【《液压气门机构原理与试验台架综述》4700字】

液压气门机构原理与试验台架综述目录TOC\o"1-3"\h\u14991液压气门机构原理与试验台架综述 1213431.1液压气门机构的基本结构 199161.2液压气门机构的工作原理 3209101.1.1转阀泄油原理 398341.1.2气门早关原理 465061.1.3气门开启次数转换原理 5222681.3试验样机及倒拖试验台架 6235531.4气门升程实测结果 9203361.5小结 11以某六缸柴油机为试验样机，自主研发了一种液压气门机构，该机构依靠凸轮驱动，利用液压油作为中间传动介质，不仅能够对进气门进行控制，实现进气门升程和开启持续期的连续可变，还能够根据实际需求进行进排气门的单次开启和多次开启之间的转换，且转换过程平稳、迅速。本机构的发明拓宽了气门实现多次开启的渠道，对于提高排气温度、实现节能减排等具有重要意义。1.1液压气门机构的基本结构试验样机凸轮轴布置方案为顶置凸轮轴，进气凸轮和排气凸轮分布在同一根凸轮轴上。自主研发的液压气门机构安装在发动机缸盖上部，其总体布置如图2-1所示，主要由凸轮轴、壳体、控制电机和传动齿轮部件组成。其中凸轮轴是液压气门机构的动力源，也是实现气门多次开启的基础部件；壳体是液压气门机构的外部装置，相关零件和油道均安置在壳体上；在壳体外部装有六个控制电机，其中的三个为进气控制电机，三个为排气控制电机；传动齿轮部件用来连接凸轮轴与壳体内部转阀，使转阀阀芯能够与凸轮轴实现同步转动。图2-1液压气门机构总体布局液压气门机构的基本结构如图2-2所示，其中摇臂、液压挺柱和液压活塞等运动部件安装于壳体上；在壳体内部设有油道且装有高压入口单向阀和转阀等部件。液压气门机构按照液压油压力大小可分为高压系统和低压系统，高压系统如图2-2中紫色部分所示，由挺柱油腔、转阀腔、活塞腔以及连接油道组成，主要作用是当挺柱在凸轮驱动下向内运动时，油道内产生高压油，高压油作用到活塞顶部，最终推动气门开启；低压系统如图2-2中蓝色部分所示，与发动机润滑系统相连，主要作用是接收从高压系统内泄出的液压油，并当高压系统液压油减少、油压降低时，对高压系统进行补油。液压气门机构中各零件的作用为：液压挺柱随着凸轮升程的变化作往复直线运动；高压入口单向阀连接高压系统和低压系统，当高压系统压力低于低压系统时单向阀开启；转阀是液压气门机构的核心部件，高压系统的液压油能够通过转阀流入低压系统；液压活塞与气门接触，在液压油压力和气门弹簧力的共同作用下作往复直线运动，同时在液压活塞上设有落座缓冲机构，能够有效降低气门落座速度。图2-2液压气门机构的基本结构1.2液压气门机构的工作原理1.1.1转阀泄油原理液压气门机构的核心是位于壳体内部的转阀，转阀主要由阀芯和阀套组成，阀芯与阀套是精密偶件，基本结构如图2-3所示。其中，阀芯通过传动齿轮部件与凸轮轴同步转动，在阀芯上设置有径向油孔，阀芯内部与低压系统相连；阀套位于阀芯外部，由控制电机控制转动，阀套外部与高压系统相连，在阀套上同样设有径向油孔，且阀套径向油孔与阀芯径向油孔所在轴向安装位置相对应。图2-3转阀基本结构三维图转阀的工作过程如图2-4所示：阀套油孔处于某一位置固定不动，转阀阀芯与凸轮轴同步转动，当阀芯油孔转到图2-4a所示位置时，阀套油孔与阀芯油孔相互错开，高压系统与低压系统不连通，转阀处于关闭状态；随着阀芯转动，当阀芯油孔转到图2-4b所示位置时，阀套油孔与阀芯油孔开始接通，此时转阀处于初始泄油位置，高压系统的液压油开始泄入低压系统；当阀芯油孔继续转动到图2-4c所示位置时，阀套油孔与阀芯油孔错开，高压系统与低压系统不再连通，转阀结束泄油。（a）不泄油（b）开始泄油时刻（c）泄油结束时刻图2-4转阀泄油时刻示意图1.1.2气门早关原理图2-5示出了液压气门机构的气门启闭过程。液压挺柱在配气凸轮的驱动下向内运动，高压系统内的油压升高，液压活塞所受高压油的作用力大于气门弹簧力，从而带动气门开启。