用于复杂油雾环境的发动机气门运动规律测量装置及方法与流程

本发明属于发动机测试技术领域，更具体地，涉及用于复杂油雾环境的发动机气门运动规律测量装置及方法。

背景技术：

配气机构是发动机两大运动机构之一，它根据发动机的工作循环规律，定时开启或关闭气门，使新鲜空气进入气缸，废气从气缸内排出，形成工质的合理循环。同时在发动机压缩过程和做功过程保证燃烧室的密封，形成较强的做功能力。气门运行状态的好坏直接影响着发动机的换气过程，进而影响了发动机燃烧性能和排放水平的好坏，在发动机中起到至关重要的作用。所以，进行发动机实机运行状态下的气门运动规律测量，对优化发动机配气机构设计、评估发动机配气机构运行状态、保证发动机的可靠运行等方面都有着重要的指导意义。

气门运动规律的测量，主要包含气门升程的测量。目前气门升程的测量大致分有四类：一是主要用于发动机装配后，进行气门装配是否符合要求的静态测量。这类测量目前广泛应用在各个汽车公司或者发动机公司的装配监测中，相应的专利也最多，如cn201020700356.3，cn201110424884.x，cn201210060271.7，cn201520101336.7，cn201611100436.3等。这类测量往往通过盘车的形式来实现发动机的旋转，旋转速度很低，其气门运动规律跟发动机实机运行状态下的气门运动的运动学和动力学规律完全不同，不存在发动机实机运行状态下的气门加速和减速运动，故而无法获得气门飞脱和反跳等不正常运动特征。因此，此类测量方法仅可用于监测发动机装配后气门升程是否符合设计情况。二是用于气道实验台的气门升程测量，这类气门升程测量方法相对更简单，仅用于测量不同气门升程状态下的气门升程量，不涉及到气门运动规律的测量。由于方法相对简单，此类研究和专利都相对较少。三是气门运动模拟实验台及模拟实验台上的气门运动规律测量。这类测量能够较好地测量模拟实验台上的气门运动规律，但由于气门运动模拟实验台中，无法模拟气门推杆等的热胀冷缩情况，并且也没有发动机的振动影响，因此，测量的气门运动规律相对较理想，与发动机实机运行状态下的气门运动规律还有所不同。此类测量的专利也有很多，如cn201220152112.5，cn201310188820.3，cn201610724010.9等。四是发动机实时运行状态下气门运动规律的在线测量。这类测量是在发动机实际运行工况下测量的，包含了不同发动机工况下的气门及推杆热胀冷缩的影响，以及发动机振动的影响，其测量获得气门运动学规律和动力学规律就更真实，根据这些规律分析的气门飞脱，气门反跳，气门磨损，气门撞击和受力情况就更真实，更能指导发动机配气机构的设计。由于此类测量更趋发动机实际，相应的测量方法开始慢慢普及起来，相应的专利有cn201110418961.0，cn201320042644.8，cn201320045694.1等。

上述四类测量方法，各有优缺点，适合不同用途。在发动机装配检测中，简单的千分表等方式测量各个转角下的气门升程，得到发动机的气门升程曲线，该方法简便快捷，能加快发动机装配速度，适用于装配线上的批量检测。但该方法无法实现发动机实机运行状态下的气门运动规律的测量，对发动机实机运行状态的检测和监控的意义不大，也无法指导发动机配气机构的设计和优化。气门运动模拟实验台往往采用电机带动配气机构运动，以模拟气门的运动规律。气门运动模拟实验台是一种简化版的发动机配气机构，模拟试验台中测量空间更大，同时可以去除一些复杂环境，故而测量难度相对较小。此类测量对气门的设计已经具有指导意义，可以指导防止气门飞脱和气门反跳的配气机构设计，但由于无法准确模拟配气机构受热膨胀情况和发动机震动对配气机构的受力影响，因此还存在一定的不足，对配气机构的受力和磨损分析的指导意义相对不够。

在实机测量中，具体的测量方法也有多种，如采用差动变压式位移传感器之类的杆式位移传感器测量气门升程；采用电子测微计来测量气门升程；采用高速摄像记录气门运动过程，使用图像处理的方法来获得气门运动规律；使用激光位移传感器等方法。其中，杆式位移传感器测量杆允许的移动速度有限，不能测高转速下的气门升程，并且这些传感器需要跟气门固定在一起，这就大大增大了气门运动件的质量，改变了气门运动的惯性规律，从而改变了气门的原有运动特性。激光位移测量和高速摄像测量则为非接触性测量，不会改变气门运动的原有特性，对研究气门运动规律更有裨益，而高速摄影测量需对采集的图片进行数据处理才能得到气门运动规律，过程较为繁琐，不如激光位移传感器测量简单方便。发动机实机运行过程中，发动机气缸盖罩内，尤其是气门附近存在大量的润滑油，以进行配气机构运动副的润滑，这些润滑油往往以油滴或者油雾的形式存在于气门附近。采用激光位移传感器测量，是通过激光的传播来测量位移，而大量的油滴及油雾，会使光束产生折射和散射，从而影响了测量精度。

