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第三章汽车发动机的配气系统及工作原理doc

作者:澳門葡京  来源:澳門葡京娱乐  时间:2019-09-29 03:47  点击:

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  第三章 汽车发动机的配气机构 及工作原理 目前,四冲程汽车发动机都采用气门式配气机构。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。 进入气缸内的新气数量或称进气量对发动机性能的影响很大。进气量越多,发动机的有效功率和转矩越大。因此,配气机构首先要保证进气充分,进气量尽可能的多;同时,废气要排除干净,因为气缸内残留的废气越多,进气量将会越少。 第一节 配气机构的功用及组成 气门式配气机构由气门组和气门传动组两部分组成,每组的零件组成则与气门的位置、凸轮轴的位置和气门驱动形式等有关。现代汽车发动机均采用顶置气门,即进、排气门置于气缸盖内,倒挂在气缸顶上。 凸轮轴的位置有下置式、中置式和上置式3种。一、凸轮轴下置式配气机构 凸轮轴置于曲轴箱内的配气机构为凸轮轴下置式配气机构 。 其中气门组零件包括气门、气门座圈、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座和气门锁夹等;气门传动组零件则包括凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴、摇臂轴座和气门间隙调整螺钉等。 下置凸轮轴由曲轴定时齿轮驱动。发动机工作时,曲轴通过定时齿轮驱动凸轮轴旋转。当凸轮的上升段顶起挺柱时,经推杆和气门间隙调整螺钉推动摇臂绕摇臂轴摆动,压缩气门弹簧使气门开启。当凸轮的下降段与挺柱接触时,气门在气门弹簧力的作用下逐渐关闭。 四冲程发动机每完成一个工作循环,每个气缸进、排气一次。这时曲轴转两周,而凸轮轴只旋转一周,所以曲轴与凸轮轴的转速比或传动比为21。二、凸轮轴中置式配气机构 凸轮轴置于机体上部的配气机构被称为凸轮轴中置式配气机构。 与凸轮轴下置式配气机构的组成相比,减少了推杆,从而减轻了配气机构的往复运动质量,增大了机构的刚度,更适用于较高转速的发动机。  有些凸轮轴中置式配气机构的组成与凸轮轴下置式配气机构没有什么区别,只是推杆较短而已,如YC6105Q、6110A、依维柯8210.22S和福特2.5ID等发动机都是这种机构。 三、凸轮轴上置式配气机构 凸轮轴置于气缸盖上的配气机构为凸轮轴上置式配气机构(OHC)。 其主要优点是运动件少,传动链短,整个机构的刚度大,适合于高速发动机。由于气门排列和气门驱动形式的不同,凸轮轴上置式配气机构有多种多样的结构形式。气门驱动形式有摇臂驱动、摆臂驱动和直接驱动三种类型。 1.摇臂驱动、单凸轮轴上置式配气机构 凸轮轴推动液力挺柱,液力挺柱推动摇臂,摇臂再驱动气门;或凸轮轴直接驱动摇臂,摇臂驱动气门。2.摆臂驱动、凸轮轴上置式配气机构 由于摆臂驱动气门的配气机构比摇臂驱动式刚度更好,更有利于高速发动机,因此在轿车发动机上的应用比较广泛。如CA4883、SH680Q、克莱斯勒A452、奔驰QM615、奔驰M115等发动机均为单上置凸轮轴(SOHC)摆臂驱动式配气机构;而本田B20A、尼桑VH45DE、三菱3G81、富士EJ20等发动机都是双上置凸轮轴(DOHC)摆臂驱动式配气机构。3.