当凸轮轴转动到特定角度时，转阀开启，高压系统的液压油迅速流入低压系统，高压系统的油压迅速降低，气门弹簧力大于活塞所受液压压力，气门开始回落。当气门升程回落到2mm以下时，安装在液压活塞顶部的落座缓冲机构会通过减小流通面积的方式减缓气门落座速度，使气门平稳落座。若高压系统的油压低于低压系统，则高压入口单向阀会在压差的作用下开启，使低压系统向高压系统内补油，以保证高压系统的油压能够达到下一次气门开启时所需的压力。图2-5液压气门机构在一个工作循环内的工作过程将转阀从开始泄油时刻到泄油结束时刻所经历的曲轴转角称作转阀泄油持续期，图2-6示出了转阀开始泄油之后的气门升程。在转阀开始泄油之前，气门升程只受凸轮型线影响，按照原设计的升程变化；在转阀开始泄油之后，高压油开始流入低压系统，气门在气门弹簧和惯性的作用下，先上升一小段升程，随后升程逐渐下降直至关闭。通过改变转阀开始泄油的角度，能够实现气门升程和气门开启持续期在一定范围内的连续变化，即实现米勒循环。图2-6转阀开始泄油后的气门升程1.1.3气门开启次数转换原理若要实现气门升程的两次甚至多次开启，需要首先在配气凸轮上设置相应的凸起，然后在阀套上设置相对应的油孔，通过更改开始泄油的时刻，就能够实现气门单次开启与多次开启之间的转换。图2-7示出了进气门二次开启时的泄油持续期与气门升程，气门处于两次开启模式下，转阀泄油持续期不影响气门开启。当主凸起驱动液压挺柱做往复直线运动时，转阀处于关闭状态，气门正常开启；当二次开启凸起驱动液压挺柱做往复直线运动时，转阀也处于关闭状态，气门也正常开启，这样就实现了气门在同一工作循环内的二次开启。图2-7气门二次开启时的气门升程和泄油持续期转动阀套进而调整转阀泄油时刻，使二次开启凸起的上升段处于泄油持续期内，如图2-8所示。当二次开启凸起驱动液压挺柱作往复直线运动时，转阀处于开启状态，高压系统内的液压油流入低压系统，活塞无法克服弹簧力使气门开启，因此图中只有液压挺柱升程而气门升程为零；当主凸起驱动液压挺柱做往复直线运动时，转阀处于关闭状态，气门正常启闭。这样，通过调整转阀泄油时刻就完成了气门单次开启与多次开启之间的转换。图2-8气门单次开启时的气门升程和泄油持续期1.3试验样机及倒拖试验台架在液压气门机构设计及加工完毕后，将其安装到发动机试验台架上进行各种性能测试是必不可少的。依据某六缸柴油发动机开发的液压气门机构，需要在发动机台架上进行各种实验，才能够了解到它的实际工作状态，并从中发现和解决可能存在的问题。因此，试验人员对装有液压气门机构的六缸柴油机缸盖搭建了倒拖试验台架，测量了不同转速和不同电机转角下的进气门升程并对所测数据进行整理和分析，通过实验来验证试验样机安装液压气门机构后是否能够实现进气门升程、开启持续期和配气相位的连续可变。试验样机为某机型六缸柴油机，具体发动机参数如表2-1所示。由于该发动机的凸轮轴布置形式是单顶置凸轮轴，同时为了减小倒拖电机的负载以及方便气门升程的测量，所以采用电机倒拖凸轮轴的方案进行台架试验，倒拖试验台架结构示意图如图2-9所示。表2-1试验样机主要参数参数名称/单位指标凸轮轴布置形式单顶置式进气形式增压中冷气缸形式直列六缸额定转速/rpm1900每缸气门数双进气门+双排气门图2-9发动机缸盖倒拖试验台架示意图该倒拖台架的主要组成包括：安装有液压气门机构的发动机气缸盖、变频器、变频电机、起停控制模块、液压泵站、齿圈信号传感器和激光位移传感器等，各主要试验仪器参数如表2-2所示。倒拖台架各仪器设备的作用为：通过启停控制模块来启动变频器、驱动电机和液压泵站；通过调节变频器来改变驱动电机的转速，驱动电机通过齿轮箱带动凸轮轴转动；液压泵站代替原机的润滑系统，向缸盖润滑系统和液压气门机构的低压系统提供压力在0至0.5MPa左右的液压油；在气门正下方安装两个激光位传感器，能够同时测量进气门和排气门的升程；齿圈信号传感器安装在齿轮箱附近，通过测量凸轮轴端部齿轮的转角信号能够得到相对应的曲轴转角；凸轮轴的转角信号和气门升程被数据采集卡采集，用以处理分析气门的运动规律。