（动力机械及工程专业论文）多气门气缸盖结构的研究.pdf

太缘理l 一大学珂【上学傅论文 文摘 气缸盖是提高整机性能的重要结构件之一，是发动机技术竞争的焦 点。 7 缸盖的气fj 排列方式与气道结构形式影响避气充量和气流在气 缸内的运动，从向影响了燃烧效率，对整机的动力性、经济性以及排放 都有直接的影响；配气机构的形式影响充气系数和整机噪声等；缸盖燃 烧室决定了影响整机动力性能的压缩比，影响h c 排放的和对挤 流起决定性作用的挤气面积以及挤气间隙，所以燃烧室对整机动力性、 经济性、排放等都有重要的影响；气缸盖足整机热负荷与热应力最大的 部件之一，热负荷过高将爿i 利于发动机寿命以及可靠性的提商。在实际 中要特别防【r 发动机的局部过热，冈而对缸盖必须要有充分的冷却。采 用液乐挺杆的发动机，除了确保各个运动爵睢件的高效润滑以外还要尽量 减少机油巾的含气量。 4 6 8 q 气缸盖设计慕f 卜述各种理论分析的基础，对围内外先进机 型的气道、燃烧审、配气机构进行对比、分析研究后，经过理论分析计 算后设计m 的先进的网气fj 汽油机气缸盖。 太原理1 。大学硕上学位论文 a b s t r a c t ： c y li n d e rh e a d iso n eo ft h ec o r ep a r t st h a ta f f e c tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n e i t i st h ef o c u so ft h ec o m p et it i o n r r h ed i s p o s a lo ft h ev a l v e sa n di n t a k em a n if o l ds t r u c t u r en o t o n l ya f f e c tf r e s ha i rc h a r g eb u ta i r f l o wi nt h ec y l i n d e r ，w h i c h i 岫e d i a t e t ya f f e c tc o m b u s t i o ne l i i c i e n c ya n dt h ep e r f o r m a n c eo f d y n a m i c ，e c o n o m i c a n de m i s s i o n t h es t r u c t u r eo ft h ea i r d is t r i b u t i n gin s t it u t i o nh a si n f l u e n c eo nc h a r g i n ge f f i c i e n c y a n d t h en o i s eo f e n g i n e i h e c o m b u s t i o nc h a m b e r a f f e c t s c o m p r e s s i o n s c a ew h i c hh a s g r e a t i n f l u e n c eo nd y n a m f c a l p e r f o r m a n c e ：f vw h i c ha f f e c t st h ee x h a u s to fh c ：s q u a s ha r e aa n d c l e a r a n c ew h i c hh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h ei n t e n s i t ye l 、s q u a s h s o ， c o m b u s t i o nc h a m b e rh a sg r e a ti n f l u e n c eo nd y n a m i c a l p e r f o r m a n c e ， e c o n o m i c a l p e r f o r m a n c e ， e m i s s i o na n d s oo n c y l i e d e rh e a diso n eo ft h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ep a r t s h i g h e rh e a t s t r e s sw i l ll o w e rt h ee n g i n e su s e f u ll i f ea n ds e c u r it y i n p r a c t i c a l ，i ti si m p o r t a n tt oa v o i dl o c a lo v e r h e a t i n g t of u l l c o o lt oc y li n d e rh e a disn e c e s s a r y f o rt h ee n g i n ew it hh l a ( h y d r a u l j ci , a s ha d j u s t e r ) ， t si m p o r t a n tt oe n s n r e t h ef u l l l u b r i c a t i o na n dt or e d u c et h eg a sd is s o l v e di no i l b a s e do nt h ea b o v et h e o r i e s ，w ea n a l y z e dt h ep o r t sa n d c o m b u s t i o nc h a m b e r so fhi g hl e v e le n gi e e si na n do ulc o u n t r y w c h a v e d e s i g n e d t h ea d v a n c e df o u r v a l v eg a s o l i n ec y l i n d e r h e a d - - 4 6 8 q sc yi n d e rh e a d 第一章气缸盖对汽油发动机性能的影响 1 发动机竞争韵焦点 现代发动机设计都有其可比的竞争焦点。 动力性能指标1 i 要有：丁 功率n ，( k w ，) 、升扭矩( n m 1 ) 。 