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题目156发动机配气机构设计
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文献综述

配气机构是内燃机的重要组成部分,其功用是按照发动机的工作顺序和工作循环的要求,定时开启和关闭各缸的进、排气门,使新气进入气缸,废气从气缸排出。配气机构设计的是否合理关系到发动机的动力性、经济性、排放性、可靠性和耐久性的好坏。而又由于环境保护和人类可持续发展的要求,低能耗和低污染已成为汽车、摩托发动机的发展目标,要求发动机既要保证良好的动力性又要降低油耗满足排放法规的规定。其次,配气机构的运动件应该具有较小的质量和较大的刚度,以使配气机构具有良好的动力特性


通常,根据凸轮轴的安装位置将发动机分为顶置式、中置式和下置式三种。根据气门驱动形式则分为直接驱动、摆臂驱动和摇臂驱动三种类型。目前以下五种配气机构应用或研究较为广泛:顶置凸轮轴配气机构、多气门配气机构、可变正时配气机构、无凸轮驱动配气机构和液压挺柱配气机构。
1)顶置凸轮轴配气机构
把凸轮轴置于气缸盖上的配气机构称为顶置凸轮轴配气机构。顶置凸轮轴的发动机结构相比于下置式和中置式更为复杂,由于其构件比较少,反而使它有更紧凑的发动机结构,高速平顺性表现更出色,并且顶置凸轮轴结构中少了较长的推杆,运动构件少,传动链短,这样配气机构的结构就得到了大大的简化,与此同时,不仅配气机构的传动效率得到了提高,而且还降低了高速运转时发动机产生的振动和噪声。
2)多气门配气机构
相比传统的配气机构,当发动机的排量一定时,多气门配气机构不仅增大气门流通面积,而且还增加充气系数,改善了气缸扫气,从而使发动机在一定的时间内,吸入了更多的新鲜空气,在此种情形下,发动机的功率不仅得到了提高,而且还大大地降低了燃油消耗,明显地减少了废气污染,其经济性得到了显著提升。喷油嘴居中布置相比于传统结构,更能使多孔油束均匀分布,大大地改善燃油和空气的混合,使之混合更充分和完美。多气门技术中尤其以四气门技术运用最为广泛。
3)可变正时配气机构
可变正时配气机构可以根据发动机的运转工况相应地调整气门驱动机构,改变发动机的配气相位,进一步达到理想的升程规律,从而极大地提高发动机的功率,降低燃油消耗和排放。通过可变正时配气机构对发动机的换气过程进行调节和控制,在转速较低时,相位重叠角减小,倒流进入进气管的废气减少,新鲜气体随废气排出的可能性也得到降低,确保低、中转速下有较好的换气能力,降低燃油的消耗。在转速较高时,相位重叠角变大,从而使废气排出更彻底,进气更充分,充气效率明显增加,进一步增加了发动机的功率。
4)无凸轮轴驱动配气机构
无凸轮轴驱动配气机构通过控制电液,能对气门运动在任何状况下进行独立、连续、准确地控制。相比于传统的凸轮轴式配气机构,无凸轮驱动配气机构气门的运行受电液额定控制。它能在配气机构技术中获得一席之地,是因为发动机任意循环中气门的开启位置、开启持续时间、气门升程和气门开启时刻等都是能够相互独立的。换言之,气门的运行参数在具有此种配气机构的发动机的工作过程中是可以调整到各种转速下最佳的运行参数的,从而进一步达到优化发动机的燃油经济性、动力性的目的。同时,也优化了发动机的排放污染。但是,现在的无凸轮轴驱动配气机构技术还不具备优越的瞬态响应特性,因此,无凸轮轴驱动配气机构更多的只是一种构想,距离它的广泛使用尚还有很长的一段时间。
5)液压挺柱配气机构
发动机处于冷状态、气门处于关闭位置时,气门与传动件之间的间隙称为气门间隙。其主要作用是防止在发动机工作状态下,由于气门和其传动件膨胀伸长而顶开气门,导致气门关闭不严,造成漏气,影响发动机的性能。相比于其它配气机构,带有液压挺住配气机构的发动机,无需考虑气门间隙的影响,液压机构可以弥补配气机构各构件产生的热膨胀变形,配气机构各构件之间的振动和噪音得到显著的降低。目前,液压挺柱配气机构已经成为一个发展趋势。但是,液压挺柱配气机构的成本比较高,机构复杂,此外,在高速运转的发动机中,对油液的要求过高,使气门杆由于受到液压挺柱的油压过大的影响而导致气门关闭不严。
[1]

