柴油機氣門設計與特征

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配氣機構是汽車、船舶等發動機的重要部件之一，它的功能是實現換氣過程，以保證氣缸吸人新鮮空氣和排除燃燒廢氣HI2]．氣門是配氣機構的核心部件，在工作中承受極高的機械負荷、熱負荷及腐蝕性氣體的沖刷，潤滑狀態極為不良，因而在工作中磨損比較嚴重，常造成氣門下沉，燃燒室的容積增大，使柴油機性能變壞，嚴重時影響柴油機的正常工作。J．據相關資料顯示，配氣機構的摩擦損失在柴油機總摩擦損失中占有較大的比例，特別是在低速、小負荷時，可能達20％以上．自20世紀40年代以來，由于因配氣凸輪乃至配氣機構其他元件引起的故障日益增多，人們開始了對配氣機構及其元件的摩擦磨損展開了深人的研究，取得了一系列研究成果．Ootani5對使用耐熱鋼SUH3材料制成的氣門和用燒結合金材料制成的氣門圈座的沖擊磨損試驗進行了研究．LewisR提出了一種在試驗臺上檢驗柴油機氣門與氣門圈座的磨損問題的方法．程紹桐等提出當前車用柴油機氣門失效的主要模式，并闡明了解決失效應重點從機械應力出發，從設計、制造和使用三個方面對失效原因進行分析．趙運才等對發動機氣門一門座副的磨損失效過程進行了模擬實驗研究．朱遠志等分析了工況條件下化學介質、溫度、應力等環境因素對重型發動機氣門座圈材料磨損的影響．陸克久等分析了進氣門與座圈磨損的主要影響因素．張春豐等分析了活塞組、曲柄連桿機構、噴油泵、配氣機構等組件的機械損失．張松口指出了凸輪一挺柱間過大的接觸應力是造成凸輪磨損失效的主要原因．綜上所述，柴油機配氣機構摩擦方面的研究取得了很大進展，但大部分的研究是圍繞著凸輪一挺柱的摩擦磨損以及凸輪型線的設計而展開的，而在氣門與氣門座、氣門與氣門導桿間引入潤滑油而減少配氣機構磨損方面的研究幾乎沒有．目前，國外許多大功率柴油機已經采用氣門潤滑裝置技術來解決進氣門與其座圈的磨損問題，如MTU公司在396系列高強化、大功率柴油機上已普遍采用配氣機構氣門潤滑技術．通過安裝氣門潤滑裝置，在氣門與氣門座、氣門與氣門導桿間引入潤滑油對接觸表面進行潤滑，將極大地改善其摩擦磨損狀況，提高柴油機的壽命及其工作可靠性．在國內，氣門潤滑裝置的技術資料比較缺乏，到目前為止，主要依賴進口，應用在潛艇等軍事領域．本文在分析柴油機配氣機構潤滑機理的基礎上，對柴油機氣門潤滑裝置進行結構設計和機理分析，進而實現在柴油機配氣機構的氣門與氣門座、氣門與氣門導桿間引入潤滑油對接觸表面進行潤滑，對于改善柴油機配氣機構的摩擦磨損狀況有一定的指導意義．

1配氣機構運動規律分析

配氣機構是柴油機的重要組成部分．目前，柴油機上常用的配氣形式是凸輪軸式配氣機構．包含的組件有：凸輪、挺柱、搖臂、搖臂軸、氣門、氣門彈簧等．它是由凸輪的旋轉通過傳動機構驅動氣門按預定規律開啟和關閉來實現配氣過程．凸輪軸是配氣機構中主要的驅動零件，凸輪的外形決定了氣門的運動規律和發動機的配氣相位．凸輪計算的任務是根據給定的最大凸輪升程和配氣時間來確定挺柱的加速度、速度和升程與曲軸轉角(或凸輪轉角)之間的關系．在傳動過程中，配氣機構的當量質量的慣性力和彈簧力促使機構產生變形．凸輪型線設計的最佳效果是最終得到最佳的氣門升程、速度和加速度曲線，在發動機標定轉速和超速條件下，保證得到最小氣門落座力和最小落座速度．由配氣機構的運動規律可知，氣門潤滑裝置運轉過程中，若流量太大則燒機油嚴重，增加排放；若流量太小，氣門與座圈潤滑不足，磨損嚴重．為了實現氣門潤滑裝置的供油量與配氣機構的進氣量相匹配，本文將氣門潤滑裝置中的主動齒輪轉速與配氣機構的凸輪的轉速相關聯，利用凸輪的轉速控制氣門潤滑裝置每分鐘的流量，從而實現在配氣機構的氣門與氣門座之間引入適量潤滑油對其接觸表面進行潤滑的目的．

