小型汽油機(jī)單徑向通功能彈簧式簧片閥的研究

小型汽油機(jī)單徑向通功能彈簧式簧片閥的研究

節(jié)能減排是車輛維修研究的重點(diǎn)。為了提高燃料效率，許多專家和科學(xué)家在近年來對(duì)汽車燃料的電噴霧技術(shù)和可選氣裝置進(jìn)行了研究和改進(jìn)?？勺兣錃饧夹g(shù)通過改變配氣相位或氣門升程,在高低速下均能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率和燃油經(jīng)濟(jì)性單向閥具有單向?qū)ǖ墓δ?能阻止混合氣回流,因而可解決中低速下反噴造成油耗過高的問題。該閥不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、保養(yǎng)維修方便,而且可直接安裝于化油器和氣缸之間,不需改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),是提高小排量發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的一種相對(duì)可行的方案。為了定量分析和綜合評(píng)估單向閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能的影響,在動(dòng)力學(xué)分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝閥前后的綜合性能進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)研究和驗(yàn)證。1動(dòng)力學(xué)裝置的工作原理所設(shè)計(jì)的單向閥屬于翼狀簧片閥,其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括閥殼、閥芯和墊片。其中,閥芯是單向閥的核心元件,其上的簧片一端由螺栓組固定,另一端為自由端,為防止簧片在啟閉工作過程中過度變形而影響其及時(shí)復(fù)位,采用限位板規(guī)范其自由端的升程和彎曲變形。該閥的工作原理是:當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開始進(jìn)氣時(shí),混合氣快速進(jìn)入閥芯,簧片在前后壓差的作用下迅速開啟,并在合理的時(shí)間范圍內(nèi)平穩(wěn)地保持開啟狀態(tài);當(dāng)進(jìn)氣結(jié)束后,混合氣即將倒流,此時(shí)簧片迅速落座并閉合,從而有效阻止氣缸內(nèi)的混合氣回流。由單向閥的基本工作原理可知,一方面它能阻止汽油機(jī)進(jìn)氣反噴,降低其燃油消耗率;另一方面,理論上它增加了進(jìn)氣系統(tǒng)的泵氣損失,可能導(dǎo)致汽油機(jī)的動(dòng)力性能(功率和扭矩)下降。2軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的彈簧片檢驗(yàn)數(shù)值分析和仿真方法可用于研究單向閥的工作性能,避免產(chǎn)品盲目設(shè)計(jì)和重復(fù)試制所需花費(fèi)的大量成本和時(shí)間。周秀亞等研究的發(fā)動(dòng)機(jī)為單缸四沖程汽油機(jī),當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩周時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)完成一次進(jìn)氣,即簧片僅應(yīng)開啟一次。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1800～9000r/min之間,則曲軸轉(zhuǎn)速范圍為30～150r/s,即合格的簧片對(duì)應(yīng)每秒開啟15～75次。簧片啟閉運(yùn)動(dòng)頻率和振幅對(duì)單向閥的工作性能有著重要的影響,為了避免簧片工作時(shí)在氣流載荷作用下發(fā)生共振而影響單向閥性能,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使簧片的固有頻率避開15～75Hz區(qū)間,為此需對(duì)其進(jìn)行模態(tài)和諧響應(yīng)分析,分析結(jié)果可以為簧片固有振動(dòng)特性和限位板高度設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。2.1應(yīng)力集中和磨損在形狀設(shè)計(jì)時(shí),為避免簧片在高速開啟和落座運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)應(yīng)力集中和磨損,對(duì)葉片四周倒圓角?；善牟牧蠟楹辖痄?設(shè)計(jì)厚度為0.3mm,密度、彈性模量和泊松比分別為7800kg/m2.2彈簧剛度的影響簧片的一端由兩個(gè)螺栓固定于閥座,工作時(shí),進(jìn)氣系統(tǒng)的氣流載荷作用于三個(gè)葉片上。分析前在簧片的兩個(gè)螺栓孔上設(shè)置約束,限制其在空間內(nèi)全部的六個(gè)自由度,如圖3所示,簧片另一端設(shè)置為自由端,在三個(gè)葉片表面A1,A2和A3對(duì)應(yīng)區(qū)域上施加均勻氣體沖擊載荷。通?；善_啟的前后氣流壓差需0.1～0.15個(gè)大氣壓2.3彈簧不發(fā)生共振模態(tài)和諧響應(yīng)分析通過有限元法分別計(jì)算簧片的固有振動(dòng)頻率和位移響應(yīng)。模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示,所設(shè)計(jì)簧片結(jié)構(gòu)的一階固有頻率為198.8Hz,避開了簧片工作時(shí)的啟閉頻率區(qū)間15～75Hz,因而所設(shè)計(jì)的簧片不會(huì)發(fā)生共振。此次有限元計(jì)算值與之前研究的基于Matlab的數(shù)值分析方法獲得的解析值204.4Hz十分接近簧片由三個(gè)葉片組成,其諧響應(yīng)分析結(jié)果如圖5所示,葉片的位移響應(yīng)值隨著氣流載荷頻率的升高而增大,三個(gè)葉片在0～75Hz頻率載荷作用的位移響應(yīng)值分別為4.6mm～5.3mm,5.1mm～5.9mm和4.6mm～5.2mm,其中,中間葉片的位移響應(yīng)值略大于兩側(cè)葉片的響應(yīng)值。為了減小簧片開啟時(shí)的進(jìn)氣流動(dòng)損失,綜合依據(jù)三個(gè)葉片的位移響應(yīng)將限位板的高度設(shè)置為6mm。