柴油發(fā)動(dòng)機(jī)新型配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

高梅 火箭軍士官學(xué)校

柴油機(jī)的問(wèn)世雖然比汽油機(jī)晚，但在近百年的發(fā)展過(guò)程中，柴油機(jī)已充分顯示出了它的實(shí)用價(jià)值和適應(yīng)性。柴油機(jī)作為汽車和各種工程機(jī)械動(dòng)力裝置已經(jīng)在許多地方取代了汽油機(jī)，特別是在重型載貨汽車、工程機(jī)械和軍用車輛中，幾乎已經(jīng)全部以柴油機(jī)為動(dòng)力，并且在中型載貨汽車方面柴油機(jī)已經(jīng)占了主導(dǎo)地位，甚至作為客運(yùn)汽車和轎車的動(dòng)力也在逐年增多。柴油機(jī)在發(fā)展中不斷地克服自身的缺點(diǎn)，不斷地完善并提高各項(xiàng)性能指標(biāo)。由于工作循環(huán)中加熱方式和混合、燃燒機(jī)理上的差別，柴油機(jī)的有些優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展?jié)摿κ瞧蜋C(jī)無(wú)法比擬的。本設(shè)計(jì)是一項(xiàng)發(fā)明創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，如今在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面是一種新的設(shè)計(jì)思路，主要是解決柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣門(mén)如何實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)、排氣的問(wèn)題。打破了進(jìn)、排氣門(mén)的劃分，將進(jìn)、排氣用同一個(gè)氣門(mén)來(lái)完成。其目的在于增強(qiáng)進(jìn)、排氣能力、提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率、降低油耗。我認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很高的研究?jī)r(jià)值，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生很大的影響。

一、設(shè)計(jì)方案構(gòu)思來(lái)源

通過(guò)對(duì)汽車專業(yè)課的學(xué)習(xí)，在掌握了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)及構(gòu)造的基礎(chǔ)上，特別對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)、缺點(diǎn)，產(chǎn)生了對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)的想法。決定對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

二、設(shè)計(jì)方案可行性論證

提出設(shè)計(jì)方案，根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，要想增大進(jìn)氣量，方法之一是增加氣門(mén)數(shù)，但是發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋空間比較小，無(wú)法增加氣門(mén)，所以想通過(guò)把一個(gè)進(jìn)氣門(mén)、一個(gè)排氣門(mén)的結(jié)構(gòu)改成兩個(gè)氣門(mén)既是進(jìn)氣門(mén)又是排氣門(mén)的結(jié)構(gòu)，這就相當(dāng)于增加了氣門(mén)數(shù)，對(duì)氣門(mén)的設(shè)計(jì)變成對(duì)進(jìn)排氣道的設(shè)計(jì)，也就是用何種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)兩氣門(mén)同時(shí)進(jìn)、排氣的構(gòu)想。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，提出設(shè)計(jì)方案：旋轉(zhuǎn)式進(jìn)排氣道設(shè)計(jì)。對(duì)方案論證，旋轉(zhuǎn)式進(jìn)排氣道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為：進(jìn)、排氣道改成一個(gè)中間用斜板隔開(kāi)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(lái)控制氣門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉，進(jìn)、排氣由旋轉(zhuǎn)氣道來(lái)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)氣道中間的斜板用隔熱材料制成，這樣排氣時(shí)的高溫余熱對(duì)進(jìn)氣時(shí)的充量系數(shù)影響很小，換氣道凸輪軸可以直接用正時(shí)齒輪帶來(lái)驅(qū)動(dòng)，所以傳動(dòng)準(zhǔn)確、方便、容易實(shí)現(xiàn)，取消了挺桿孔，使發(fā)動(dòng)機(jī)體積減小。確定設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案優(yōu)的論述，下面將從發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理等方面介紹改進(jìn)后的氣缸蓋、換氣道凸輪軸（旋轉(zhuǎn)式進(jìn)排氣道），用以更加直觀的說(shuō)明其結(jié)構(gòu)及工作原理。

三、新型氣缸蓋設(shè)計(jì)

