CN106918523A - 一种双排气门‑气门座圈磨损试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双排气门‑气门座圈磨损试验装置及方法，它解决了现有技术中试验装置复杂，且与排气门实际工况不符的问题，具有结构简单、便于拆卸，绿色节能环保的优势，其方案如下：一种双排气门‑气门座圈磨损试验装置，设于试验台的缸盖，缸盖内设有双排气门通道，缸盖在排气门通道底部设有排气门座圈，排气门顶部设置凸轮动作执行机构以带动排气门动作；模拟气缸的缸体，缸体通过试验台支撑且缸体顶部与缸盖底部相通，缸体开有进气口，进气口与充气机构连接；加热机构，加热机构设于缸体内表面或外表面，以对缸体及缸体内气体加热并加热到设定的温度，以模拟气缸运行过程，多次试验后，通过肉眼或者扫描电镜观测排气门‑排气门座圈的磨损。

Description

一种双排气门-气门座圈磨损试验装置及方法

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，特别是涉及一种双排气门-气门座圈磨损试验装置及方法。

背景技术

气门—气门座圈作为汽油机、柴油机配气机构的执行元件，是保证柴油机动力性能、经济性能、可靠性和耐久性的重要零件。在柴油机中，排气门—气门座圈在高温、高压环境下工作，工作条件十分恶劣。它们不仅要承受高速频繁的冲击、交变的拉压和热应力的作用，还承受高速燃气的冲刷作用。这就要求进、排气门除了具有高温强度之外，还应该具有耐裂纹性及耐磨损性。现如今，随着柴油机的进一步强化，气门—气门座圈磨损失效问题越来越突出，引起各柴油机厂的高度关注。

若气门—气门座圈磨损，气门下沉，气门间隙消失，气门不能落座，燃气漏出，发动机功率下降，影响使用；同时，漏出的燃气可能导致气门座圈过热，甚至烧蚀。往往配气机构出现问题并改进之后，需要进行整机试验，耗费大量的人力物力，所以目前有尽量减少整机耐久试验，更多利用快速、重复性好的装置的趋势。现代对气门—气门座圈磨损特性评价较为常见的方式为标准滑移装置或撞击-滑移装置，以上试验方法仅仅考虑了材料的耐磨性，对发动机气门—气门座圈真实工作情况没有加以考虑，现场直接采用燃气燃烧，污染空气重、多次试验，经济成本较高，而且，现有燃油机一个气缸内带有多个进气门、排气门，两个排气门的设置在复杂的工作环境下，存在相互影响，若只对一个排气门-气门座圈进行试验，没有考虑到二者的相互关系，因此，现有试验与实际燃油机工况不符，试验指导意义较低。

因此，需要对一种新的双排气门-气门座圈磨损试验装置进行研究设计。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种双排气门-气门座圈磨损试验装置，该装置针对双排气门，考虑到双排气门之间的相互影响，整个试验装置可拆卸设置，便于对排气门、排气门座圈的拆除与安装，试验装置可重复利用度高，与实际工况相符合度高。

一种双排气门-气门座圈磨损试验装置的具体方案如下：

一种双排气门-气门座圈磨损试验装置，包括：

设于试验台的缸盖，缸盖内设有双排气门通道，排气门通道开有排气口以排出气体，每个排气门通道内设置排气门，缸盖在排气门通道底部设有排气门座圈，排气门顶部设置凸轮动作执行机构以带动排气门动作；

模拟气缸的缸体，缸体通过试验台支撑且缸体顶部与缸盖底部相通，缸体开有进气口，进气口与充气机构连接；

加热机构，加热机构设于缸体内表面或外表面，以对缸体及缸体内气体加热并加热到设定的温度，以模拟气缸运行过程，多次试验后，通过肉眼或者扫描电镜观测排气门-排气门座圈的磨损。通过观测结果对内燃机气门—气门座圈耐磨性做出评价，指导气门—气门座圈的设计，充气机构向缸体内冲入设定的压力以模拟气缸工作时气缸内部的压力，并模拟气缸做功过程中，给于排气门的压力，整个装置可有效实现排气门-气门座圈工作环境的模拟，无需整机试验，可有效节约成本，缩短开发周期。