综上，针对复杂油雾测量环境，目前的气门运动规律测量装置难以适用，本领域亟需进行研究设计以获得满足复杂油雾测量环境的气门运动规律测量装置。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于复杂油雾环境的发动机气门运动规律测量装置及方法，目的在于解决现有测量装置不适用于在复杂油雾环境下实现精确测量的问题，本发明通过设置隔油结构，使得测量装置适用于在复杂油雾环境下实现发动机实机运行状态时的气门升程规律或运动规律的实时精确测量，具有结构简单，测量精确等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种适用于复杂油雾环境的发动机气门运动规律测量装置，其包括激光位移传感器、固定座、激光光路隔油罩、气门夹块及动态信号采集分析系统，其中，所述激光位移传感器安装在固定座上，用于发射激光以垂直射在气门夹块的测量面上，激光在气门夹块的测量面上发生散射后重新由激光位移传感器接收，接收后的激光信号转化为电信号传输至动态信号采集分析系统中；所述激光光路隔油罩罩在激光位移传感器外部，防止润滑油飞溅到激光光路上，并将飞溅到隔油罩上的润滑油引流到指定区域；所述气门夹块设于激光位移传感器激光发射头的下方，其中部开设有气门杆固定孔，用于将气门夹块安装在气门杆上，其一端设置有位于激光位移传感器正下方的测量面，所述气门杆固定孔与测量面之间还设置有隔油板和卸油槽；所述动态信号采集分析系统与激光位移传感器相连，用于接收激光位移传感器传输的电信号。

作为进一步优选的，所述激光光路隔油罩上开设有用于将激光光路隔油罩安装在激光位移传感器外部的安装孔，其顶面开设有用于避让激光位移传感器数据输出线缆的u型孔，其正面下端设置有斜度，以使飞溅到隔油罩正面的润滑油向下流走，底部设置有带斜度的导油槽，以使从隔油罩流到导油槽上的润滑油向较低侧流走，流向设定区域。

作为进一步优选的，所述气门夹块上开设有与气门杆固定孔连通的缝隙，还开设有轴线与气门杆固定孔轴线垂直的螺栓固定孔，以此在气门夹块安装在气门杆上后通过拧紧穿过螺栓固定孔的螺栓使缝隙闭合，以使气门夹块发生变形，进而将气门夹块稳定可靠的固定在气门杆上。

作为进一步优选的，所述缝隙的宽度为3-6mm。

作为进一步优选的，所述测量面的四周设有卸油倒角，用于使飞溅到测量面上的润滑油快速流走。

作为进一步优选的，所述测量面和气门杆固定孔之间开设有隔油板，该隔油板阻隔因气门摇臂(或阀桥)撞击气门而溅向测量光路和测量面的润滑油。

作为进一步优选的，所述卸油槽开设在测量面和隔油板之间，该卸油槽与隔油板、卸油倒角共同减少测量面上的油膜堆积。

作为进一步优选的，所述固定座的四周开设有用于将固定座固定在发动机气缸盖上的固定座安装孔，侧面开设有用于安装激光位移传感器的传感器安装孔。

按照本发明的另一个方面，提出了一种适用于复杂油雾环境的发动机气门运动规律测量方法，其包括如下步骤：

1)将气门夹块安装在气门杆上后装上螺栓螺母，拧紧螺栓使缝隙闭合，以将气门夹块固定在气门杆上；

2)将固定座安装在发动机上，在激光位移传感器外部罩上激光光路隔油罩，然后将激光位移传感器安装到固定座相应位置，以使激光位移传感器发射的激光垂直射在气门夹块的测量面上；

3)启动发动机、激光位移传感器、动态信号采集分析系统以及与动态信号采集分析系统相连的计算机，当发动机工况稳定后开始采集激光位移传感器的输出信号，采集预设时间后停止采集并保存数据，计算机根据采集的数据得到发动机气门运动规律测量。