未来的配气机构可变技术将会朝着配气相位、气门升程、进排气管都可变的全可变技术和无凸轮轴的可变配气机构方向发展。全可变配气机构技术能够提高进气效率、改善空燃比,使混合气的燃烧更加充分,还可使排气更加彻底,降低废气残余系数,另外还能够减小汽油机的泵气损失,使发动机的动力性、经济性、排放性得到提高;无凸轮轴的可变气门机构避免了凸轮型线的限制,使进排气门的控制能够随发动机工况的变化及时做出调整,从而提高发动机的性能[2]。
与此同时,减少发动机的噪声也是发展的方向之一。发动机运转过程中周期性的气门落座、气门杆与摇臂的撞击以及凸轮和下摇臂之间的摩擦等造成配气机构的高噪声,为内燃机噪声的主要噪声源,严重影响内燃机整机噪声水平的降低。在低成本情况下,以同时降低气门间隙噪声、气门落座噪声及气门自鸣噪声为目标,采用高次多项式对凸轮型线进行优化设计,达到降低振动噪声的目的[3]。

配气机构由气门传动组和气门组两组组成,气门传动组包括曲轴正时齿轮、凸轮轴正时齿轮、凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门间隙调整螺钉及锁止螺母、摇臂轴;气门组包括气门、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座、气门油封、气门座等组成。配齐机构在工作时,凸轮轴转动时,当凸轮的基圆部分与挺柱接触时,挺柱不升高,挺柱以上的传动件不动作,气门是关闭的。当凸轮的凸起部分与挺柱接触时,便开始将挺柱顶起,于是气门被打开。当凸轮的最大凸起处与挺柱接触时,气门达到最大开度。随后,凸轮与挺柱接触表面的凸起开始逐渐变小,气门在气门弹簧的作用下开始上升关闭,并反向推动摇臂等传动杆件,使挺柱下移保持与凸轮接触。当凸轮凸起部分离开挺柱时,气门完全关闭
[4]。
由以上可知在配气机构的设计过程中,凸轮、挺柱、摇臂、气门、气门座与气门导管、气门弹簧等零部件以及配气相位都是设计的主要内容。

凸轮承受周期性的冲击载荷。凸轮与挺柱之间的接触应力很大,相对滑动速度也很高,因此,凸轮工作表面的磨损比较严重。针对这种情况,凸轮工作表面除应该有较高的尺寸精度、较小的表面粗糙度和足够的刚度外,还应有较高的耐磨性和良好的润滑。
很多学者分析、研究了配气机构特性,认为凸轮设计好坏关系到了配气机构的优劣,关系到整个发动机的性能,振动与噪声以及使用寿命。所以要求在设计中要做出良好的凸轮形线。先通过整车的参数算出凸轮的理论数据,在通过高次多项式凸轮优化设计的方法,对凸轮进行优化,使气门的运动和受力更加优良。

对于平面挺柱,除了要注意其材料不能与凸轮轴材料相同,以避免材料亲和性摩擦外,还要重点注意底平面最小半径应大于最大挺柱几何速度。底面最小曲率半径应满足:
Rmin=√[(h,tmax)2+(a+b/2)2]
式中,a为挺柱与凸轮中心线的偏距;b为凸轮宽度。一般按照公式
Rmin=h,max+(~2)mm计算。

