 赢接测量：即直接测量容器内液体的质量或体积。 问接测量：通过测量一些与容器内液体量有关的其它量x ，经一次或多次一 对一的函数关系转换，计算出液体量值f 质量或体积) 。数学形式表达为 m = f ( x l ，x 2 ，x o ；a l ，a 2 ，口。) ( 3 - 4 ) q ，a ，。表示其它参数( 对体积也有类似表达式) 。 山此基本概念出发，对液体系统( 容器+ 液体+ 气体) 的所有量进行检验，列出 与液体量测量相关的量，结果如表3 1 p 1 】所示。 表3 1 系统量与液体量关系 t a b l e 3 1t h er e l a t i o no f s y s t e mp a r a m e t e r sa n dl i q u i dp a r a m e t e r s 系统鞋运动利美性畸液体毓测靛干 关性刖注前弓 k 度几何参毓体秘蛔拨卡l 关 体科l几何参毓体烈n 拨槲关 幔埘( 转动惯精1力学战化学参赫质越盥接( 问接】棚共 i t f ，) ) j ) j ：l 遮艘幻_ _ ； 7 蛰虢庙艟间接柑关f = t ha 妇 动b t 冲艟力孕套懿