氣缸蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明：氣缸蓋的設(shè)計(jì)，通常是在柴油機(jī)的缸徑和行程決定后，配合柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)和機(jī)件結(jié)構(gòu)布置，進(jìn)行氣缸蓋的初步方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)氣缸蓋時(shí)，首先考慮采用何種燃燒室、配氣機(jī)構(gòu)等的方案及其布置，但最重要的是幾個(gè)缸共一蓋和每一個(gè)缸用幾個(gè)氣門(mén)的問(wèn)題。另外，氣缸蓋螺栓的布置，對(duì)氣缸蓋墊片的密封效果及其機(jī)體受力狀況影響也不小。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是原機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)，所以對(duì)氣缸蓋上不需要改進(jìn)的地方將保留原構(gòu)造。由于熱負(fù)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(jì)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(duì)柴油機(jī)的換氣質(zhì)量有影響，從而也影響著柴油機(jī)的工作性能。換氣道凸輪軸由于其形狀復(fù)雜，需進(jìn)行單獨(dú)加工，在氣缸蓋上鑄出安裝換氣道凸輪軸的安裝孔，然后對(duì)其進(jìn)行加工以便安裝換氣道凸輪軸。換氣道凸輪軸在鑄造時(shí)要求內(nèi)表面光滑，以減小進(jìn)、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(rùn)滑油道孔，這些孔道均與機(jī)體上平面的相應(yīng)孔道對(duì)應(yīng)。

四、氣道的布置

為了增大進(jìn)氣量，主要對(duì)氣道進(jìn)行了改進(jìn)。在缸蓋上設(shè)計(jì)一個(gè)套筒穿入缸蓋里面盡量靠近氣門(mén)的位置，作為氣體流動(dòng)的通道。同時(shí)也是冷卻水腔的隔離套，使排氣時(shí)換氣道得到更好的冷卻，改善換氣道得工作環(huán)境。靠近氣門(mén)的位置開(kāi)兩個(gè)孔，套筒里面設(shè)計(jì)有可以旋轉(zhuǎn)的換氣道凸輪軸，氣道中間布置一斜板，將進(jìn)、排氣道隔開(kāi)，斜板可以加入耐熱材料，盡量減少排氣高溫余熱對(duì)進(jìn)氣的影響。凸輪軸旋轉(zhuǎn)到一定角度，為進(jìn)氣階段，排氣口被斜板擋著，不致于使剛進(jìn)入的新氣從排氣口流走。待凸輪軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)過(guò)另一角度，成為排氣階段，進(jìn)氣口又被堵住，以便廢氣能夠完全排除。這樣的設(shè)計(jì)可大大提高進(jìn)氣量，使廢氣盡可能多的排除。柴油機(jī)進(jìn)排氣管多在氣缸蓋的兩側(cè)，避免排氣管加熱進(jìn)氣管，以提高充量系數(shù)，所以氣缸蓋中進(jìn)、排氣管引向不同的側(cè)面。設(shè)計(jì)中存在的不足：套筒壁可能在加工過(guò)程中有一定的困難，因?yàn)樘《灰准庸ぃ绻O(shè)計(jì)的再厚一點(diǎn)，可能在缸蓋的邊緣沒(méi)有足夠的余量。由于套筒要承受熱負(fù)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(dòng)

凸輪軸是氣門(mén)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)期使用中基本保持設(shè)計(jì)給出的合理形狀。為了配合氣門(mén)的準(zhǔn)確的開(kāi)啟和關(guān)閉，保證配氣正時(shí)，新設(shè)計(jì)了凸輪軸—換氣道凸輪軸，把它置入套筒內(nèi)，通過(guò)其旋轉(zhuǎn)來(lái)控制進(jìn)、排氣。在軸的一端設(shè)計(jì)一凸輪，通過(guò)搖臂來(lái)控制氣門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉。凸輪外面還有齒輪，與曲軸的正時(shí)齒輪用正時(shí)齒輪帶連接。設(shè)計(jì)中存在的不足：排氣溫度比較高，可能會(huì)使套筒燒壞，由于此設(shè)計(jì)水套不好布置，其冷卻效果可能不太好，重新設(shè)計(jì)了凸輪，其配氣正時(shí)不夠精確。由于凸輪軸一端需要有軸承控制其軸向竄動(dòng)，但是間隙太小，所以軸承的制作也是一個(gè)不太好解決的問(wèn)題。