具体地，气门—气门座圈磨损分为粘着磨损、磨粒磨损和塑性变形磨损三种，对应不同的磨损形式。将试验后的气门—气门座圈用肉眼进行外观观察，并利用扫描电镜等观察其组织晶相，判断气门-座圈发生磨损的原因，并根据磨损原因对配气机构作出改进。

所述加热机构为电磁加热线圈，电磁加热线圈设于所述缸体的下表面，电磁加热线圈呈多圈环绕在缸体下表面，以实现对缸体的快速加热，电磁加热线圈相对燃气燃烧更加环保、节能。

为了更贴近实际工况中排气门的动作环境，所述凸轮动作执行机构包括设于试验台内部的凸轮，凸轮与旋转机构连接，凸轮与挺柱接触，挺柱设于试验台表面的开口槽中，挺柱内设置推杆，推杆通过摇臂与所述排气门顶部固定，其中，旋转机构为旋转电机如电动机，凸轮运动进而带动挺柱上下运动，推杆倾斜设置，进而带动摇臂在设定角度内旋转，从而使排气门做上下循环动作。

挺柱中部空心设置，所述推杆一端设于挺柱内，另一端固定于摇臂一侧，摇臂另一侧通过气门桥与所述的排气门顶部固定，以实现双排气门的同时动作。

为了与实际工况中排气门-排气门座圈的工作环境保持一致，所述气缸内部在排气门座圈侧部设有排气门座圈冷却腔，排气门座圈冷却腔与冷却通道连接以通入气体或液体对排气门座圈进行冷却；

还包括控制单元，控制单元与所述的凸轮动作执行机构、充气机构和加热机构分别单独连接，以根据排气门的动作控制缸体内气体的压力。

冷却通道的入口通过管路与冷却风机连接，冷却风机与控制单元单独，通过控制单元控制冷却风机的开启或者停止。

进一步地，在冷却通道出口设置座圈冷却腔出口温度传感器，该温度传感器与后续的控制单元连接，控制单元收集到该温度传感器检测到的冷却通道内温度，以控制冷却风机的旋转。

所述缸体还设置压力传感器与温度传感器，压力传感器、温度传感器均与所述的控制单元分别单独连接，通过控制单元对缸体内温度、压力信息的采集，从而控制充气机构与加热机构，并实现在模拟气缸做功过程中燃烧对排气门产生的压力模拟，实现与柴油机工作状况的真实模拟。

为了保证排气门的抬高与降落，所述排气门通道内设置气门弹簧，气门弹簧的一端与气门锁夹固定，另一端与气缸相抵。

为了保证排气门的上升与降落，所述摇臂与所述缸盖表面有设定的距离，摇臂通过支架固定在缸盖表面或者是通过支架与试验台固定，进而设置于缸盖上方。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种改进排气门-排气门座圈设计结构的方法，该方法可有效辅助判断排气门-气门座圈的磨损形式，为排气门-气门座圈的改进给予指导，试验方法具体步骤如下：

1)对设计的结构采用所述的一种双排气门-气门座圈磨损试验装置；

2)试验设定时间后，停止；

3)拆卸排气门和排气门座圈，以对排气门和排气门座圈的磨损形式进行确定，确定后，重新改进排气门或排气门座圈进行再次试验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明装置中通过各个机构的设置，整个装置可用于离线测试气门—气门座圈磨损特性的研究，相较整机耐久试验，节省大量人力物力财力。

2)本装置为实际配气机构的简化模型，各关键部件、气门间隙、气门弹簧预紧力等都结构参数与原发动机一致，且气门落座时缸内状态与实际一致，并且考虑了实际座圈冷却水腔对座圈的影响，双气门之间的相互影响，因此得到结果与真实结果接近，对实际设计制造有一定指导意义。