3綜合試驗(yàn)臺(tái)的搭建有限元?jiǎng)恿W(xué)分析為簧片以及適應(yīng)其啟閉運(yùn)動(dòng)的限位板的匹配設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的依據(jù),為了進(jìn)一步研究不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下所設(shè)計(jì)單向閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能的影響,搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)。如圖6所示,單向閥直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和化油器之間,不需改造發(fā)動(dòng)機(jī),搭建的綜合試驗(yàn)臺(tái)如圖7所示,該試驗(yàn)臺(tái)主要包括單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)、GW100電渦流測(cè)功機(jī)和FC2210智能油耗儀等儀器設(shè)備,其中,測(cè)功機(jī)和油耗儀通過數(shù)據(jù)線與隔壁控制室內(nèi)的FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)相連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)全程的遠(yuǎn)程操控和數(shù)據(jù)采集。同款型號(hào)各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)之間性能可能存在小幅度差異,通常制造商在質(zhì)量管理過程中將發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際性能與名牌標(biāo)示數(shù)據(jù)間的偏差控制在5%以內(nèi),為了避免原機(jī)性能與名牌標(biāo)注數(shù)據(jù)差異以及各發(fā)動(dòng)機(jī)間實(shí)際性能差異對(duì)裝閥發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究的干擾,先后分別對(duì)原機(jī)和裝閥后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),直接對(duì)比和分析發(fā)動(dòng)機(jī)裝閥前后的性能,從而能更科學(xué)合理地評(píng)估單向閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的影響。3.1轉(zhuǎn)速對(duì)燃油消耗率的影響原機(jī)在中低速時(shí)存在嚴(yán)重的進(jìn)氣反噴現(xiàn)象,為了定量分析和評(píng)價(jià)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下所設(shè)計(jì)單向閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油成效,對(duì)多個(gè)轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)研究。試驗(yàn)時(shí),通過遠(yuǎn)程控制室內(nèi)FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的操作面板將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3000r/min,然后以0.95N·m的間距依次從小到大逐步增加發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩,直至發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到高負(fù)荷工況。每次調(diào)控扭矩后,待發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到熱平衡時(shí)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性曲線如圖8所示,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)接近空轉(zhuǎn)(即輸出扭矩Me·0N·m)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力大部分僅用于克服機(jī)械損失,此時(shí)有效輸出功率Pe很小,因而輸出單位指示功所需的燃油消耗量非常大,即燃油消耗率很高。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩增大,機(jī)械效率升高,燃油消耗率迅速下降并達(dá)到較低水平。與原機(jī)相比,裝閥發(fā)動(dòng)機(jī)在3000～6000r/min這四個(gè)轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率均呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢(shì),其中,轉(zhuǎn)速在4000r/min和5000r/min時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率在負(fù)荷特性曲線對(duì)應(yīng)的所有扭矩范圍內(nèi)均有非常顯著的降幅,平均降低率分別為14.54%和6.58%,最高降低率分別達(dá)到22.23%和13.03%;當(dāng)轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí),在中高負(fù)荷區(qū)間內(nèi)(2.27～6.46N·m)裝閥發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)油效果也較明顯,其中,當(dāng)扭矩為3.78N·m時(shí),燃油消耗率降低達(dá)15.04%,整條曲線燃油消耗率平均降低3.52%;轉(zhuǎn)速升高至6000r/min時(shí),在中等負(fù)荷區(qū)間燃油消耗率也有一些降幅,其中,當(dāng)扭矩為3.78N·m時(shí),燃油消耗率降低達(dá)6.65%,但該轉(zhuǎn)速下節(jié)油效果與之前三組相比并不突出。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知,在3000～5000r/min轉(zhuǎn)速下,裝閥發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨扭矩變化的曲線比原機(jī)更平緩,節(jié)油效果非常顯著,大幅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性,轉(zhuǎn)速升高至6000r/min后節(jié)油效果減弱,分析其原因是原機(jī)在中低轉(zhuǎn)速下存在嚴(yán)重的反噴現(xiàn)象,使已經(jīng)進(jìn)入氣缸的部分混合氣回流至進(jìn)氣道,在下個(gè)工作循環(huán)中再次被吸入氣缸內(nèi),由于這部分混合氣多次通過化油器,導(dǎo)致進(jìn)入氣缸內(nèi)的混合氣濃度過高,降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。