直接驱动、凸轮轴上置式配气机构 在这种形式的配气机构中,凸轮通过吊杯形机械挺柱驱动气门;或通过吊杯形液力挺柱驱动气门。与上述各种形式的配气机构相比,直接驱动式配气机构的刚度最大,驱动气门的能量损失最小。因此,在高度强化的轿车发动机上得到广泛的应用。如奥迪、捷达、桑塔纳、马自达6、欧宝V6、奔弛320E,还有依维柯8140.01、8140.21等均为直接驱动式配气机构。第二节 配气定时及气门间隙 一、配气定时(配气相位) 以曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻及其开启的持续时间称作配气定时。进气门在进气行程上止点之前开启谓之早开。从进气门开到上止点曲轴所转过的角度称作进气提前角,记作 α。进气门在进气行程下止点之后关闭谓之晚关。从进气行程下止点到进气门关闭曲轴转过的角度称作进气迟后角,记作 β。整个进气过程持续的时间或进气持续角为180°+ α+β曲轴转角。一般 α=0°~30°、β=30°~80°曲轴转角。 排气门在作功行程结束之前,即在作功行程下止点之前开启,谓之排气门早开。从排气门开启到下止点曲轴转过的角度称作排气提前角,记作 γ。排气门在排气行程结束之后,即在排气行程上止点之后关闭,谓之排气门晚关。从上止点到排气门关闭曲轴转过的角度称作排气迟后角,记作 δ。整个排气过程持续时间或排气持续角为180°+ γ + δ 曲轴转角。一般 γ=40°~80°、δ=0°~30°曲轴转角。 由于进气门早开和排气门晚关,致使活塞在上止点附近出现进、排气门同时开启的现象,称其为气门重叠。重叠期间的曲轴转角称为气门重叠角,它等于进气提前角与排气迟后角之和,即 α+δ。 二、可变配气定时机构 采用可变配气定时机构可以改善发动机的性能。发动机转速不同,要求不同的配气定时。这是因为:当发动机转速改变时,由于进气流速和强制排气时期的废气流速也随之改变,因此在气门晚关期间利用气流惯性增加进气和促进排气的效果将会不同。例如,当发动机在低速运转时,气流惯性小,若此时配气定时保持不变,则部分进气将被活塞推出气缸,使进气量减少,气缸内残余废气将会增多。当发动机在高速运转时,气流惯性大,若此时增大进气迟后角和气门重叠角,则会增加进气量和减少残余废气量,使发动机的换气过程臻于完善。总之,四冲程发动机的配气定时应该是进气迟后角和气门重叠角随发动机转速的升高而加大。如果气门升程也能随发动机转速的升高而加大,则将更有利于获得良好的发动机高速性能。 三、气门间隙 发动机在冷态下,当气门处于关闭状态时,气门与传动件之间的间隙称为气门间隙。发动机工作时,气门及其传动件,如挺柱、推杆等都将因为受热膨胀而伸长。如果气门与其传动件之间,在冷态时不预留间隙,则在热态下由于气门及其传动件膨胀伸长而顶开气门,破坏气门与气门座之间的密封,造成气缸漏气,从而使发动机功率下降,起动困难,甚至不能正常工作。为此,在装配发动机时,在气门与其传动件之间需预留适当的间隙,即气门间隙。气门间隙既不能过大,也不能过小。间隙过小,不能完全消除上述弊病;间隙过大,在气门与气门座以及各传动件之间将产生撞击和响声。最适当的气门间隙由发动机制造厂根据试验确定。第三节 气门组 一、气门 1.气门的工作条件 气门的工作条件非常恶劣。首先,气门直接与高温燃气接触,受热严重,而散热困难,因此气门温度很高。其次,气门承受气体力和气门弹簧力的作用,以及由于配气机构运动件的惯性力使气门落座时受到冲击。第三,气门在润滑条件很差的情况下以极高的速度启闭并在气门导管内作高速往复运动。此外,气门由于与高温燃气中有腐蚀性的气体接触而受到腐蚀。2.