小型汽油机单径向通功能弹簧式簧片阀的研究

小型汽油机单径向通功能弹簧式簧片阀的研究

节能减排是车辆维修研究的重点。为了提高燃料效率，许多专家和科学家在近年来对汽车燃料的电喷雾技术和可选气装置进行了研究和改进。可变配气技术通过改变配气相位或气门升程,在高低速下均能提高发动机的进气效率和燃油经济性单向阀具有单向导通的功能,能阻止混合气回流,因而可解决中低速下反喷造成油耗过高的问题。该阀不仅结构简单、成本低、可靠性高、保养维修方便,而且可直接安装于化油器和气缸之间,不需改变发动机结构,是提高小排量发动机燃油经济性的一种相对可行的方案。为了定量分析和综合评估单向阀对发动机燃油经济性和动力性能的影响,在动力学分析设计的基础上,对发动机装阀前后的综合性能进行了台架试验研究和验证。1动力学装置的工作原理所设计的单向阀属于翼状簧片阀,其具体结构如图1所示,主要包括阀壳、阀芯和垫片。其中,阀芯是单向阀的核心元件,其上的簧片一端由螺栓组固定,另一端为自由端,为防止簧片在启闭工作过程中过度变形而影响其及时复位,采用限位板规范其自由端的升程和弯曲变形。该阀的工作原理是:当发动机开始进气时,混合气快速进入阀芯,簧片在前后压差的作用下迅速开启,并在合理的时间范围内平稳地保持开启状态;当进气结束后,混合气即将倒流,此时簧片迅速落座并闭合,从而有效阻止气缸内的混合气回流。由单向阀的基本工作原理可知,一方面它能阻止汽油机进气反喷,降低其燃油消耗率;另一方面,理论上它增加了进气系统的泵气损失,可能导致汽油机的动力性能(功率和扭矩)下降。2轴转动时的弹簧片检验数值分析和仿真方法可用于研究单向阀的工作性能,避免产品盲目设计和重复试制所需花费的大量成本和时间。周秀亚等研究的发动机为单缸四冲程汽油机,当曲轴转动两周时,发动机完成一次进气,即簧片仅应开启一次。当发动机转速在1800～9000r/min之间,则曲轴转速范围为30～150r/s,即合格的簧片对应每秒开启15～75次。簧片启闭运动频率和振幅对单向阀的工作性能有着重要的影响,为了避免簧片工作时在气流载荷作用下发生共振而影响单向阀性能,设计时应使簧片的固有频率避开15～75Hz区间,为此需对其进行模态和谐响应分析,分析结果可以为簧片固有振动特性和限位板高度设计提供科学依据。2.1应力集中和磨损在形状设计时,为避免簧片在高速开启和落座运动中出现应力集中和磨损,对叶片四周倒圆角。簧片的材料为合金钢,设计厚度为0.3mm,密度、弹性模量和泊松比分别为7800kg/m2.2弹簧刚度的影响簧片的一端由两个螺栓固定于阀座,工作时,进气系统的气流载荷作用于三个叶片上。分析前在簧片的两个螺栓孔上设置约束,限制其在空间内全部的六个自由度,如图3所示,簧片另一端设置为自由端,在三个叶片表面A1,A2和A3对应区域上施加均匀气体冲击载荷。通常簧片开启的前后气流压差需0.1～0.15个大气压2.3弹簧不发生共振模态和谐响应分析通过有限元法分别计算簧片的固有振动频率和位移响应。模态分析结果如图4所示,所设计簧片结构的一阶固有频率为198.8Hz,避开了簧片工作时的启闭频率区间15～75Hz,因而所设计的簧片不会发生共振。此次有限元计算值与之前研究的基于Matlab的数值分析方法获得的解析值204.4Hz十分接近簧片由三个叶片组成,其谐响应分析结果如图5所示,叶片的位移响应值随着气流载荷频率的升高而增大,三个叶片在0～75Hz频率载荷作用的位移响应值分别为4.6mm～5.3mm,5.1mm～5.9mm和4.6mm～5.2mm,其中,中间叶片的位移响应值略大于两侧叶片的响应值。为了减小簧片开启时的进气流动损失,综合依据三个叶片的位移响应将限位板的高度设置为6mm。3综合试验台的搭建有限元动力学分析为簧片以及适应其启闭运动的限位板的匹配设计提供了科学的依据,为了进一步研究不同转速和负荷下所设计单向阀对发动机燃油经济性和动力性能的影响,搭建了发动机综合性能试验台。如图6所示,单向阀直接安装在发动机进气道和化油器之间,不需改造发动机,搭建的综合试验台如图7所示,该试验台主要包括单缸四冲程发动机、GW100电涡流测功机和FC2210智能油耗仪等仪器设备,其中,测功机和油耗仪通过数据线与隔壁控制室内的FC2000发动机测控系统相连接,实现对试验全程的远程操控和数据采集。同款型号各个发动机之间性能可能存在小幅度差异,通常制造商在质量管理过程中将发动机实际性能与名牌标示数据间的偏差控制在5%以内,为了避免原机性能与名牌标注数据差异以及各发动机间实际性能差异对装阀发动机性能研究的干扰,先后分别对原机和装阀后发动机进行台架试验,直接对比和分析发动机装阀前后的性能,从而能更科学合理地评估单向阀对发动机经济性和动力性的影响。3.1转速对燃油消耗率的影响原机在中低速时存在严重的进气反喷现象,为了定量分析和评价不同转速和负荷下所设计单向阀对发动机节油成效,对多个转速下的负荷特性进行了台架试验研究。