柴油發(fā)動機新型配氣機構(gòu)設(shè)計方案

高梅 火箭軍士官學(xué)校

柴油機的問世雖然比汽油機晚，但在近百年的發(fā)展過程中，柴油機已充分顯示出了它的實用價值和適應(yīng)性。柴油機作為汽車和各種工程機械動力裝置已經(jīng)在許多地方取代了汽油機，特別是在重型載貨汽車、工程機械和軍用車輛中，幾乎已經(jīng)全部以柴油機為動力，并且在中型載貨汽車方面柴油機已經(jīng)占了主導(dǎo)地位，甚至作為客運汽車和轎車的動力也在逐年增多。柴油機在發(fā)展中不斷地克服自身的缺點，不斷地完善并提高各項性能指標。由于工作循環(huán)中加熱方式和混合、燃燒機理上的差別，柴油機的有些優(yōu)點和發(fā)展?jié)摿κ瞧蜋C無法比擬的。本設(shè)計是一項發(fā)明創(chuàng)新性設(shè)計，如今在發(fā)動機設(shè)計方面是一種新的設(shè)計思路，主要是解決柴油發(fā)動機進、排氣門如何實現(xiàn)同時進、排氣的問題。打破了進、排氣門的劃分，將進、排氣用同一個氣門來完成。其目的在于增強進、排氣能力、提高發(fā)動機功率、降低油耗。我認為這種結(jié)構(gòu)設(shè)計有很高的研究價值，會對發(fā)動機的發(fā)展產(chǎn)生很大的影響。

一、設(shè)計方案構(gòu)思來源

通過對汽車專業(yè)課的學(xué)習(xí)，在掌握了汽車發(fā)動機的總體結(jié)構(gòu)及構(gòu)造的基礎(chǔ)上，特別對柴油發(fā)動機進行了深入的研究和探討。在學(xué)習(xí)了《汽車新技術(shù)》后，針對柴油發(fā)動機的優(yōu)、缺點，產(chǎn)生了對柴油發(fā)動機進行改進的想法。決定對柴油發(fā)動機進行改進。

二、設(shè)計方案可行性論證

提出設(shè)計方案，根據(jù)柴油發(fā)動機的特點，要想增大進氣量，方法之一是增加氣門數(shù)，但是發(fā)動機缸蓋空間比較小，無法增加氣門，所以想通過把一個進氣門、一個排氣門的結(jié)構(gòu)改成兩個氣門既是進氣門又是排氣門的結(jié)構(gòu)，這就相當(dāng)于增加了氣門數(shù)，對氣門的設(shè)計變成對進排氣道的設(shè)計，也就是用何種方法來實現(xiàn)兩氣門同時進、排氣的構(gòu)想。通過結(jié)構(gòu)分析，提出設(shè)計方案：旋轉(zhuǎn)式進排氣道設(shè)計。對方案論證，旋轉(zhuǎn)式進排氣道設(shè)計結(jié)構(gòu)為：進、排氣道改成一個中間用斜板隔開的，能旋轉(zhuǎn)的，并帶有凸輪的，旋轉(zhuǎn)式換氣道凸輪軸。工作原理：將下置式的凸輪軸改為換氣道凸輪軸，換氣道凸輪軸上的凸輪只用來控制氣門的開啟與關(guān)閉，進、排氣由旋轉(zhuǎn)氣道來實現(xiàn)。優(yōu)點：旋轉(zhuǎn)氣道中間的斜板用隔熱材料制成，這樣排氣時的高溫余熱對進氣時的充量系數(shù)影響很小，換氣道凸輪軸可以直接用正時齒輪帶來驅(qū)動，所以傳動準確、方便、容易實現(xiàn)，取消了挺桿孔，使發(fā)動機體積減小。確定設(shè)計方案，通過對設(shè)計方案優(yōu)的論述，下面將從發(fā)動機的結(jié)構(gòu)、工作原理等方面介紹改進后的氣缸蓋、換氣道凸輪軸（旋轉(zhuǎn)式進排氣道），用以更加直觀的說明其結(jié)構(gòu)及工作原理。