气门材料 进气门一般用中碳合金钢制造,如铬钢、铬钼钢和镍铬钢等。排气门则采用耐热合金钢制造,如硅铬钢、硅铬钼钢、硅铬锰钢等。 3.气门构造 汽车发动机的进、排气门均为菌形气门,由气门头部和气门杆两部分构成。气门顶面有平顶、凹顶和凸顶等形状。目前应用最多的是平顶气门,其结构简单,制造方便,受热面积小,进、排气门都可采用。气门与气门座或气门座圈之间靠锥面密封。气门锥面与气门顶面之间的夹角称为气门锥角。进、排气门的气门锥角一般均为45°,只有少数发动机的进气门锥角为30°气门头部接受的热量一部分经气门座圈传给气缸盖;另一部分则通过气门杆和气门导管也传给气缸盖,最终都被气缸盖水套中的冷却液带走。为了增强传热,气门与气门座圈的密封锥面必须严密贴合。为此,二者要配对研磨,研磨之后不能互换。气门杆有较高的加工精度和较低的粗糙度,与气门导管保持较小的配合间隙,以减小磨损,并起到良好的导向和散热作用。气门尾端的形状决定于上气门弹簧座的固定方式。采用剖分成两半且外表面为锥面的气门锁夹来固定上气门弹簧座,结构简单,工作可靠,拆装方便,因此得到了广泛的应用。气门锁夹内表面有多种形状,相应地气门尾端也有各种不同形状的气门锁夹槽。 在某些高度强化的发动机上采用中空气门杆的气门,旨在减轻气门质量和减小气门运动的惯性力。为了降低排气门的温度,增强排气门的散热能力,在许多汽车发动机上采用钠冷却气门。这种气门是在中空的气门杆中填入一半金属钠。因为钠的熔点的是97.8,沸点为880,所以在气门工作时,钠变成液体,在气门杆内上下激烈地晃动,不断地从气门头部吸收热量并传给气门杆,再经气门导管传给气缸盖,使气门头部得到冷却。 4.每缸气门数 一般发动机每个气缸有两个气门,即一个进气门和一个排气门。进气门头部直径比排气门大15%~30%,目的是增大进气门通过断面面积,减小进气阻力,增加进气量。凡是进气门和排气门数量相同时,进气门头部直径总比排气门大。每缸两气门的发动机又称两气门发动机。现代高性能汽车发动机普遍采用每缸三、四、五个气门,其中尤以四气门发动机为数最多。四气门发动机每缸两个进气门,两个排气门。其突出的优点是气门通过断面积大,进、排气充分,进气量增加,发动机的转矩和功率提高。其次是每缸四个气门,每个气门的头部直径较小,每个气门的质量减轻,运动惯性力减小,有利于提高发动机转速。最后,四气门发动机多采用篷形燃烧室,火花塞布置在燃烧室中央,有利于燃烧。二、气门座与气门座圈 气缸盖上与气门锥面相贴合的部位称气门座。气门座的温度很高,又承受频率极高的冲击载荷,容易磨损。因此,铝气缸盖和大多数铸铁气缸盖均镶嵌由合金铸铁或粉末冶金或奥氏体钢制成的气门座圈。在气缸盖上镶嵌气门座圈可以延长气缸盖的使用寿命。也有一些铸铁气缸盖不镶气门座圈,直接在气缸盖上加工出气门座。三、气门导管 气门导管的功用是对气门的运动导向,保证气门作直线往复运动,使气门与气门座或气门座圈能正确贴合。此外,还将气门杆接受的热量部分地传给气缸盖。气门导管的工作温度较高,而且润滑条件较差,靠配气机构工作时飞溅起来的机油来润滑气门杆和气门导管孔。气门导管由灰铸铁、球墨铸铁或铁基粉末冶金制造。在以一定的过盈将气门导管压入气缸盖上的气门导管座孔之后,再精铰气门导管孔,以保证气门导管与气门杆的正确配合间隙。四、气门弹簧 气门弹簧的功用是保证气门关闭时能紧密地与气门座或气门座圈贴合,并克服在气门开启时配气机构产生的惯性力,使传动件始终受凸轮控制而不相互脱离。气门弹簧一般为等螺距圆柱形螺旋弹簧。当气门弹簧的工作频率与其固有的振动频率相等或为整数倍时,气门弹簧就会发生共振。共振时将使配气定时遭到破坏,使气门发生反跳和冲击,甚至使弹簧折断。