内燃机设计气门机构资料

内燃机设计15气门机构15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题15.1.1气门机构的主要设计要求发动机中控制其进气、排气的起止时刻及气流通路面积的方式有：气口控制（回流扫气二冲程机）气门控制（四冲程发动机）混合控制（有排气门的直流扫气二冲程机）四冲程发动机全都采用气门控制进气和排气。其优点是气门口的密封比较可靠而且便于修复密封面，冷却和润滑比较方便，寿命也相对较长。气门机构的设计质量对于四冲程发动机的性能有着多方面的重要影响。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题对升功率的影响：发动机的最大功率转速nmax正比于进气门通路面积Av除以活塞排量Vh，而升功率Nl则正比于peNnmax。当最大功率工况的peN一样大时，升功率Nl正比于nmax也正比于Av/Vh;所以进气门的相对通路面积Av/Vh越大，升功率Nl越大。进排气定时的影响：进排气定时影响充气系数随转速变化的情况（进气晚关角），影响泵气损失（排气早开角和进气晚关角），影响换气质量（进排气重叠角），因此对发动机的动力性、燃料经济性和有害排放有影响。此外，气门机构的磨擦损失对发动机在低转速负荷工况下的机械效率和耗油率影响较大。气门机构的工作可靠性和噪声的影响：直接影响发动机整体可靠性和噪声。排气门的热裂、凸轮一从动件的接触疲劳、气门弹簧的疲劳失效等都是重要的可靠性问题，气门机构的传动链脱节或气门提前落座、反跳等异常现象，使发动机的噪声以及各接触面的磨损都会加剧。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题对气门机构设计的主要要求可归纳为：气门口有足够大的气流通路面积（也叫做气门通过能力），保证充气量大;气门机构的动力学特性好，在发动机最高转速工况也不出现机构飞脱和气门反跳;重要零件的热应力和机械应力水平不过高，选材及表面处理恰当，能耐久工作;气门机构的磨擦损失和噪声较低;进排气定时恰当，能兼顾高速和低速工况性能;便于制造和维修，成本较低。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题15.1.2气门的布置及气门机构的类型15.1.2.1气门的布置现代汽车发动机的气门都布置在气缸盖上。按照每缸的气门数目和在发动机纵向上的排列情况看来，有三种主要的布置方式：每缸两个气门（1进1排），在发动机纵向上成一列布置。绝大多数柴油机和楔形、盆形燃烧室的汽油机是这样布置的。气门的中心线一般相互平行，只有风冷机为了扩大进、排气门间的冷却空气通道要把两气门分开成一小角度。各缸进、排气门的纵向布置顺序有三种：交替排列，同气门相邻排列和混合排列。采用哪一种顺序要考虑柴油机进气道的型式、汽油机的供油方式以及缸盖的热负荷等情况。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题进、排气道的进口和出口有的安排在发动机的同一侧，有的分别安排在左、右两侧，还有的进气道进口安排在气缸盖的顶面。采用哪一种要考虑到汽油机进气需要加热而柴油机不宜加热，考虑风冷机合理安排冷却气流通道的需要等等。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题每缸两个气门，在发动机纵向上成两列布置。这样布置气门就得用两根凸轮轴来驱动或者用一根凸轮轴和两个摇轴来驱动。因此气门驱动机构复杂化，只用于不得不这样布置气门的半球形燃烧室或帐蓬形燃烧室的汽油机。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题每缸四个气门，纵向成两列布置。每缸用四个气门的好处，一是加大进气通路相对面积，从而提高发动机的最大功率转速和升功率；二是每一排气门的受热面积缩小而经过气门座散热的距离缩短，可以降低排气门的热负荷；三是可把喷油器布置在气缸中心线上，对直接喷射燃烧室柴油机的性能有利。缺点则是气门驱动机构复杂化。要用两根凸轮轴或两根摇臂轴，甚至有的要用叉形摇臂等驱动机构。除上述三种气门布置方式外，还有每缸三气门和五气门的汽车发动机。