3)本发明中通过控制单元的设置，可实现控制电磁线圈电流大小、电动机转速、座圈冷却用风扇转速，相较控制燃烧营造气门工作氛围更简单易行；另外，本装置不产生燃烧污染物，绿色环保。

4)本装置可以重复使用，拆卸方便，简单实用，同时测试两组气门—气门座圈，节省时间。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为双排气门—气门座圈磨损试验装置及控制系统整体布置图；

图2为磨损试验装置剖面图；

图3为图2中磨损试验装置中A处的放大图；

图4为座圈冷却示意图；

图5为缸盖底面示意图；

图6为缸体温度控制示意图；

图7为缸体压力控制示意图；

图8为凸轮轴转速控制示意图；

图9为排气门座圈冷却腔出口温度控制示意图；

其中，1.凸轮轴固定装置，2.带凸轮的凸轮轴，3.挺柱，4.试验台，5.冷却风机，6.推杆，7.球头，8.摇臂，9.球头座，10.气门桥，11.排气门，12.气门锁夹和气门转动装置，13.气门弹簧，14.气门导管，15.座圈冷却腔出口温度传感器，16.排气道，17.螺母，18.螺栓，19.电磁加热线圈电源线，20.缸体，21.带电磁阀的充气管，22.压力传感器，23.排气门座圈，24.排气门座圈冷却腔，25.温度传感器，26.充气管电磁阀，27.电磁加热线圈，28.电磁加热线圈电源线固定螺栓，29.排气门座圈冷却气进口，30.缸盖，31.排气门座圈冷却气出口，32.缸盖固定螺栓孔，33.排气门通道。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种双排气门-气门座圈磨损试验装置及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1和图2所示，一种双排气门-气门座圈磨损试验装置，主要包括：凸轮轴固定装置1、带凸轮的凸轮轴2、挺柱3、试验台4、冷却风机5、推杆6、球头7、摇臂8、球头座9、气门桥10、排气门11、气门锁夹和气门转动装置12、气门弹簧13、气门导管14、座圈冷却腔出口温度传感器15、排气道16、缸盖固定用螺母17和螺栓18、电磁加热线圈27、缸体20、带电磁阀的充气管21、压力传感器22、排气门座圈23、排气门座圈冷却腔24、温度传感器25、带孔隙的电磁加热线圈27、缸盖30。

凸轮轴通过试验台4上的凸轮轴固定装置1固定并与电动机相连，试验台4上有保证挺柱3运动方向上的导向孔或者开口槽，推杆6放置在挺柱3的腔内，并与摇臂8通过球头7连接，摇臂8通过摇臂支架固定在缸盖30上，并通过球头7、球头座9与气门桥10连接，气门桥10同时驱动两排气门运动，由气门导管14保证运动方向，排气门11通过气门锁夹和气门旋转机构12与气门弹簧13连接，保证真实情况下的弹簧预紧力，排气门11通过排气门通道33装于缸盖30内，排气门座圈23安装在缸盖30内，静态下，气门弹簧预紧力作用在气门上使排气门11与排气门座圈23压紧。缸盖30通过缸盖固定螺栓孔32安装在试验台4上，试验台4上有与气缸直径相同的孔，缸体20焊接在试验台4上。缸体20上有电磁加热线圈27、温度传感器、压力传感器及带电磁阀的充气管21，充气管与充气风机连接以提供设定压力的气体模拟气缸内压力。

其中，气门转动装置设置在真实发动机配气机构中的，目的是为了让气门旋转，清除气门积碳，本装置保留了这部分装置，旨在考虑气门旋转装置是否能正常工作，若不能正常工作，在实际中会造成气门偏磨，影响使用。