为防止共振的发生,可采取下列结构措施: 1)采用双气门弹簧 在柴油机和高性能汽油机上广泛采用每个气门安装两个直径不同,旋向相反的内、外弹簧。由于两个弹簧的固有频率不同,当一个弹簧发生共振时,另一个弹簧能起到阻尼减振作用。采用双气门弹簧可以减小气门弹簧的高度,而且当一个弹簧折断时,另一个弹簧仍可维持气门工作。弹簧旋向相反,可以防止折断的弹簧圈卡入另一个弹簧圈内使其不能工作或损坏。 2)采用变螺距气门弹簧 某些高性能汽油机采用变螺距单气门弹簧。变螺距弹簧的固有频率不是定值,从而可以避开共振。 3)采用锥形气门弹簧 锥形气门弹簧的刚度和固有振动频率沿弹簧轴线方向是变化的,因此可以消除发生共振的可能性。五、气门旋转机构 当气门工作时,如能产生缓慢的旋转运动,可使气门头部周向温度分布比较均匀,从而减小气门头部的热变形。同时,气门旋转时,在密封锥面上产生轻微的摩擦力,能够清除锥面上的沉积物。第四节 气门传动组 由于气门驱动形式和凸轮轴位置的不同,气门传动组的零件组成差别很大。 一、凸轮轴 1.凸轮轴工作条件及材料 凸轮轴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。 2.凸轮轴构造 凸轮轴是通过凸轮轴轴颈支承在凸轮轴轴承孔内的,因此凸轮轴轴颈数目的多少是影响凸轮轴支承刚度的重要因素。如果凸轮轴刚度不足,工作时将发生弯曲变形,这会影响配气定时。下置式凸轮轴每隔1~2个气缸设置一个凸轮轴轴颈。进、排气门开启和关闭的时刻、持续时间以及开闭的速度等分别由凸轮轴上的进、排气凸轮控制。转速较低的发动机,其凸轮轮廓由几段圆弧组成,这种凸轮称为圆弧凸轮。高转速发动机则采用函数凸轮,其轮廓由某种函数曲线构成。O 点为凸轮轴回转中心,凸轮轮廓上的 AB 段和 DE 段为缓冲段,BCD 段为工作段。挺柱在 A 点开始升起,在 E 点停止运动,凸轮转到 AB 段内某一点处,气门间隙消除,气门开始开启。此后随着凸轮继续转动,气门逐渐开大,至 C 点气门开度达到最大。再后气门逐渐关闭,在 DE 段内某一点处气门完全关闭,接着气门间隙恢复。气门最迟在 B 点开始开启,最早在 D 点完全关闭。由于气门开始开启和关闭落座时均在凸轮升程变化缓慢的缓冲段内,其运动速度较小,从而可以防止强烈的冲击。 凸轮轴上各同名凸轮(各进气凸轮或各排气凸轮)的相对角位置与凸轮轴旋转方向、发动机工作顺序及气缸数或作功间隔角有关。如果从发动机风扇端看凸轮轴逆时针方向旋转,则工作顺序为1-3-4-2的四缸发动机其作功间隔角为720°/4=180°曲轴转角,相当于90°凸轮轴转角,即各同名凸轮间的夹角为90°。对于工作顺序为1-5-3-6-2-4的六缸发动机,其同名凸轮间的夹角为60°。同一气缸的进、排气凸轮的相对角位置即异名凸轮相对角位置,决定于配气定时及凸轮轴旋转方向。3.凸轮轴轴承 中置式和下置式凸轮轴的轴承一般制成衬套压入整体式轴承座孔内,再加工轴承内孔,使其与凸轮轴轴颈相配合。上置式凸轮轴的轴承多由上、下两片轴瓦对合而成,装入剖分式轴承座孔内。 轴承材料多与主轴承相同,在低碳钢钢背上浇敷减摩合金层。也有的凸轮轴轴承采用粉末冶金衬套或青铜衬套。 4.凸轮轴传动机构 凸轮轴由曲轴驱动,其传动机构有齿轮式、链条式及齿形带式。齿轮传动机构用于下置式和中置式凸轮轴的传动。汽油机一般只用一对定时齿轮,即曲轴定时齿轮和凸轮轴定时齿轮。柴油机需要同时驱动喷油泵,所以增加一个中间齿轮。为了保证齿轮啮合平顺,噪声低,磨损小,定时齿轮都是圆柱螺旋齿轮并用不同的材料制造。