表2-2试验主要仪器设备序号仪器名称型号生产厂家1变频电机YE2160L-8荣成市恒力电机公司2变频器VFD25AMS43AFSAA台达集团3激光位移传感器ILD2300-50德国米依公司4齿圈信号传感器SCHA-250BM-G50L威海三丰电子5高速采集卡MP426北京双诺测控技术图2-10为液压气门机构实物图，图2-11为电机控制软件操作界面。电机控制软件能够同时对六个直流电机进行控制，其中电机1、电机3和电机5是进气门控制电机，电机2、电机4和电机6是排气门控制电机。通过电机控制软件能够控制电机端部齿轮旋转，从而能改变进气和排气转阀的泄油时刻，最终实现进气门早关和气门开启次数的转换。由于电机齿轮在运行过程中持续受力，使图2-11中的实际脉冲数始终略小于目标脉冲数。图2-10液压气门机构实物图图2-11电机控制软件操作界面1.4气门升程实测结果液压气门机构使用液压油作为中间传动介质，改变了传统的凸轮到气门之间的传动方式，检验发动机安装了液压气门机构之后能否正常运行的最有效方法就是对气门升程进行测量。为了检查液压气门机构是否运行平稳，试验测取了转速1200r/min下进气门全开时（此时进气门升程和开启持续期最大）连续40个工作循环的进气门升程，如图2-12所示。图2-12转速1200r/min时实测多循环进气门升程瀑布图从实测多循环进气门升程瀑布图中可以看出，当发动机转速为1200r/min时，40个循环的进气门升程曲线差别不大，形状基本保持一致。为了进一步分析各循环的波动情况，计算了各循环的进气门角面值和角面值循环波动率，其中角面值是表征在气门开启持续期内气体流通能力的参数，其值等于气门流通面积对曲轴转角的积分。角面值循环波动率的计算公式为：（2-1）式中，为角面值的标准差，为角面值的平均值。经过计算，40个循环的角面值平均值为1444.9(cm2·°CA)，标准差为1.4(cm2·°CA)，循环波动率仅为0.17%；40个循环中的最大角面值为1449.9(cm2·°CA)，最小角面值为1440.6(cm2·°CA)，最大波动率仅为0.35%。图2-13为多循环进气门角面值的分布图，由图可以看出所测取的40个循环的角面值接近于正态分布，且数值大小均在之内。由此可见，试验样机安装了液压气门机构之后进气门升程的循环波动较小，气门各循环运行平稳，运行状况较好。图2-13转速1200r/min时多循环进气门角面值正态分布图液压气门机构的主要功能之一是实现对进气门早关升程的连续控制，因此对发动机1200r/min时不同转阀泄油相位角下的进气门升程进行了测量，泄油相位角通过控制电机带动阀套转动来实现，实测气门升程曲线如图2-14所示。图2-14发动机转速1200r/min时实测气门升程曲线从图2-14中可以看出，通过调整进气泄油相位角，能够实现进气门最大升程、进气迟闭角以及开启持续期的连续变化。当泄油开始角度在15°CABTDC（BeforeTopDeathCenter）时，能够使进气门完全关闭，气门升程为零；当泄油开始角度在180°CAATDC（AfterTopDeathCenter）时，进气门达到了原机最大的气门升程和开启持续期，保证发动机可以进行正常工作。由于本次试验所用凸轮轴为利用原机气门升程匹配加工的凸轮轴，进排气门仅开启一次，因此未进行气门开启次数转换实验；此外，由于在排气转阀上未设置泄油孔，排气门升程不可变，因此在图中仅显示了一条排气门升程曲线。从图中还能够看出，气门落座平稳，无反跳现象，表明液压气门的落座缓冲机构工作正常。1.5小结本章介绍了针对某六缸柴油机设计的液压气门机构的总体布局、基本结构和工作原理，试验样机和倒拖试验台架，以及气门升程的实测结果。主要包括以下内容：（1）介绍了液压气门机构的