摇臂及其支承主要设计目标:
摇臂要有足够的抗弯刚轴度,采用T形断面,摇臂轴采用空心轴。
摇臂应尽量避免悬臂安装,与气门接触面要淬硬。
注意加强支承刚度(实际上就是支座螺栓的刚度)。

气门是关键零部件,其设计的好坏直接影响发动机的动力性、经济性、可靠性、和耐久性,其中进气门的大小、形状及最大升程直接影响气缸的充气效率。因此,保证足够的流量是进气门设计的重点。此外,还要综合考虑气门的运动平稳性、落座冲击载荷、工作温度、密封性和缺少润滑条件下的耐磨损性能。
一般对气门的要求:
进气门
有足够的进气流量,流动阻力小。
质量小。
耐磨性好。
密封性好。
其中,保证足够的进气流量是进气门的设计重点。因此,进气门的直径都要大于排气门的直径。这一要求带来的问题是运动质量比较大,动力特性相对于排气门较差,振动大,气门容易出现飞脱,落座时对气门座的冲击力也比较大,可达10000N~30000N。
排气门
散热能力强、有较低的温度,耐热性好。
耐磨性好。
密封性好。
排气门由于承受高温高速排气的冲刷,其工作温度很高,一般可达500-800摄氏度,因此排气门的设计重点是努力降低工作温度。

气门的工作可靠性还与气门座、气门导管的设计有很大关系。气门座的主要问题是扭曲变形,不论是由于气压力负荷与热负荷引起的瞬时扭曲,还是由于装配时的机械应力和发动机各零件蠕变而引起的永久变形,均将影响气门的导热,使气门温度升高,并在气门颈部产生弯曲应力。为了减少这种变形,必须对气缸盖的刚度、冷却情况,气缸盖衬垫压紧力的分布等多加注意。
发动机的气门导管大多数为灰铸铁、球墨铸铁、铁基粉末冶金导管,在不良的润滑条件下,其工作可靠、磨损小、同时工艺性好,造价低。

气门驱动机构中的各构件一般只能传递压紧力,不能传递拉力。所以气门机构必须用回位弹簧维持机构各零件间的正常接触,这种回位弹簧一般布置在气门上,称为气门弹簧。其次,气门弹簧还有增大气门对气门座圈的压力、提高气门密封的作用。
配气机构传动件的往复运动使气门弹簧承受交变载荷,它们在负加速段工作期间的惯性力会使机构脱开。凸轮运动的谐振又会激起气门弹簧颤振,这将使弹簧的应力幅增大,而有效的弹簧力减小,气门反跳。故在工作中不仅要求气门弹簧力始终大于机构因负加速度运动及负加振动所产生的惯性力,而且要求弹簧颤振尽量小,以保证机构工作正常[5]。

配气相位是指进、排气门相对于活塞上、下止点时的开启和关闭时刻,用曲轴转角表示。配气相位角度决定了发动机的动力性。合适的排气提前角可以最大限度地减少活塞的推出功,而不过多损失有用功;合理的进气迟后角可以最大限度的利用高速气流的惯性充气效应,使充气效率尽可能提高。进气提前角和排气迟后角决定了进、排气重叠角,而重叠角的大小直接影响缸内废气量、排气门温度、进气是否倒流、缸内混合气温度等[6]。
一般来讲,在非可变配气机构中,进气迟后角和排气提前角都是根据标定功率转速工况确定的,标定功率转速越高,这两个角越大。而进气提前角和排气迟后角则是缸内残余废气量、排气门温度、进气是否倒流、缸内混合气温度等情况确定的,也可以才用以负重叠角增加缸内残余废气量的办法来抑制氮氧化物的生成。

配气机构是内燃机的重要组成部分,其工作特性对整机有着重要的影响,当今内燃机配气机构的发展趋向是在排量不变的前提下,提高内燃机性能指标。不论是多气门配气机构还是在此基础上演化而来的可变气门运动配气机构,其基本出发点都是,在更大范围内使内燃机动力指标、经济指标和生态指标等达到最优,在后续的配气机构设计中要以此为基准,尽力做好。
参考文献
[1].