所設(shè)計(jì)的單向閥具有單向?qū)ǖ墓δ?能有效地阻止氣缸內(nèi)混合氣回流,因而在中低轉(zhuǎn)速時(shí),裝閥發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率降低非常顯著,但轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高到6000r/min后,發(fā)動(dòng)機(jī)反噴現(xiàn)象大幅減少,因而節(jié)能效果相應(yīng)降低。3.2轉(zhuǎn)速為0.1.2由流體動(dòng)力學(xué)和發(fā)動(dòng)機(jī)換氣損失的基本原理可知,安裝單向閥增加了進(jìn)氣損耗,為了分析和評(píng)估單向閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最大動(dòng)力性能的影響及其程度,也對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝閥前后的外特性進(jìn)行詳細(xì)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)時(shí),通過遠(yuǎn)程控制面板將節(jié)氣門全開,并逐步調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至9000r/min,待發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到熱平衡1分鐘后發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門全開后,其最大動(dòng)力性能如圖9(a)和(b)所示。其中,原機(jī)和裝閥發(fā)動(dòng)機(jī)功率擬合的5次多項(xiàng)式分別為:y=-0.02359-2.86349×101.03293×10y=-0.01029-1.25188×105.14043×10它們的擬合度R當(dāng)轉(zhuǎn)速低于6000r/min時(shí),裝閥發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩與原機(jī)基本相同,然而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高后,裝閥發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩均低于原機(jī),且與原機(jī)差距隨轉(zhuǎn)速升高進(jìn)一步擴(kuò)大。這是由于高速時(shí),單向閥在發(fā)動(dòng)機(jī)高頻率進(jìn)氣過程中引起的泵氣損失逐漸增大,從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率和扭矩平均分別降低8.87%和8.71%。裝閥前后燃油消耗率變化曲線如圖9(c)所示,此時(shí)油門全開,且發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能在各轉(zhuǎn)速下達(dá)到最大值。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于5500r/min時(shí),裝閥發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率低于原機(jī),平均降低率為2.21%,其中,在轉(zhuǎn)速為4000r/min和5000r/min時(shí),降低率分別為4.15%和2.79%,然而,當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高后,油耗明顯高于原機(jī)。這是由于原機(jī)在中低轉(zhuǎn)速時(shí)反噴致使混合氣濃度過高,不能充分燃燒,此時(shí)單向閥能阻止進(jìn)氣反噴,但轉(zhuǎn)速升至高速時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)反噴現(xiàn)象減少甚至消失,裝閥發(fā)動(dòng)機(jī)油耗高于原機(jī),增大的油耗能量主要損失于由單向閥引起的泵氣損失中。由外特性試驗(yàn)可知,裝閥發(fā)動(dòng)機(jī)在中低速下,功率和扭矩與原機(jī)基本相同,且能使燃油消耗率降低2.79%～4.15%,高速時(shí),功率和扭矩分別平均下降了8.87%和8.71%,此時(shí),安裝單向閥給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來了一些泵氣損失。當(dāng)然,外特性試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)氣門全開時(shí)所能達(dá)到最大動(dòng)力性能,這也是廠商對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)銘牌上性能標(biāo)注的依據(jù),然而人們?nèi)粘ｑ{駛時(shí)很少會(huì)將油門踩到底,并使發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行于全負(fù)荷工況。4載荷特性試驗(yàn)研究對(duì)單向閥進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析和臺(tái)架性能試驗(yàn)研究,綜合分析和評(píng)估了單向閥的固有振動(dòng)特性及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的影響,得到了以下研究結(jié)論:(1)通過模態(tài)和諧響應(yīng)仿真分析了簧片振動(dòng)特性和位移響應(yīng),為簧片以及適應(yīng)其啟閉運(yùn)動(dòng)的限位板的匹配設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的依據(jù),也避免了簧片在氣流載荷下發(fā)生共振。(2)不同轉(zhuǎn)速和扭矩下的負(fù)荷特性試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的單向閥在中低轉(zhuǎn)速下能有效阻止發(fā)動(dòng)機(jī)反噴,平均節(jié)