内燃机设计--配气机构

第1页共26页目录第1章绪论........................................................21.1汽油机的发展...............................................21.2配气机构发展及现状.........................................31.3原型机的选择...............................................5第2章配气机构的设计..............................................72.1配气机构的总体布置.........................................72.1.1顶置气门凸轮轴的布置.................................72.1.2配气机构传动形式.....................................82.2气门组的结构设计...........................................92.2.1气门的设计...........................................92.2.2气门座的设计........................................122.2.3气门导管的结构设计..................................122.2.4气门弹簧的设计......................................132.3气门传动组的结构设计......................................142.3.1凸轮轴的设计........................................152.3.2挺住设计............................................162.3.3推杆................................................162.3.4摇臂的设计..........................................162.4凸轮设计..................................................172.4.1凸轮设计的任务和要求................................172.4.2凸轮缓冲段设计.......................................182.4.3凸轮工作段设计.......................................192.4.4凸轮型线的确定.......................................23第3章总结.......................................................25参考文献...........................................................26第2页共26页第1章绪论1.1汽油机的发展1886年1月29日，德国人奥姆勒和卡尔.本茨在里诺卧式气压煤气发动机以及四冲程理论的基础上制造出了第一台汽油发动机，使汽车正式进入汽油动力时代。1886年卡尔·本茨制造出世界上第一辆以汽油为动力的三轮汽车。该车装有卧置单缸二冲程汽油发动机,785CC容积,0.89匹马力,每小时行走15公里。1892年，美国人杜里埃发明了化油器后，化油器就成了发动机燃料供给系统的重要部件。随着技术的演进，化油器功能愈加完备，直到上个世纪中后期，化油器已经分为五部分：主供油系统、起动系统、怠速系统、大负荷加浓系统和加速系统。图1-1化油器简图由于化油器存在许多弱点如，在冷车启动、怠速运转、急加速或低气压环境等运行时，供油方式无法全面满足引擎的运转需求，甚至可能因而产生黑烟、燃烧不全与马力不足等状况。所以逐渐被电喷式发动机代替。2002年起，中国已经明令禁止销售化油器轿车。第3页共26页电喷技术最早出现于1967年，由德国保时捷公司研制的D型电子喷射装置，随后被用在大众等德系轿车上。这种装置是通过喷油器把燃油直接喷射到进气道或气缸内。它与化油器相比，具有流动阻力小、充气性能好，混合气分配均匀性较好，加速性能好，能适应各种工况并保证经济性和动力性，燃油供给控制十分精确，让引擎在任何状态下都能有正确的空燃比，不仅让引擎保持运转顺畅，其废气也能合乎环保法规的规范。电喷技术从早期的单点喷射，演化至多点喷射，气门数量从两个增加至五个。图1-2进气道喷射示意图图1-3缸内直喷示意图进气道喷射由于内燃机构造的先天限制，电喷喷嘴安装在气门旁，只有在气门打开时才能完成油气喷射，因此喷射会受到开合周期的影响，产生延迟，因而影响电脑对喷射时间的控制。因此出现了缸内喷射，喷油嘴被移到了汽缸内部，因此缸内油气的量不会受气门开合的影响，而是直接由电脑自动决定喷油时机与份量，至于气门则仅掌管空气的进入时程，两者则是在进入到汽缸内才进行混合的动作。与多点气道喷射的汽油机相比，缸内喷射能有效降低发动机的未燃碳氢化合物的排放，使汽油在燃烧室内雾化、蒸发，降低了燃烧室内空气的温度，从而增加了燃烧室内空气的质量，使发动机能很容易实现分层燃烧，提高发动机的热效率。一般而言，应用了缸内直喷技术的发动机要比同排量的多点喷射发动机的峰值功率提升10%-15%，而峰值扭矩能提升5%-10%。1.2配气机构发展及现状配气机构的作用是按照发动机每一气缸内进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭进、排气门，使新鲜空气及时进入气缸，废气及时从气缸排出。