为了保证排气门的上升与降落，摇臂8与缸盖30表面有设定的距离，摇臂通过支架固定在缸盖表面或者是通过支架与试验台固定，进而设置于缸盖上方。

电磁加热线圈27通过固定螺栓固定于缸体下表面，或者，电磁加热线圈27设于缸体内部，距离缸体底部有设定的高度，加热效果更加直接，冷空气从进气口充入，然后经过电热丝往上走加热排气门、排气门座圈，电磁加热线圈27通过金属耐高温支架支撑于缸体内部，或者两侧与缸体内壁固定连接，电磁加热线圈27的电源线通过缸体底部传出，电源线通过电磁加热线圈电源线固定螺栓28固定，缸体内部与实际气缸内形状保持一致，推杆6的上端朝向缸盖30倾斜设置，电磁加热线圈27相邻圈内带有空隙，以便于空气加热后向上传递进而加热缸体、排气门及排气门座圈。

装置还包括控制单元，控制单元与电动机、充气管的电磁阀和电磁加热线圈分别单独连接，以根据排气门的动作控制缸体内气体的压力。所述气缸内部在排气门座圈侧部设有排气门座圈冷却腔24，排气门座圈冷却腔24与冷却通道相通，模拟真实情况冷却水对气门座圈的冷却作用，冷却通道从缸盖一侧进，从另一侧处，中部绕着排气门座圈冷却腔24形成一个环形，冷却通道一侧靠近冷却风机5设置的为排气门座圈冷却气进口29，另一侧为排气门座圈冷却气出口31，在冷却通道出口设置座圈冷却腔出口温度传感器15，该温度传感器与后续的控制单元连接，控制单元收集到该温度传感器检测到的冷却通道内温度，以控制冷却风机的旋转，控制单元为可编程控制器。

试验前，通过控制单元设置柴油机气缸燃烧过程中的气缸压力P、气缸温度T，气门座圈冷却温度TW，凸轮轴转速N等目标控制参数。按照配气机构实际配合状态安装磨损试验装置，并将整个试验及控制回路连接如图1所示；试验时，开启电动机电源，电动机带动凸轮转动，凸轮使挺柱、推杆等从动件动作，最终使排气门不断地开启并落座。在排气门开启至落座的期间，调节充气管电磁阀开度，使气缸内压力为P；调节电磁线圈电流大小，使缸内温度为T；调节座圈冷却风机转速，使冷却腔出口空气温度保持为TW；另外，测试期间，始终保持凸轮轴转速为N。通过设定时间的多次重复试验，拆卸下气门及气门座圈，观察其外观磨损形态，并利用扫描电镜观察其内部晶相变化，由此得出试验用气门—气门座圈磨损形式及磨损原因，进而有真对性地对排气门、排气门座圈进行结构改进。

因排气门落座时的缸内压力、温度对气门磨损有重要影响，因此，本申请中凸轮可拆卸，缸体内温度、压力可调节设置，从而便于对排气门-气门座圈的磨损情况进行研究分析。通过控制单元接收温度、压力传感器信号，判断是否达到实际值，并通过调节充气机构中电磁阀开度、电磁线圈电流来闭环控制各个目标控制参数。当装置气门落座时温度、压力与实际气门工作环境相同时，模拟的气门—气门座圈落座过程与真实落座过程相近，得到的气门—气门座圈磨损结果与真实结果更接近。

控制单元的控制逻辑：

首先，通过发动机整机试验或者用专业软件仿真的方式测得参数：发动机转速N₀、实际气缸压力P_C、排气道压力Pp、实际气缸温度T_C、排气门座圈冷却腔出口水温T_W0；最终得到本测试装置中最终控制状态参数：气缸目标压力P＝P_C-Pp、气缸目标温度T＝TC、凸轮轴转速N＝N₀/2、T_W＝TW₀。

本测试装置中，传感器测得的信号：座圈冷却腔出口温度信号TW’、气缸温度信号T’、气缸压力信号P’、电动机转速信号N’。

控制器对气缸温度T的控制示意图，如图6所示，通过判断气缸温度信号T’是否等于气缸温度T进行动作；

控制器对气缸压力P的控制，如图7所示，通过判断气缸压力信号P’是否等于气缸温压力P进行动作，此外，气缸压力P是一个动态值，尤其是在气缸排气动作过程中，缸体内会对排气门一个较大作用力，此时气缸压力P会上升；