2結構設計

1)結構設計如圖1所示，氣門潤滑裝置主要有泵油系統、傳動系統和調整系統3部分組成．泵油系統主要包括齒輪頂柱、彈簧、油泵體和限位螺釘，傳動系統主要包括主動齒輪和從動齒輪，調整系統主要包括調整軸、頂銷、頂柱和彈簧等．

(1)泵油系統泵油系統的主要構件為柱塞，本文選用軸向柱塞泵的結構形式．軸向柱塞泵的柱塞與缸體柱塞孔之間為圓柱面配合，加工工藝性好，易于獲得很高的配合精度，且密封性能好，泄漏少，能在高壓下工作，容積效率高，流量容易調節．在柴油機配氣機構中，凸輪軸每轉動一周，排氣和進氣門各工作一次．為了保證配氣機構的進氣量與氣門潤滑裝置的流量相匹配，必須使氣門潤滑裝置的從動齒輪在凸輪轉動一周的過程中也轉動一周，同時與從動齒輪做成一體的柱塞走完一個行程，氣門潤滑裝置出油口供油兩次．齒輪過渡階段(3O。)，在柱塞上開寬為2mm的槽(對應中心角約33。)，如圖3所示，通過齒輪轉角決定柱塞吸油和供油．在泵體上設置兩個相互連通的出油孔，以滿足兩個出油口同時供油的要求．如圖4(a)所示，當柱塞上的通孔與出油孔連通時，兩個出油口同時供油；如圖，4(b)所示，當柱塞上孔與出油孔斷開時，兩出油口同時關閉。

(2)傳動系統傳動系統主要由主動和從動齒輪組成．眾所周知，目前，原動機運動形式為轉動，如何將原動機的轉動轉換為柱塞的直線運動，是氣門潤滑裝置設計的關鍵．根據機構學相關原理可知，凸輪機構能實現從轉動到移動運動規律的轉換．為此，本文將凸輪機構與齒輪機構相結合，根據柱塞泵的特點，將泵油系統的柱塞與傳動系統的從動齒輪做成一體，并將從動齒輪的端面設計為波形，如圖3和圖5所示．由圖5中從動齒輪端面展開圖可知，A、E為行程始點，為行程終點，C為回程始點，D為回程終點，當從動、齒輪轉E所對應的中心角時，為一個吸油、供油循環．當從動齒輪轉到凸起部分與頂銷接觸時，柱塞下行，氣門潤滑裝置供油；反之，當齒輪轉到凹陷部分與頂銷接觸時，氣門潤滑裝置進油．通過從動齒輪端面與頂銷間的接觸及柱塞彈簧力的作用，可實現將齒輪的轉動轉換為柱塞有規律的上下運動，從而完成氣門潤滑裝置的間斷供油過程．

(3)調整系統由于頂銷與從動齒輪端面存在相對滑動，不可避免地會產生磨損．頂銷磨損，柱塞行程減小，從而影響氣門潤滑裝置每次供油量的大小．為了保證氣門潤滑裝置在使用壽命期間內的流量精度，在氣門潤滑裝置的結構上增設調整系統，如圖1所示．當頂銷磨損量達到一定時，通過手動調整軸的位置來調整柱塞位置(即柱塞腔的容積)，以滿足氣門潤滑裝置的流量要求．