试验时,通过远程控制室内FC2000发动机测控系统的操作面板将发动机转速稳定在3000r/min,然后以0.95N·m的间距依次从小到大逐步增加发动机的扭矩,直至发动机达到高负荷工况。每次调控扭矩后,待发动机达到热平衡时台架试验测得的发动机负荷特性曲线如图8所示,当发动机接近空转(即输出扭矩Me·0N·m)时,发动机动力大部分仅用于克服机械损失,此时有效输出功率Pe很小,因而输出单位指示功所需的燃油消耗量非常大,即燃油消耗率很高。随着发动机输出扭矩增大,机械效率升高,燃油消耗率迅速下降并达到较低水平。与原机相比,装阀发动机在3000～6000r/min这四个转速下的燃油消耗率均呈现不同程度的降低趋势,其中,转速在4000r/min和5000r/min时,发动机燃油消耗率在负荷特性曲线对应的所有扭矩范围内均有非常显著的降幅,平均降低率分别为14.54%和6.58%,最高降低率分别达到22.23%和13.03%;当转速为3000r/min时,在中高负荷区间内(2.27～6.46N·m)装阀发动机的节油效果也较明显,其中,当扭矩为3.78N·m时,燃油消耗率降低达15.04%,整条曲线燃油消耗率平均降低3.52%;转速升高至6000r/min时,在中等负荷区间燃油消耗率也有一些降幅,其中,当扭矩为3.78N·m时,燃油消耗率降低达6.65%,但该转速下节油效果与之前三组相比并不突出。由上述试验结果可知,在3000～5000r/min转速下,装阀发动机燃油消耗率随扭矩变化的曲线比原机更平缓,节油效果非常显著,大幅提高了发动机的燃油经济性,转速升高至6000r/min后节油效果减弱,分析其原因是原机在中低转速下存在严重的反喷现象,使已经进入气缸的部分混合气回流至进气道,在下个工作循环中再次被吸入气缸内,由于这部分混合气多次通过化油器,导致进入气缸内的混合气浓度过高,降低了发动机的燃油经济性和排放性能。所设计的单向阀具有单向导通的功能,能有效地阻止气缸内混合气回流,因而在中低转速时,装阀发动机燃油消耗率降低非常显著,但转速进一步升高到6000r/min后,发动机反喷现象大幅减少,因而节能效果相应降低。3.2转速为0.1.2由流体动力学和发动机换气损失的基本原理可知,安装单向阀增加了进气损耗,为了分析和评估单向阀对发动机最大动力性能的影响及其程度,也对发动机装阀前后的外特性进行详细试验研究。试验时,通过远程控制面板将节气门全开,并逐步调控发动机转速至9000r/min,待发动机达到热平衡1分钟后发动机节气门全开后,其最大动力性能如图9(a)和(b)所示。其中,原机和装阀发动机功率拟合的5次多项式分别为:y=-0.02359-2.86349×101.03293×10y=-0.01029-1.25188×105.14043×10它们的拟合度R当转速低于6000r/min时,装阀发动机的功率和扭矩与原机基本相同,然而当发动机转速继续升高后,装阀发动机的功率和扭矩均低于原机,且与原机差距随转速升高进一步扩大。这是由于高速时,单向阀在发动机高频率进气过程中引起的泵气损失逐渐增大,从而导致发动机有效功率和扭矩平均分别降低8.87%和8.71%。装阀前后燃油消耗率变化曲线如图9(c)所示,此时油门全开,且发动机动力性能在各转速下达到最大值。当转速低于5500r/min时,装阀发动机燃油消耗率低于原机,平均降低率为2.21%,其中,在转速为4000r/min和5000r/min时,降低率分别为4.15%和2.79%,然而,当转速继续升高后,油耗明显高于原机。这是由于原机在中低转速时反喷致使混合气浓度过高,不能充分燃烧,此时单向阀能阻止进气反喷,但转速升至高速时,发动机反喷现象减少甚至消失,装阀发动机油耗高于原机,增大的油耗能量主要损失于由单向阀引起的泵气损失中。由外特性试验可知,装阀发动机在中低速下,功率和扭矩与原机基本相同,且能使燃油消耗率降低2.79%～4.15%,高速时,功率和扭矩分别平均下降了8.87%和8.71%,此时,安装单向阀给发动机带来了一些泵气损失。当然,外特性试验主要是检验发动机在节气门全开时所能达到最大动力性能,这也是厂商对发动机铭牌上性能标注的依据,然而人们日常驾驶时很少会将油门踩到底,并使发动机长时间运行于全负荷工况。4载荷特性试验研究对单向阀进行了动力学分析和台架性能试验研究,综合分析和评估了单向阀的固有振动特性及其对发动机燃油经济性和动力性的影响,得到了以下研究结论:(1)通过模态和谐响应仿真分析了簧片振动特性和位移响应,为簧片以及适应其启闭运动的限位板的匹配设计提供了科学的依据,也避免了簧片在气流载荷下发生共振。(2)不同转速和扭矩下的负荷特性试验表明所设计的单向阀在中低转速下能有效阻止发动机反喷,平均节