控制器对凸轮轴转速N的控制，如图8所示，通过判断电动机转速信号N’是否等于凸轮轴转速N进行动作；

控制器对排气门座圈冷却腔出口温度TW控制，如图9所示，通过判断座圈冷却腔出口温度信号TW’是否等于座圈冷却腔出口温度信号TW进行动作。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种改进排气门-排气门座圈设计结构的方法，该方法可有效辅助判断排气门-气门座圈的磨损形式，为排气门-气门座圈的改进给予指导，试验方法具体步骤如下：

1)对设计的结构采用所述的一种双排气门-气门座圈磨损试验装置；

2)试验设定时间后，停止；

3)拆卸排气门和排气门座圈，以对排气门和排气门座圈的磨损形式进行确定，确定后，重新改进排气门或排气门座圈进行再次试验。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双排气门-气门座圈磨损试验装置，其特征在于，包括：

设于试验台的缸盖，缸盖内设有双排气门通道，排气门通道开有排气口以排出气体，每个排气门通道内设置排气门，缸盖在排气门通道底部设有排气门座圈，排气门顶部设置凸轮动作执行机构以带动排气门动作；

模拟气缸的缸体，缸体通过试验台支撑且缸体顶部与缸盖底部相通，缸体开有进气口，进气口与充气机构连接；

加热机构，加热机构设于缸体内表面或外表面，以对缸体及缸体内气体加热并加热到设定的温度，以模拟气缸运行过程，多次试验后，通过肉眼或者扫描电镜观测排气门-排气门座圈的磨损。

2.根据权利要求1所述的一种双排气门-气门座圈磨损试验装置，其特征在于，所述加热机构为电磁加热线圈，电磁加热线圈设于所述缸体的下表面。

3.根据权利要求1所述的一种双排气门-气门座圈磨损试验装置，其特征在于，所述凸轮动作执行机构包括设于试验台内部的凸轮，凸轮与旋转机构连接，凸轮与挺柱接触，挺柱设于试验台表面的开口槽中，挺柱内设置推杆，推杆通过摇臂与所述排气门顶部固定。

4.根据权利要求3所述的一种双排气门-气门座圈磨损试验装置，其特征在于，所述推杆一端设于挺柱内，另一端固定于摇臂一侧，摇臂另一侧通过气门桥与所述的排气门顶部固定，以实现双排气门的同时动作。

5.根据权利要求1所述的一种双排气门-气门座圈磨损试验装置，其特征在于，所述气缸内部在排气门座圈侧部设有排气门座圈冷却腔，排气门座圈冷却腔与冷却通道连接以通入气体或液体对排气门座圈进行冷却；

进一步地，在冷却通道出口设置座圈冷却腔出口温度传感器。

6.根据权利要求1所述的一种双排气门-气门座圈磨损试验装置，其特征在于，还包括控制单元，控制单元与所述的凸轮动作执行机构、充气机构和加热机构分别单独连接，以根据排气门的动作控制缸体内气体的压力。

7.根据权利要求6所述的一种双排气门-气门座圈磨损试验装置，其特征在于，所述缸体还设置压力传感器与温度传感器，压力传感器、温度传感器均与所述的控制单元分别单独连接。

8.根据权利要求1所述的一种双排气门-气门座圈磨损试验装置，其特征在于，所述排气门通道内设置气门弹簧，气门弹簧的一端与气门锁夹固定，另一端与气缸相抵。

9.根据权利要求4所述的一种双排气门-气门座圈磨损试验装置，其特征在于，所述摇臂与所述缸盖表面有设定的距离。

10.一种改进排气门-排气门座圈设计结构的方法，其特征在于，步骤如下：

1)对设计的结构采用如权利要求1-9中任一项所述的一种双排气门-气门座圈磨损试验装置；

2)试验设定时间后，停止；

3)拆卸排气门和排气门座圈，以对排气门和排气门座圈的磨损形式进行确定，确定后，重新改进排气门或排气门座圈进行再次试验。