知識庫

提升機車引擎性能,從氣閥機構模擬開始
  • 發布年度:2015
  • 主要類別:CAE技術
  • 次要類別:電子報
  • 車輛中心 技術服務處  蔡起源

    四行程引擎產生動力的過程大致分為四個步驟:
    1.活塞下移且進氣閥打開吸入油氣、
    2.活塞上移同時氣閥關閉以壓縮油氣、
    3.點火燃燒油氣並推動活塞下移、
    4.活塞上移同時排氣閥打開以排出廢氣等循環過程(如圖1)。
    過程除活塞、連桿和曲柄軸外,引擎內的氣閥機構也是息息相關,例如,為增進油氣混合與燃燒效率,氣閥機構得在適當時間打開或關閉氣閥以吸入油氣或排出廢氣。

    圖1.活塞機構、頂置凸輪軸氣閥機構運轉圖
    圖片來源:維基百科

    氣閥機構依據配置有不同的機構型式,主要由閥座、氣閥、氣閥彈簧、搖臂、推桿與凸輪組成(如圖2),其細部運作是當凸輪軸轉動至凸緣時,凸緣推動推桿,推桿再轉動搖臂,而搖臂再壓縮氣閥彈簧並帶動氣閥,使氣閥門打開讓油氣吸入或廢氣排出;當凸輪凸緣轉至最高點時,推桿由凸緣回落,被壓縮的氣閥彈簧將氣閥頂回,使氣閥頂端能與搖臂緊密接觸,進而使得搖臂、推桿與凸輪能緊密接觸,最後氣閥門關閉(如圖3),引擎進行壓縮與點火動作,如此循環再配合活塞、連桿與曲軸的運動而完成引擎的運轉。

    圖2.中置式凸輪軸氣閥機構略圖
     
    圖3. 氣閥機構運動過程

    氣門的作動並不複雜,僅是不斷地開與關,然而為達此目的卻不簡單,尤其是在高速運轉時,須完全依賴氣閥彈簧緊緊地使氣閥與搖臂在運轉過程中相互接觸不分離;一旦氣閥與搖臂分離,即表示凸輪無法有效控制氣閥的開與關(如圖4),輕者將導致設定的氣閥正時不正確而使得引擎的效率不佳,嚴重時將導致氣閥與活塞相互撞擊而使引擎損壞。

    圖4. 氣閥飛脫現象

    造成凸輪無法控制氣閥的原因,常常是因為彈簧力不足、彈簧與外力頻率產生共振、彈簧產生疲勞或者是氣閥回座過快產生回彈;這些現象可藉由調整彈簧彈力而改善,但此舉也將導致接觸面磨耗的增加與能量的損失,因此並非萬全之策,另一解決方式為適當的凸輪外型與輕量化的搖臂與氣閥設計,以降低搖臂與氣閥運動加速度與慣量,如此可減少彈簧彈力需求。

    如何能確認所設計的氣閥機構符合要求呢?除了實際試作出測試件執行測試外,運用CAE電腦模擬分析技術,可以在設計階段就依據設計資料,建立電腦數值分析模型,再以機構模擬分析軟體計算出氣閥的運動特性,確保氣閥機構等元件不產生飛脫、顫振現象。

    若需進一步了解相關內容細節,歡迎聯絡車輛中心 工程分析中心蔡起源電話:04-7811222分機3319、e-mail:chiyuan@artc.org.tw
     

© 2016 ARTC All Rights Reserved. Design by Creatop.