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题15.1.2.2气门机构的类型凸轮轴装在气缸体（或风冷机曲轴箱）中的气门机构简称下置凸轮轴式气门机构，其凸轮经挺柱、推杆、摇臂驱动气门。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题凸轮轴装在缸盖上的气门机构简称顶置凸轮轴式气门机构，其凸轮或经过摇臂驱动气门，或经过挺柱和摇臂驱动气门，或直接经导套、T形导杆驱动气门。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题在最后这两种直接驱动的气门机构中气门运动规律同凸轮型线一致，而在其它各种气门机构中都有摇臂比放大的作用。下置凸轮轴式气门机构的特点：主要优点是凸轮轴距曲轴较近，可以采用便宜、可靠、磨擦损失也较小的齿轮传动，而且凸轮轴可以同其它附件共用一个齿轮传动系;还可使发动机的高度较小和便于V型发动机布置。主要缺点是构件多，运动质量较大而机构刚度较小，因此固有频率较低，出现机构脱节、气门反跳等不正常现象的转速界限低于顶置轮轴式气门机构。上述优缺点决定了下置凸轮轴式气门机构广泛用于柴油机以及部分汽油机中。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题顶置凸轮轴式气门机构的特点：主要优点是运动质量小而机构刚度大，可以在很高转速下正常控制气门运动。此外，气缸体的形状简化、刚度改善、重量和成本降低。主要缺点是凸轮轴要用链传动，既昂贵又不耐用，磨擦损失和噪声也较大。采用齿形皮带传动可以降噪，但传递力矩较小，也不耐用。对于有其它辅助装置需要传动时还得另外安排一套齿轮传动，使整机结构更复杂。这些情况决定了顶置凸轮轴式气门机构主要用于轿车、赛车用的高速汽油机，以及少数轿车用的小型柴油机。在几种顶置凸轮轴式气门机构中，直接驱动气门的机构因运动件最少而最有利于上高速，但实际应用较多的却是经摇臂驱动气门的顶置凸轮轴式气门机构。有摇臂时凸轮升程小于气门升程，可以较灵活地选择摇臂比15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题使凸轮的h/φ（升程/工作段包角）较合适、轮廓不至于过陡，并且留有改变气门升程的余地。在有摇臂的机构中还可以安排液压自动补偿元件（装在顶气门的摇臂端或作为摇臂的支点），从而取消气门间隙、降低噪声，这对于轿车发动机也是很重要的优点。15.1.3凸轮轴的传动机构凸轮轴的传动机构由曲轴带着凸轮轴转动，还要使凸轮轴对曲轴保持一定的相位关系以保证气门适时启闭，因此常被称为正时传动机构。中小型发动机的正时传动机构大多布置在发动机的前端，使装拆方便，但扭振附加载荷和噪声较大。布置在发动机后端的正时传动机构受扭振的影响较小，但不便拆装，机体结构较复杂，曲轴后端尺寸较大，使凸轮轴上的正时齿轮或链轮也随之加大。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题下置凸轮轴的传动一般用斜齿的圆柱齿轮传动。下图为几种可能的柴油机下置凸轮轴的齿轮传动方案，只画了凸轮轴和喷油泵的传动部分。方案(a)用于单列式柴油机，由于喷油器和气门机构推杆分置于缸盖两侧，对缸盖的布置较有利。方案(b)也用于单列式柴油机，所用齿轮数目最少，但齿轮尺寸决定于曲轴和凸轮轴中心距，要比方案(a)中的齿轮大一些，使发动机宽度加大，同时由于喷油器和推杆集中于缸盖一侧，进、排气道就只能都安排在另一侧了。方案(c)对缸盖设计的限制同(b)一样，只是发动机宽度可较小。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题方案(d)是V型柴油机最常用的正时齿轮传动方案。凸轮轴和喷油泵都布置在V型夹角内。方案(e)用于有两根凸轮轴的V型柴油机，两凸轮轴仍在V型角范围内，但位置靠近缸体上端，推杆缩短，气门机构的刚度较大。不过气门机构性能上的改善是否抵得过增加凸轮轴、齿轮带来的成本损失很值得考虑。方案(f)也用于两根凸轮轴的V型发动机，但凸轮轴布置在发动机的外侧，接近性好，也有少量应用。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题发动机的正时传动齿轮通常用优质钢材制成，表面淬火或氮化，以承受冲击性交变载荷，斜齿轮传动时有轴向推力，因此无论是凸轮轴还是传动机构中的各中间齿轮，都需要双向定位。