柴油机气门设计与特征

配气机构是汽车、船舶等发动机的重要部件之一，它的功能是实现换气过程，以保证气缸吸人新鲜空气和排除燃烧废气HI2]．气门是配气机构的核心部件，在工作中承受极高的机械负荷、热负荷及腐蚀性气体的冲刷，润滑状态极为不良，因而在工作中磨损比较严重，常造成气门下沉，燃烧室的容积增大，使柴油机性能变坏，严重时影响柴油机的正常工作。J．据相关资料显示，配气机构的摩擦损失在柴油机总摩擦损失中占有较大的比例，特别是在低速、小负荷时，可能达20％以上．自20世纪40年代以来，由于因配气凸轮乃至配气机构其他元件引起的故障日益增多，人们开始了对配气机构及其元件的摩擦磨损展开了深人的研究，取得了一系列研究成果．Ootani5对使用耐热钢SUH3材料制成的气门和用烧结合金材料制成的气门圈座的冲击磨损试验进行了研究．LewisR提出了一种在试验台上检验柴油机气门与气门圈座的磨损问题的方法．程绍桐等提出当前车用柴油机气门失效的主要模式，并阐明了解决失效应重点从机械应力出发，从设计、制造和使用三个方面对失效原因进行分析．赵运才等对发动机气门一门座副的磨损失效过程进行了模拟实验研究．朱远志等分析了工况条件下化学介质、温度、应力等环境因素对重型发动机气门座圈材料磨损的影响．陆克久等分析了进气门与座圈磨损的主要影响因素．张春丰等分析了活塞组、曲柄连杆机构、喷油泵、配气机构等组件的机械损失．张松口指出了凸轮一挺柱间过大的接触应力是造成凸轮磨损失效的主要原因．综上所述，柴油机配气机构摩擦方面的研究取得了很大进展，但大部分的研究是围绕着凸轮一挺柱的摩擦磨损以及凸轮型线的设计而展开的，而在气门与气门座、气门与气门导杆间引入润滑油而减少配气机构磨损方面的研究几乎没有．目前，国外许多大功率柴油机已经采用气门润滑装置技术来解决进气门与其座圈的磨损问题，如MTU公司在396系列高强化、大功率柴油机上已普遍采用配气机构气门润滑技术．通过安装气门润滑装置，在气门与气门座、气门与气门导杆间引入润滑油对接触表面进行润滑，将极大地改善其摩擦磨损状况，提高柴油机的寿命及其工作可靠性．在国内，气门润滑装置的技术资料比较缺乏，到目前为止，主要依赖进口，应用在潜艇等军事领域．本文在分析柴油机配气机构润滑机理的基础上，对柴油机气门润滑装置进行结构设计和机理分析，进而实现在柴油机配气机构的气门与气门座、气门与气门导杆间引入润滑油对接触表面进行润滑，对于改善柴油机配气机构的摩擦磨损状况有一定的指导意义．

1配气机构运动规律分析

配气机构是柴油机的重要组成部分．目前，柴油机上常用的配气形式是凸轮轴式配气机构．包含的组件有：凸轮、挺柱、摇臂、摇臂轴、气门、气门弹簧等．它是由凸轮的旋转通过传动机构驱动气门按预定规律开启和关闭来实现配气过程．凸轮轴是配气机构中主要的驱动零件，凸轮的外形决定了气门的运动规律和发动机的配气相位．凸轮计算的任务是根据给定的最大凸轮升程和配气时间来确定挺柱的加速度、速度和升程与曲轴转角(或凸轮转角)之间的关系．在传动过程中，配气机构的当量质量的惯性力和弹簧力促使机构产生变形．凸轮型线设计的最佳效果是最终得到最佳的气门升程、速度和加速度曲线，在发动机标定转速和超速条件下，保证得到最小气门落座力和最小落座速度．由配气机构的运动规律可知，气门润滑装置运转过程中，若流量太大则烧机油严重，增加排放；若流量太小，气门与座圈润滑不足，磨损严重．为了实现气门润滑装置的供油量与配气机构的进气量相匹配，本文将气门润滑装置中的主动齿轮转速与配气机构的凸轮的转速相关联，利用凸轮的转速控制气门润滑装置每分钟的流量，从而实现在配气机构的气门与气门座之间引入适量润滑油对其接触表面进行润滑的目的．

2结构设计

1)结构设计如图1所示，气门润滑装置主要有泵油系统、传动系统和调整系统3部分组成．泵油系统主要包括齿轮顶柱、弹簧、油泵体和限位螺钉，传动系统主要包括主动齿轮和从动齿轮，调整系统主要包括调整轴、顶销、顶柱和弹簧等．

(1)泵油系统泵油系统的主要构件为柱塞，本文选用轴向柱塞泵的结构形式．轴向柱塞泵的柱塞与缸体柱塞孔之间为圆柱面配合，加工工艺性好，易于获得很高的配合精度，且密封性能好，泄漏少，能在高压下工作，容积效率高，流量容易调节．在柴油机配气机构中，凸轮轴每转动一周，排气和进气门各工作一次．为了保证配气机构的进气量与气门润滑装置的流量相匹配，必须使气门润滑装置的从动齿轮在凸轮转动一周的过程中也转动一周，同时与从动齿轮做成一体的柱塞走完一个行程，气门润滑装置出油口供油两次．齿轮过渡阶段(3O。)，在柱塞上开宽为2mm的槽(对应中心角约33。)，如图3所示，通过齿轮转角决定柱塞吸油和供油．在泵体上设置两个相互连通的出油孔，以满足两个出油口同时供油的要求．如图4(a)所示，当柱塞上的通孔与出油孔连通时，两个出油口同时供油；如图，4(b)所示，当柱塞上孔与出油孔断开时，两出油口同时关闭。