作为进一步优选的，还包括如下步骤：4)改变发动机工况，采集不同工况下对应的激光位移传感器的输出信号，实现不同工况下发动机气门运动规律的测量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的测量装置设置有隔油结构，在测量过程中，激光位移传感器外部的激光光路隔油罩可以防止润滑油飞溅到激光光路上，避免了较大直径的润滑油液滴对光路的折射作用，提高了激光测量的精度；同时，激光光路隔油罩上设置有斜度与导油槽，可使飞溅到隔油罩上的润滑油快速流走，从而减少了测量区域中的润滑油雾，提高了激光测量的灵敏度；这些措施提高激光位移传感器在发动机实机运行状态下测量气门升程规律或气门运动规律的测量精度，为复杂油雾环境下的发动机气门运动规律的高精度在线测量提供了基础。

2.本发明用作激光位移测量面的气门夹块中设计有隔油板、卸油槽，这些隔油卸油结构可以大幅减少流向测量面的润滑油质量，同时，气门夹块上用作激光位移测量的测量面上设计有卸油倒角，该结构可以快速卸油，以减少测量面上润滑油的堆集，防止了因润滑油堆集厚度而引起的气门升程规律的测量数值。

3.本发明通过设置缝隙结构，可将气门夹块稳定可靠的安装在气门杆上，保证测量的稳定性、可靠性及测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的适用于复杂油雾环境的发动机气门运动规律测量装置的主剖视图；

图2是本发明实施例提供的适用于复杂油雾环境的发动机气门运动规律测量装置的侧剖视图；

图3是本发明的固定座的俯视图；

图4是本发明的固定座的主视图；

图5是激光位移传感器的工作原理图；

图6是本发明的激光光路隔油罩的结构图

图7是本发明的气门夹块的俯视图；

图8是本发明的气门夹块的主视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-2所示，本发明实施例提供的一种适用于复杂油雾环境的发动机气门运动规律测量装置，其包括激光位移传感器2、固定座1、激光光路隔油罩3、气门夹块4及动态信号采集分析系统6，其中，激光位移传感器2安装在固定座1上，该激光位移传感器2用于发射激光以垂直射在气门夹块4的测量面上，激光在气门夹块的测量面上发生散射后重新由激光位移传感器2接收，接收后的激光信号转化为电信号传输至动态信号采集分析系统6中；激光光路隔油罩3罩在激光位移传感器2外部，防止润滑油飞溅到激光光路上；气门夹块4安装在气门杆5上，并设于激光位移传感器2的下方，动态信号采集分析系统6与激光位移传感器2相连，用于接收激光位移传感器传输的电信号。

如图3-4所示，固定座1底部四周开设有用于将固定座稳定牢靠地固定在发动机气缸盖上的固定座安装孔1-1，传感器安装孔的侧面作为安装平面，其上开设有用于将激光位移传感器2稳定牢靠的固定在固定座上的传感器安装孔1-2，利用安装平面和传感器安装孔安装激光位移传感器2，保证激光位移传感器发出的激光能垂直投射到气门夹块的测量平面上。具体的，固定座为发动机气缸盖罩，或者发动机气缸盖罩替代结构，固定座安装在发动机气缸盖上方。

图5为激光位移传感器的工作原理图，该激光位移传感器2采用现有技术中的常规激光位移传感器即可，其基本原理是激光由激光二极管发出，在气门夹块的测量面上发生散射，散射后的激光重新被激光位移传感器接收，然后转化为电信号。

如图6所示，激光光路隔油罩3安装在激光位移传感器上，防止润滑油飞溅到激光光路上，从而影响测量精度，激光光路隔油罩不应该干扰激光光路，在不对其他设备产生干涉的情况下尽可能多的将光路保护起来，为了使飞溅到激光光路隔油罩上的润滑油尽快流出，防止产生润滑油雾，隔油罩上加工有导油结构，将润滑油引导流到不影响激光测量的位置。具体的，激光光路隔油罩3的侧面开设有用于将激光光路隔油罩3安装在激光位移传感器上的安装孔3-1，其顶面开设有用于避让激光位移传感器数据输出线缆的u型孔3-2，安装孔3-1和u型孔3-2采用兼容性设计，满足激光位移传感器的安装需求，保证激光位移传感器能以合适的安装方式测量进排气门升程，激光光路隔油罩的下端倾斜设置，以使飞溅到隔油罩上的润滑油快速向下流走，底部设置有一圈导油槽3-3，导油槽3-3的两端倾斜设置，以使从隔油罩流到导油槽上的润滑油能迅速向两侧流走。

除了激光光路隔油罩外，根据发动机的实际构造，对润滑油流量较大的出油孔做隔油和疏导处理，避免在高速工况下润滑油喷出与其他部件碰撞形成飞溅的润滑油滴，影响激光位移传感器的测量。