传统的凸轮配气机构由气门组和传动组构成，气门组包括气门、气门座、气第4页共26页门导管、油封、气门弹簧、气门锁夹等零件，传动组由凸轮轴、凸轮、挺柱、推杆、摇臂组等组成。凸轮轴的驱动机构，有齿轮传动、链传动和同步齿形带传动。现在凸轮轴一般都是顶置式，即顶置凸轮轴技术，分为单顶置凸轮轴和双顶置凸轮轴。传统的发动机多是每缸一个进气门和一个排气门，这种二气门配气机构相对比较简单，制造成本也低，但不能满足高速大功率发动机的性能要求，多气门就能很好的解决这个问题。多气门发动机是指每一个气缸的气门数目超过两个，即两个进气门和一个排气门的三气门式；两个进气门和两个排气门的四气门式；三个进气门和两个排气门的五气门式。多气门的目的是在一个循环中增大进气量从而使发动机输出功率增加，目前汽车一般为四气门。改变内燃机气门开启持续时间、气门升程和气门正时等，使其随着内燃机工况变化而变化，改善怠速的稳定性、增加低速下外特性转矩、改善内燃机部分负荷时的燃油经济性和减少有害排放。发动机转速不同时，对配气定时要求不同。高转速下可以充分利用进气惯性而提高进气量和扫气效率，所以气门早开晚闭，低转速反之。为了使高速和低速都能得到最佳的配气定时，20世纪80年代后，出现了可变配气定时的控制机构，通过改变配气定时和气门运动规律实现不同速度的配气要求。1989年本田首次发布了“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”，也就是我们常见的VTEC。此后，各家企业不断发展该技术，到今天已经非常成熟，如丰田VVT-i，保时捷Variocam，现代DVVT，宝马Valvetronic等。凸轮配气机构气门开启持续时间、气门升程和气门正时等受到曲轴、凸轮驱动机构和气门传动组等的影响不能独立工作，从而使得发电机一些性能较差如怠速稳定性、低速时经济性。无凸轮气门机构取消了凸轮轴及其相关零部件，通过电液、电气和电磁驱动等控制气门开启和关闭，从而气门开启时刻、气门升程、开启持续时间和气门在内燃机各个循环中的开启位置等可以相互独立。无凸轮气门机构主要有电液驱动气门、电气驱动气门、和电磁驱动气门。无凸轮气门机构由于取消了凸轮轴及其相关零部件，从而简化了内燃机的结构，减小了内燃机的重量和高度，使得内燃机结构更为紧凑，同时，增大了气门布置的灵活性；能灵活、单独、精确地控制气门的运行；可以通过改变气门定时来改变多燃料内燃机第5页共26页的有效压缩比，以适应不同燃料的要求；可以实现发动机部分停缸、发动机内部废气再循环等。图1-3电液驱动气门机构原理图图1-5电磁驱动气门机构原理图1.3原型机的选择通过查找资料文献对比，最终我们选择奥迪“3.0L-TFSI-机械增压-DOHC-V6”发动机。奥迪的这台3.0升机械增压发动机已经是连续第四年“榜上有名”(沃德十佳发动机)，其实力不容小觑。这款发动机可谓“物尽其用”，从A4L一直到A8和Q7，同样一台发动机，在不同车款上却有着超过4种以上的不同调校版本。这款机械增压发动机使用罗茨式机械增压器，两个四叶转子能够以每分钟2万3千转的速度为发动机提供压缩空气。由于靠曲轴驱动，因此在响应速度上比涡轮增压更有优势。它的峰值扭矩在2900rpm即可到来，440牛米的扭矩可以一直持续到5300rpm。机械增压器布置于呈90°夹角的气缸的进气歧管处，显然增压后的进气路径很短，这意味着更快的油门响应。这款发动机可以在5500rpm时达到333马力（245Kw）的最大功率。官方资料显示,搭载3.0TFSI的奥迪S5Couped0-100km/h加速时间仅需4.9秒。3.0TFSI发动机在尺寸上非常紧凑，大量零部件采用集成化设计，既兼顾了强度，也节省了空间，位于V型气缸中间的机械增压器下面直接集成了中冷，充分利用了V型气缸夹角内的空间，附件的布置也充分利用发动机下部左右的空间，使其在宽度上得到控制，使得A4的发动机舱也能够容纳下这样一款正经的V6发动机。第6页共26页发动机的轻量化也是其实现良好通用性的基础，硅铝合金铸造的曲轴箱和缸体为这台发动机减轻了不少体重，曲轴箱仅有33公斤，包括增压器在内的发动机的重量也不过189公斤，已经和2升左右排量的铸铁直列4缸发动机非常接近。发动机的具体技术参数见下表。表1-1奥迪3.0V6TFSI发动机技术参数项目技术参数汽油机型式V型六缸，双顶置气门气缸直径84.5mm活塞行程89.0mm压缩比ε10.3:1缸盖/缸体材料铝合金/铝合金最大功率333Ps(245kW)/5500-6500rpm最大扭矩440N·m/2900-5300rpm排量2995ml特有技术缸内直喷、机械增压第7页共26页第2章配气机构的设计2.1配气机构的总体布置2.1.1顶置气门凸轮轴的布置现代内燃机均采用顶置气门，即进、排气门置于气缸盖内，倒挂在气缸顶上。气道平滑，充气效率高价现代内燃机设计多采用这种结构模式。根据凸轮轴的位置的不同，分为下置式、中置式和顶置式3种。1)下置凸轮轴式凸轮轴位于曲轴箱内的配气机构为下置凸轮轴式的配气机构。内燃机工作时，曲轴通过正时齿轮副驱动凸轮轴旋转，凸轮轴再通过挺柱、推杆及摇臂控制气门的开启和关闭。这种配气机构，凸轮轴离凸轮近，可以简单地用一对齿轮传动，简化了曲轴与凸轮轴之间的传动装置，有利于发动机的布置。但是凸轮轴与气门相距较远，动力传递路线较长，零件多，整个机构的刚度差。在高转速时，可能破坏气门的运动规律和气门的正时启闭，因此不适用于高速内燃机，多用于转速较低的内燃机。图2-1顶置气门配气机构2)中置凸轮轴式中置凸轮轴式的配气机构凸轮轴位于机体上部，与下置凸轮轴式的配气机构相比，减少了推杆或者推杆较短，从而减轻了传动机构的往复运动质量，增大了第8页共26页机构的刚度，适用于转速较高的内燃机。3)顶置凸轮轴式传统的顶置气门机构中，气门布置在气缸盖中，而凸轮轴一般都布置在曲轴附件的机体中部(即采用下置凸轮轴式)，两者相距较远，因此需要较多的传动零件，从而使机构复杂，提高了制造成本;另一方面，由于运动件质量大，刚度低，在发动机高速运转时易出现振讥气门机构脱离、气门反跳等现象，严重影响发动机的动力，性和工