气缸盖表面振动对发动机气门冲击特性的影响研究

徐罕 张刚 贾广成

摘要：对发动机气门容易发生故障的主要原因进行了分析，从研究气门冲击气缸盖的振动响应特性和传递特性出发，简述利用气缸盖表面振动信号检测和诊断发动机排气门故障的途径。气缸盖表面振动是发动机缸内各种激励力冲击的综合响应，建立了气缸盖振动系统的多输入单输出线性模型，通过傅氏变换得出了激励的传递函数，说明利用气缸盖表面振动信息来检测缸内的工作情况是可以实现的。

关键词：气缸盖;振动;发动机气门;冲击特性

在发动机不断开启和关闭的工作过程中，排气门承受着高温和高速冲击的双重负荷作用，使得排气门是发动机最容易发生故障的零部件之一，容易因为烧蚀而出现漏气现象，导致排气温度提高、功率下降。因此，对发动机气门早期故障诊断技术的研究，是一项有意义的课题。近几十年来，很多人研究了利用性能参数检测发动机排气门故障的方法。从文献报道来看，利用温度、压力等参数检测发动机故障费用高，传感器安装复杂，也不易实现早期轻微程度的故障检测。

一、发动机气门容易发生故障的原因分析

发动机配气机构中的气门，分为进气门和排气门，用来封闭进排气道，由于气门工作时承受的温度很高，进气门达300～400℃，排气门高达780～980℃，且散热润滑困难，同时，由于现代高速发动机转速很高，以上海桑塔纳2000型轿车的AJR电控发动机为例，最大输出功率时的转速为5200r/min，根据四冲程发动机的工作原理，发动机配气机构的进排气门需要每分钟各开启关闭一次，即每分钟开启关闭2600次，而进排气门作的是直线往复运动，因此，气门受到的冲击力很大，这就要求气门材料必须在较轻的重量下有足够的强度、刚度和导热能力，能耐高温和耐磨损。

二、气缸盖系统激励源的分析和简化

气缸盖结构是一个复杂的机械系统，其内部有无规则形状的冷却水套，并在垂直和横向分别与气缸体和进排气管相连。气缸盖系统受到如下激励力作用：

（1）燃烧室气体压力;（2）气门落座冲击力;（3）活塞不平衡往复惯性力和其它不平衡力矩;（4）各種随机激励。

同时，气缸内高温气流引起的冲击热应力，活塞横向运动敲击缸套也会影响气缸盖的振动。整个气缸盖的振动主要由气缸盖本身的局部弯曲、扭转振动与其整体的垂直振动叠加而成。尤其是气缸盖的边界条件，系统结构阻尼等因素的影响很复杂，在理论上用积分方程描述及求解是非常困难的，简单而有效的方法是用实验分析方法。为了使问题简化又不失其主要特性，简化得到的结果与实际情况相符或在允许的误差范围内，首先对所研究的系统作以下假设：

1、气缸盖系统是一个线性且时不变的系统;

2、各个激励之间是线性无关的

在假设成立的基础上，建立了气缸盖系统的多输入单输出模型（图1所示）。

图1是表征气缸盖系统动态特性的多输入单输出线性系统模型，由于个激励之间是不相关的，气缸盖表面输出相应Y可写成：

从发动机的工作特性分析可知，缸内气体燃烧压力、气门开启及关闭时间各相差一百八十多度曲轴角，所以各激励力在时间与上是分离的。对于往复惯性力和回转惯性力矩，由于传递路径不同，故也可以与其它激励力分离开。因此，图1中的[XG]、 [Xv]、[XI]和y（t）可以通过实验得到，并因此进一步计算可得到[HG] 、[H] 和[HI]。

三、结论

（一）气缸盖表面振动是发动机缸内各种激励力冲击的综合响应。不仅反映了气门落座、气缸内爆压冲击产生的缸盖弯曲、扭转振动，而且说明不平衡惯性力和发动机上各种随机激励对气缸盖的振动均有较大的影响。

（二）气缸盖上的响应是由一系列瞬态响应叠加而成，每个激励力所引起的响应的频率特性是不同的。气门落座响应和漏气的能量主要在高频，缸内爆压和排气门开启的响应主要峰值在低频。

（三）通过测试方法可以分离各激励力并得到这些激励力各自的传递函数，这就是说利用气缸盖表面振动信息来检测缸内的工作情况是可以实现的。无疑，这种方法对于利用声振信号诊断气门故障是很有意义的。

参考文献：

[1] 胡玲凤.工况对发动机排气门失效的影响.[J]农机化研究.2005.9：253-254.

[2] 肖云魁.汽车故障诊断学.[M]北京：北京理工大学出版社，2006.

[3] 梁红波.基于气缸振动信号的发动机故障诊断研究.[D]内蒙古：内蒙古工业大学，2010.

作者简介：

徐罕，男，辽宁省营口市，研究生，营口职业技术学院，教授研究员级高级工程师，机械、电子及汽车教学与科研 。

张刚，男，1971.11 辽宁省营口市，研究生，营口职业技术学院  高级工程师，机械、电子及汽车教学与科研。

贾广成，男，辽宁省营口市人力资源和就业事务中心。