如图7-8所示，气门夹块4的中部开设有气门杆固定孔4-1，用于将气门夹块4安装在气门杆5上，气门夹块4的一端(例如右端)设置有位于激光位移传感器2正下方的测量面4-2，用于投射激光测量气门升程，气门杆固定孔4-1与测量面4-2之间设置有隔油板4-3，隔油板4-3与测量面4-2之间的区域设置有卸油槽，隔油板4-3用于隔离因气门摇臂(或阀桥)撞击气门杆而溅向测量光路和测量平面的润滑油。

测量面和气门杆固定孔侧之间由一隔油板和卸油槽分隔开，防止润滑气门顶部的润滑油由气门杆固定孔侧飞溅到测量面上，其中，测量面四周和卸油槽两侧都加工有倒角，能使少量飞溅到测量面的润滑油快速从卸油槽中流出，减少润滑油堆集对激光测量的影响，从而提高了测量精度。为了保证气门夹块4与气门杆5的可靠连接，气门夹块4上还开设有一条宽3-6mm的缝隙4-4以及气螺栓固定孔4-5，缝隙4-4位于气门夹块4的另一端(例如左端)，该缝隙4-4与气门杆固定孔4-1连通，并且缝隙4-4的开设方向与气门杆固定孔4-1的开设方向相同，螺栓固定孔4-5的轴线与气门杆固定孔4-1的轴线垂直，该螺栓固定孔4-5为在缝隙两侧加工的一贯穿气门夹块的通孔，该通孔用于安装螺栓，以此将气门夹块安装在气门杆上后装上螺栓和螺母，通过拧紧穿过螺栓固定孔4-5的螺栓使缝隙4-4闭合，缝隙闭合使气门杆固定孔4-1产生变形，变形力将气门杆固定孔和气门杆紧紧贴在一起，以将气门夹块牢固地安装到气门杆上。

具体的，动态信号采集分析系统6用于接收激光位移传感器传输的电信号，获得所需的数据并进行数据处理，其不是本发明的重点，采用现有的信号采集分析系统即可，即现有的信号采集分析系统均适用于本发明。为满足气门高速运动规律信号的采集要求，动态信号采集分析系统至少能满足20khz的采样频率，为滤除输出信号中包含的高频振动部分，动态信号采集分析系统应能进行低通滤波操作，为从气门升程信号求取气门速度和气门加速度信号，动态信号采集分析系统应能进行微分操作。此外，动态信号采集分析系统还应具有信号显示、数据保存输出等功能。

本发明的发动机气门运动规律测量装置的具体测量步骤如下：

1)将气门夹块4安装在气门杆5上后装上螺栓螺母，拧紧螺栓使缝隙闭合，将气门夹块4稳定牢靠地固定到气门杆5上；

2)将固定座1放到发动机(例如单缸四冲程柴油机)相应位置上，用螺栓通过固定座安装孔将固定座1稳定牢靠地固定到发动机上，在激光位移传感器2外部罩上激光光路隔油罩3，然后将激光位移传感器2安装到固定座1上，将激光位移传感器2连接到动态信号采集分析系统上并通电，调节激光位移传感器2位置，使激光垂直射到气门夹块4的测量面上，并固定激光位移传感器；

3)启动动态信号采集分析系统及与动态信号采集分析系统相连的电脑，设置各项参数，例如激光位移传感器输出电压信号和位移的转换关系，加入低通滤波模块去除信号的高频振动，加入一阶积分模块求取气门速度信号，加入二阶积分模块求取气门加速度信号；

4)检查发动机实验台架，保证各部分安装牢靠、工作正常、无物理干涉，做开机实验前的准备工作；

5)设定发动机工况，启动发动机，当发动机工况稳定后开始采集激光位移传感器输出信号，根据需求采集一段时间后停止采集并保存数据，数据采集过程中时刻注意测量数据，如果有不寻常数据产生，因立刻停止实验，寻找原因，并予以解决。

6)根据需求改变实验工况，获取不同工况下的气门升程信号，实验结束后关闭发动机，检查工装和传感器状态并进行维护。

总之，发动机实机运行状态下气门运动规律的测量，对配气机构的设计具有重要的指导价值。但发动机实机运行状态下，气缸盖罩内含有大量的润滑油油滴和油雾，这些油滴和油雾对采用光学方法进行气门升程规律或气门运动规律在线测量的测量精度有着较大影响。本发明的测量装置为激光测量光路配备了隔油和卸油装置，测量过程中，激光光路隔油罩可以防止润滑油飞溅到激光光路上，用作激光位移测量面的气门夹块中设计有斜槽，该结构可以快速泄油，以防止测量面上积油，这些隔油泄油结构都可以大幅提高激光位移传感器测量气门升程规律或气门运动规律的测量精度，为复杂油雾环境下的发动机气门运动规律的高精度在线测量提供了基础，可实现复杂油雾环境下发动机气门升程规律或运动规律的实机测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。