曲轴定时齿轮用中碳钢制造,凸轮轴定时齿轮则采用铸铁或夹布胶木。为了保证正确的配气定时和喷油定时,在传动齿轮上刻有定时记号,装配时必须对正记号。链传动机构用于中置式和上置式凸轮轴的传动,尤其是上置式凸轮轴的高速汽油机采用链传动机构的很多。链条一般为滚子链,工作时应保持一定的张紧度,不使其产生振动和噪声。为此在链传动机构中装有导链板并在链条的松边装置张紧器。齿形带传动机构用于上置式凸轮轴的传动。与齿轮和链传动机构相比具有噪声小、质量轻、成本低、工作可靠和不需要润滑等优点。另外,齿形带伸长量小,适合有精确定时要求的传动。因此,被越来越多的汽车发动机特别是轿车发动机所采用。齿形带由氯丁橡胶制成,中间夹有玻璃纤维,齿面粘覆尼龙编织物(右图)。在使用中不能使齿形带与水或机油接触,否则容易引起跳齿。齿形带轮由钢或铁基粉末冶金制造。为了确保传动可靠,齿形带需保持一定的张紧力,为此在齿形带传动机构中也设置由张紧轮与张紧弹簧组成的张紧器。 5.凸轮轴的轴向定位 为了限制凸轮轴在工作中产生的轴向移动或承受螺旋齿轮在传动时产生的轴向力,凸轮轴需要轴向定位。凸轮轴轴向移动量过大,对于由螺旋齿轮传动的凸轮轴,会影响配气定时。上置式凸轮轴通常利用凸轮轴承盖的两个端面和凸轮轴轴颈两侧的凸肩进行轴向定位。中、下置式凸轮轴的轴向定位通常采用止推板。止推板用螺栓固定在机体前端面上。第三种轴向定位的方法是止推螺钉定位 二、挺柱 1.挺柱的功用、材料及分类 挺柱是凸轮的从动件,其功用是将来自凸轮的运动和作用力传给推杆或气门,同时还承受凸轮所施加的侧向力,并将其传给机体或气缸盖。制造挺柱的材料有碳钢、合金钢、镍铬合金铸铁和冷激合金铸铁等。挺柱可分为机械挺柱和液力挺柱两大类,每一类中又有平面挺柱和滚子挺柱等多种结构形式。 2.机械挺柱 机械挺柱的结构结构简单,质量轻,在中、小型发动机中应用比较广泛。挺柱上的推杆球面支座的半径比推杆球头半径略大,以便在两者中间形成楔形油膜来润滑推杆球头和挺柱上的球面支座。3.液力挺柱 在配气机构中预留气门间隙将使发动机工作时配气机构产生撞击和噪声。为了消除这一弊端,有些发动机尤其是轿车发动机采用液力挺柱,借以实现零气门间隙。气门及其传动件因温度升高而膨胀,或因磨损而缩短,都会由液力作用来自行调整或补偿。 三、推杆 推杆处于挺柱和摇臂之间,其功用是将挺柱传来的运动和作用力传给摇臂。在凸轮轴下置式的配气机构中,推杆是一个细长杆件,加上传递的力很大,所以极易弯曲。因此,要求推杆有较好的纵向稳定性和较大的刚度。推杆一般用冷拔无缝钢管制造,两端焊上球头和球座。也可以用中碳钢制成实心推杆,这时两端的球头或球座与推杆锻成一个整体。四、摇臂 摇臂的功用是将推杆和凸轮传来的运动和作用力,改变方向传给气门使其开启。摇臂在摆动过程中承受很大的弯矩,因此应有足够的强度和刚度以及较小的质量。摇臂由锻钢、可锻铸球、球墨铸铁或铝合金制造。摇臂是一个双臂杠杆,以摇臂轴为支点,两臂不等长。短臂端加工有螺纹孔,用来拧入气门间隙调整螺钉。长臂端加工成圆弧面,是推动气门的工作面。五、摆臂与气门间隙自动补偿器 摆臂的功用与摇臂相同。两者的区别只在于摆臂是单臂杠杆,其支点在摆臂的一端。在许多轿车发动机上用气门间隙自动补偿器代替摆臂支座实现零气门间隙。气门间隙自动补偿器无论是结构或是工作原理都与液力挺柱相同,之所以不称其为液力挺柱,是因为它不是凸轮的从动件,仅仅是摆臂的一个支承而已。因此,它既是摆臂的支座又是补偿气门间隙变化的装置。

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