中间齿轮的轴应有足够刚度，并固紧在刚度较好的机体壁上而不是固定在齿轮盖上。图示为几种高速汽油机顶置凸轮轴的链传动方案。在链条的松边要设张紧链轮或张紧压板，压板的表面有多层橡胶。张紧力通过弹簧或液压自动调节。为了消减链条的振动，还要在链条的边上设置滑轨，表面也有多层橡胶。曲轴上的链轮通常是钢制的，凸轮轴的链轮多用铸铁材料。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题近年来有一些高速汽油机顶置凸轮轴采用齿形皮带传动。齿形带由内含钢丝或尼龙丝的塑料带制成，不需要润滑，松边也要张紧以防跳齿。齿形带传动的成本低而噪声小，对轿车很有利，但传递扭矩较小，寿命一般不大于50000km，只能用于小型高速汽油机。15.1.4气门通过能力与配气相位15.1.4.1气门通过能力的表征及影响因素在气门开启过程中气门与气门座之间的气流通路面积随着气门升程h的增减而变化。可以近似地认为气流通路面积就是图示的倒锥面式中d1是气门头的小端直径，γ是气门密封锥面角，d2和h´的含义见图。γhdγhπddhπf2sin2cos2/12115.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题f在气门开启期间的变化如图所示的曲线。曲线下的面积即叫做气门的“开启时间-断面”或气门的“时面值”。—气门的“平均开启面积”。时面值和平均开启面积常被用来作为气门通过能力的表征。在同一气流速度下，这些参数越大，进气量就越大。影响气门通过能力的参数有：气门直径dv和气门最大升程hv。加大气门直径和气门最大升程，会使每一瞬时的气门通路都加大，和fm都加大。气门的启闭速度。对于dv、hv、γ等尺寸一定的气门，即气门的最大通路面积一定，若改变气门的启闭速度，图中曲线的形状就会改变，也会影响气门通过能力。气门的启闭速度越快，曲线下的面积越大，即时面值和fm越大。21)/(12ttmttfdtf21ttfdt21ttfdt15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题气门口的其它设计。实际上不仅通路面积的大小对于单位时间进气量有影响，气门口的其它设计情况（如进气门头部向杆身过渡部分的形状设计、气门座内孔形状设计……）也影响气体流动阻力，从而影响气门的实际通过能力。15.1.4.2气门直径和最大升程的确定1、气门直径——一般说来，气门直径要在结构布置允许的限度内尽可能取大些。限制的主要因素有：燃烧室型式；缸盖中进、排气道之间，以及气道与涡流燃烧室、喷油器之间，都应有足够的冷却水流通道；气门头边缘与气缸孔或燃烧室壁面之间应有一定距离，以免气流不畅。以直喷式柴油机为例，在气缸孔范围内布置气门应考虑的一些限制条件示于上图中，图中1是喷嘴孔边缘，2是进气门头部外圆，3是进气门座圈外圆，4是排气门座圈外圆，5是排气门头部外圆，6表示活塞顶上燃烧室凹穴的边缘。15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题为了在有限的气缸面积内安排较大的进气门通路，通常都把排气门直径取得相对小一些，但考虑到泵气损失，排气门也不能过小。现有汽车发动机的排气门直径与进气门直径之比大多在0.82-0.88之间。2、气门的最大升程hv原则上气门全开时气流通路面积如果大于气门口通路面积就没有影响了。即hv只要大到能使成立。hs是气门杆直径。因dh稍大于d1，可认为。按上式，当就够了。据统计，汽车发动机进气门的hv大多在0.26-0.28之间，排气门的hv大多在0.3-0.35之间，进气门的hv总是小于或等于排气门的。21221442sin5.0cosdπddπγhdγhπshvv2122dddsh131.045dhγv时15.气门机构15.1有关气门机构总布置的一些问题实际上在设计时把进气门的hv取得比排气门的小一些是比较合理的。这是因为气门在开启期间的平均运动速度vv∝hvn/φ（此处φ是气门开启延续时间所对应的曲轴转角度数，延续时间∝φ/n），其平均运动加速度jv∝hvn2/φ2，平均惯性力Pjv∝mvjv∝dv3hvn2/φ2，而气门机构