(2)传动系统传动系统主要由主动和从动齿轮组成．众所周知，目前，原动机运动形式为转动，如何将原动机的转动转换为柱塞的直线运动，是气门润滑装置设计的关键．根据机构学相关原理可知，凸轮机构能实现从转动到移动运动规律的转换．为此，本文将凸轮机构与齿轮机构相结合，根据柱塞泵的特点，将泵油系统的柱塞与传动系统的从动齿轮做成一体，并将从动齿轮的端面设计为波形，如图3和图5所示．由图5中从动齿轮端面展开图可知，A、E为行程始点，为行程终点，C为回程始点，D为回程终点，当从动、齿轮转E所对应的中心角时，为一个吸油、供油循环．当从动齿轮转到凸起部分与顶销接触时，柱塞下行，气门润滑装置供油；反之，当齿轮转到凹陷部分与顶销接触时，气门润滑装置进油．通过从动齿轮端面与顶销间的接触及柱塞弹簧力的作用，可实现将齿轮的转动转换为柱塞有规律的上下运动，从而完成气门润滑装置的间断供油过程．

(3)调整系统由于顶销与从动齿轮端面存在相对滑动，不可避免地会产生磨损．顶销磨损，柱塞行程减小，从而影响气门润滑装置每次供油量的大小．为了保证气门润滑装置在使用寿命期间内的流量精度，在气门润滑装置的结构上增设调整系统，如图1所示．当顶销磨损量达到一定时，通过手动调整轴的位置来调整柱塞位置(即柱塞腔的容积)，以满足气门润滑装置的流量要求．

2)工作原理工作时，在气门润滑装置弹簧和顶销的共同作用下，迫使柱塞作上、下往复运动，从而完成泵油任务，泵油过程可分为以下两个阶段．在进油阶段，当从动齿轮转到凹陷部分时，柱塞在弹簧的作用下向上运动，泵油室产生真空度，当柱塞运行到槽与进油孔连通时，泵油室打开，充满在油泵体油道内的机油经凹槽进入泵油室，柱塞运动到上止点，进油结束．当从动齿轮转到凸起部分时，气门润滑装置处于泵油阶段，柱塞在顶柱作用下向下运动，弹簧被压缩，机油受压，当泵油压力大于出油阀弹簧力时，推开出油阀，机油经出油阀进入油管，通过润滑系统进人柴油机配气机构进行润滑．

3特性分析

由图4可知，气门润滑装置有2个出油孔，则、E间对应的中心角为=l+2+3+4=7r．(1)其中：。，凸轮行程角；2，凸轮远休止角；。，凸轮回程角；，凸轮近休止角．若润滑装置的输^转速为n，则—个供油周期t为￡=(2)厶¨，‘式中，i为齿轮传动比．若轮行程为，柱塞的直径为d，则油腔的体4优缺点分析积为‘’I／u／v=了ard2h．()由于气门润滑装置有2个出油孑L，则每个出油孔的流量为Q=_．V(4)由式(1)一(4)可知，每个出油孔的平均流量为Q=~d2hn．(5)如图2所示，气门润滑装置出油口为2个，柱塞直径为7Inln，柱塞行程为2．5rain，从动齿轮为单头蜗杆，转速为I300r／min，主动齿轮齿数为30个．以柱塞的上止点为参考，则柱塞的位移随时间的变化曲线如图6所示，气门润滑装置流量曲线如图7所示．由图6可知，在齿轮转动过程中，柱塞运动规律呈线性规律变化．在柱塞上行阶段，油腔体积增大，油腔处于负压状态，润滑装置处于吸油状态，在柱塞下行阶段，油腔体积减小，油腔内压力增加，润滑装置处于供油状态．由图7可知，在齿轮转动过程中，润滑装置进行周期性供油，在柱塞处于下行阶段时，其流量大小为50．11mL／s．一个周期内，每个出油口供油时间为1．9ms．根据输入转速和润滑装置基本尺寸可知，每个出油孔的流量为1．04mL／min．

4优缺点分析

气门与气门座除了承受气门关闭时的冲击负荷，还要受到气缸中燃烧压力的冲击作用，迫使气门进入座圈，并且气门落座几乎是在“干”状态下完成的，因此很容易引起气门与气门座磨损．针对这些问题，目前的解决方法主要是选用合适的气门座材料，使其具有足够的高温强度、耐腐蚀性、耐冲击性和导热性，一般采用合金铸铁、球墨铸铁，也有采合金钢或青铜，更有甚者采用在气门座上堆焊耐热合金．1-t4]．另外可以改善凸轮型线以减少气门对气门座的冲击力¨J．本文设计的柴油机气门润滑装置(木模如图8所示)，可以在柴油机配气机构的气门与气门座、气门与气门导杆间引人润滑油对接触表面进行润滑，从而改善气门与气门座的磨损状况．考虑实际转速、冲击、弹性装置的变形响应的气门润滑装置的运动特性、装机试验将在后续工作中完成，笔者将另行撰文进行讨论．

5结论

1)将齿轮端面设计为波形，有效地将齿轮传动与凸轮传动相结合，从而实现了将齿轮的旋转运动有效地转化为柱塞的直线运动．

2)根据凸轮运动规律和柱塞泵的特点，在齿轮端面行程角及回程角处开槽，可以实现气门润滑装置周期性供油，从而可以实现在柴油机气门与气门座之间引入润滑油对接触表面进行润滑．

3)根据润滑装置的基本结构，明确了润滑装置的流量计算方法，对其柱塞运动规律、流量曲线进行了理论分析，结果表明，设计的气门润滑装置可以实现对柴油机气门与气门座提供小流量、间断供油。