2)工作原理工作時，在氣門潤滑裝置彈簧和頂銷的共同作用下，迫使柱塞作上、下往復運動，從而完成泵油任務，泵油過程可分為以下兩個階段．在進油階段，當從動齒輪轉到凹陷部分時，柱塞在彈簧的作用下向上運動，泵油室產生真空度，當柱塞運行到槽與進油孔連通時，泵油室打開，充滿在油泵體油道內的機油經凹槽進入泵油室，柱塞運動到上止點，進油結束．當從動齒輪轉到凸起部分時，氣門潤滑裝置處于泵油階段，柱塞在頂柱作用下向下運動，彈簧被壓縮，機油受壓，當泵油壓力大于出油閥彈簧力時，推開出油閥，機油經出油閥進入油管，通過潤滑系統進人柴油機配氣機構進行潤滑．

3特性分析

由圖4可知，氣門潤滑裝置有2個出油孔，則、E間對應的中心角為=l+2+3+4=7r．(1)其中：。，凸輪行程角；2，凸輪遠休止角；。，凸輪回程角；，凸輪近休止角．若潤滑裝置的輸^轉速為n，則—個供油周期t為￡=(2)厶¨，‘式中，i為齒輪傳動比．若輪行程為，柱塞的直徑為d，則油腔的體4優缺點分析積為‘’I／u／v=了ard2h．()由于氣門潤滑裝置有2個出油孑L，則每個出油孔的流量為Q=_．V(4)由式(1)一(4)可知，每個出油孔的平均流量為Q=~d2hn．(5)如圖2所示，氣門潤滑裝置出油口為2個，柱塞直徑為7Inln，柱塞行程為2．5rain，從動齒輪為單頭蝸桿，轉速為I300r／min，主動齒輪齒數為30個．以柱塞的上止點為參考，則柱塞的位移隨時間的變化曲線如圖6所示，氣門潤滑裝置流量曲線如圖7所示．由圖6可知，在齒輪轉動過程中，柱塞運動規律呈線性規律變化．在柱塞上行階段，油腔體積增大，油腔處于負壓狀態，潤滑裝置處于吸油狀態，在柱塞下行階段，油腔體積減小，油腔內壓力增加，潤滑裝置處于供油狀態．由圖7可知，在齒輪轉動過程中，潤滑裝置進行周期性供油，在柱塞處于下行階段時，其流量大小為50．11mL／s．一個周期內，每個出油口供油時間為1．9ms．根據輸入轉速和潤滑裝置基本尺寸可知，每個出油孔的流量為1．04mL／min．

4優缺點分析

氣門與氣門座除了承受氣門關閉時的沖擊負荷，還要受到氣缸中燃燒壓力的沖擊作用，迫使氣門進入座圈，并且氣門落座幾乎是在“干”狀態下完成的，因此很容易引起氣門與氣門座磨損．針對這些問題，目前的解決方法主要是選用合適的氣門座材料，使其具有足夠的高溫強度、耐腐蝕性、耐沖擊性和導熱性，一般采用合金鑄鐵、球墨鑄鐵，也有采合金鋼或青銅，更有甚者采用在氣門座上堆焊耐熱合金．1-t4]．另外可以改善凸輪型線以減少氣門對氣門座的沖擊力¨J．本文設計的柴油機氣門潤滑裝置(木模如圖8所示)，可以在柴油機配氣機構的氣門與氣門座、氣門與氣門導桿間引人潤滑油對接觸表面進行潤滑，從而改善氣門與氣門座的磨損狀況．考慮實際轉速、沖擊、彈性裝置的變形響應的氣門潤滑裝置的運動特性、裝機試驗將在后續工作中完成，筆者將另行撰文進行討論．

5結論

1)將齒輪端面設計為波形，有效地將齒輪傳動與凸輪傳動相結合，從而實現了將齒輪的旋轉運動有效地轉化為柱塞的直線運動．

2)根據凸輪運動規律和柱塞泵的特點，在齒輪端面行程角及回程角處開槽，可以實現氣門潤滑裝置周期性供油，從而可以實現在柴油機氣門與氣門座之間引入潤滑油對接觸表面進行潤滑．

3)根據潤滑裝置的基本結構，明確了潤滑裝置的流量計算方法，對其柱塞運動規律、流量曲線進行了理論分析，結果表明，設計的氣門潤滑裝置可以實現對柴油機氣門與氣門座提供小流量、間斷供油。