三、新型氣缸蓋設(shè)計

氣缸蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計說明：氣缸蓋的設(shè)計，通常是在柴油機的缸徑和行程決定后，配合柴油機總體設(shè)計和機件結(jié)構(gòu)布置，進行氣缸蓋的初步方案設(shè)計。設(shè)計氣缸蓋時，首先考慮采用何種燃燒室、配氣機構(gòu)等的方案及其布置，但最重要的是幾個缸共一蓋和每一個缸用幾個氣門的問題。另外，氣缸蓋螺栓的布置，對氣缸蓋墊片的密封效果及其機體受力狀況影響也不小。因為本設(shè)計是原機改進設(shè)計，所以對氣缸蓋上不需要改進的地方將保留原構(gòu)造。由于熱負荷的升高，產(chǎn)生高的熱應(yīng)力與溫度，要求氣缸蓋底部為薄壁結(jié)構(gòu)（即氣缸蓋底面最好設(shè)計成中部稍薄，而周圍稍厚的結(jié)構(gòu)型式）。換氣道凸輪軸在氣缸蓋內(nèi)占有很大的空間，它對柴油機的換氣質(zhì)量有影響，從而也影響著柴油機的工作性能。換氣道凸輪軸由于其形狀復(fù)雜，需進行單獨加工，在氣缸蓋上鑄出安裝換氣道凸輪軸的安裝孔，然后對其進行加工以便安裝換氣道凸輪軸。換氣道凸輪軸在鑄造時要求內(nèi)表面光滑，以減小進、排氣流阻力。在氣缸蓋上布置有氣缸蓋螺柱孔、冷卻水腔和通向搖臂軸座的潤滑油道孔，這些孔道均與機體上平面的相應(yīng)孔道對應(yīng)。

四、氣道的布置

為了增大進氣量，主要對氣道進行了改進。在缸蓋上設(shè)計一個套筒穿入缸蓋里面盡量靠近氣門的位置，作為氣體流動的通道。同時也是冷卻水腔的隔離套，使排氣時換氣道得到更好的冷卻，改善換氣道得工作環(huán)境?？拷鼩忾T的位置開兩個孔，套筒里面設(shè)計有可以旋轉(zhuǎn)的換氣道凸輪軸，氣道中間布置一斜板，將進、排氣道隔開，斜板可以加入耐熱材料，盡量減少排氣高溫余熱對進氣的影響。凸輪軸旋轉(zhuǎn)到一定角度，為進氣階段，排氣口被斜板擋著，不致于使剛進入的新氣從排氣口流走。待凸輪軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)過另一角度，成為排氣階段，進氣口又被堵住，以便廢氣能夠完全排除。這樣的設(shè)計可大大提高進氣量，使廢氣盡可能多的排除。柴油機進排氣管多在氣缸蓋的兩側(cè)，避免排氣管加熱進氣管，以提高充量系數(shù)，所以氣缸蓋中進、排氣管引向不同的側(cè)面。設(shè)計中存在的不足：套筒壁可能在加工過程中有一定的困難，因為太薄而不易加工，如果設(shè)計的再厚一點，可能在缸蓋的邊緣沒有足夠的余量。由于套筒要承受熱負荷的反復(fù)作用，所以它的材料用灰鑄鐵。

五、換氣道凸輪軸的布置與傳動

凸輪軸是氣門機構(gòu)的驅(qū)動元件，它的凸輪不僅要有合理的形狀，而且要求表面耐磨，能在長期使用中基本保持設(shè)計給出的合理形狀。為了配合氣門的準確的開啟和關(guān)閉，保證配氣正時，新設(shè)計了凸輪軸—換氣道凸輪軸，把它置入套筒內(nèi)，通過其旋轉(zhuǎn)來控制進、排氣。在軸的一端設(shè)計一凸輪，通過搖臂來控制氣門的開啟與關(guān)閉。凸輪外面還有齒輪，與曲軸的正時齒輪用正時齒輪帶連接。設(shè)計中存在的不足：排氣溫度比較高，可能會使套筒燒壞，由于此設(shè)計水套不好布置，其冷卻效果可能不太好，重新設(shè)計了凸輪，其配氣正時不夠精確。由于凸輪軸一端需要有軸承控制其軸向竄動，但是間隙太小，所以軸承的制作也是一個不太好解決的問題。