町靠性常用机能率、故障、f 均间隔时间、首次故障行驶里程、平均故 障间隔里程等来进行评价。 经济性指标主要有：比油耗g 。( g k w h ) 、百公里油耗( k g 1 0 0 k m ) 。 排放指标也已作为发动机竞争的重点之一。对于汽油发动机而言有害 气体主要有：c ，n o 。，c 0 。 2 气缸盖是直接影响发动机主要性能指标的关键结构件 气缸盖设汁卜要包括气道、燃烧室、配气机构、冷却与润滑系统等 的设计，它们对发动机性能都有相当人的影响。 缸盖气道的形状甑接影响进气涡流的形式以及涡流强度的大小，气 道流通截商移 以及其内部的光洁度又决定了进气充量的多少。涡流形式 以及强度的大小对燃烧效率有很大的影响。燃烧效率既决定了整机动力 性、经济性同时影响r 整机排放性能。气道设计是气缸盖设计中的关键。 气缸盖燃烧室的参数有：压缩比e 、面容比f v 、火花塞在燃烧室中 位置、挤气面积、挤气间隙等。挤气面积、挤气问隙是挤流生成的决定 冈素，且挤气面积越大、间隙越小生成的挤流越强。提高压缩比是提 高升功率的有效措施之一，但压缩比的提高受到爆震燃烧的限制。减小 面容比f v 是降低h c 排放f 均有力措旌。火花塞存燃烧窜中位置对发动 机爆震燃烧有报大的关系，合适的火花塞位置可以减小火焰传播距离时 间，从而提高r 抗爆性。燃烧率的所有结构参数都从不一程度上影响了 整机f j 动力性、经济性、排放性等。燃烧室与气道的匹配是气缸盖设计 i j 的重点。 配气机构的结构影响，充气系数、运转噪声等。配气机构的设计应 保证各缸换气良好，充气系数高；并且运转平稳，即振动、噪声小。 a 躲埋1 人字坝士宇i 立啦文 采用多气f j 机构可以明显增加进气喉口断面，提高充气系数。但由 于气| j 之问的“鼻梁”厚度的限制，使在一定缸径下，气门数有最佳 值来保证存这一缸径f 的最大进气量。1 7 前，在使拜的有两气门、二三气 门( 两进气、一排气) 、叫气门( 两进、两排) 、五气f j ( i 进、两排) 发动机。 缸盖是整机热负荷高的结构件之一，对缸盖进行合理有效的冷却可 以保证发动机在正常温度范围肉工作，提高整机寿命，增加整机运转可 靠性。在设计缶1 盖水腔时要确保冷却水流顺畅，不能有水流死区或使冷 却水f 水腔内形成旋涡。 气缸盖润滑系统是把具有一定压力和合适温度的清洁澜滑油循环不 断地输送到凸轮轴轴承、挺杆运动摩擦面，使其问形成一层油膜，以减 少摩擦损失和零件的磨拟，并把零件摩擦所产生的热量带走，冷却摩擦 表而，将摩擦表而上的磨屑和杂质清洗t 净，保证零件正常工作。采用 液压挺杆结构，必须保征对液压挺杆润州油的充分补充。对于回油腔的 设计一定要确保在没有机油压力的自由状态f ，机油依靠重力作埘叮以 在任何工况卜j 颁畅地流回机油盘从而确保机油可以小聚集在缸盖上而导 致机油通过强制通风管而进入进气管导致烧机油现缘的发生。 3 小结： 1 ) 发动机竞争焦点集中在动。性、经济性、可靠性、排放等几个 方面。 2 ) 缸羔气道、配气机构、燃烧室等的结构参数都决定r 气流在气 缸内的运动，从而影响了燃烧效率，整机动力性、经济性、排 放等。所以侄设讨。1 一要注意气道、配气机构、燃烧室的合理匹 配，使整机性能有一个实质性的提高与改善。 3 ) 气缸盖冷却与润滑系统的设计町以影响到整机的正常工作，是 影响整机u j 靠性与寿命的重要部分。 爪原理工大学颤士学位论文 第二章多气门以及气门机构 发动机的进气和排气整个过程称为换气过程。换气过程的完善程度 是决定发动机性能指标的一个重要凼素。由式 胪叫。、詈等 协 其中：p ，进气管温度( k ) ，进气管温度( k ) p 进气管乐力( n t h ! ) h 指示热效率 吐过量空气系数 h 。燃料热值( k j k g ) l 理论空气茕( k g k g 燃料) 玎。充气系数 可知内燃机的、f 均指示压力与充气效率叮、j 戎l r - l i ；。但是玑的增长受 到一系列闶素的限制，例如：受到发动机进排气系统的流动阻力、高温 零件的加热和上一循环残余废气清除的程度等，并且随着发动机转速的 不断提高，这种限制的作，t l 将愈来愈明显地表现出来。衡茕内燃机充气 性能的个重要指标是充气系数。 1 提高充气系数的措施 l 1 影响充气系数的因素 充气系数其定义为：内燃机每循环实际进入气缸的新鲜充量聊，与进 气管状态充满气缸的工作容积的理论充量m 。之比。这里所指的进气管状 态，是指进入气缸酊气体的热力学状态，如温度弓压力等。由于充气系 数对十评价进气系统虫| l 此重要，首先应导山充气系数的理论分析式，以 便用来分析影响充气系数的各种闵素。 设残余废气系数为，进气终n 对的缸内残余废气质量为砂，删。，逝 气门关闭时缸内气体总质量m 。为 查堕堡三奎兰堕主兰丝堡奎 m 。= # 1 l + ，= 0 + ，扣l 根据充气系数的定义，并引入气体状态方程以及压缩比的定义式， 町得 行：旦：上生：上盟堕：上立至墨( 2 2 ) 。”1 + 或m 】+ 妒，r 瓦咒t 1 + 咖。一17 j 只 式中， 7 ：迸气管温度 j f 进气管容积 p 进气管压力 旷气缸内进气终r 时的窖积 r 。气缸内进气终了时的温度 尸气缸内进气终_ ，时的压力 从式( 2 - 2 ) 。t j 知，影响充气系数的卞要创素有：气缸内进气终了时的压 力p ，；气缸内进气终r 时的温度7 ：；进气管中的压力只：进气管中的 温度71 ：居缩比占。 1 2 提高措施 从式( 。o - - 2 ) 不难看出，在发动机的结构参数( 如压缩比s ) 确定 的前提下，提高充气系数的措旋呵阻归结为以下几点： 1 ) 降低迸气系统的阻力损失，提高气缸内进气终r 时的压山只。 2 ) 降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数庐，。 3 ) 减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的 充量温度。 研究表叫，存上述影响凶素中，降低进气过程的流动阻力损失，提 岛进气终了压力，是提高充气系数最有效的措施。 1 2 1 降低进气系统的流动阻力 进气系统的流动阻力，按其性质可分为炳类，一类是沿程阻力，实 际卜是管道摩檫阻力，与管长和管内流动面上的表而质巷有关 另一类 垒塑堡圭兰堡主主! 兰笙兰 是局部阻力，它是【妇于流通截面人小、形状以及流动方向变化，在局部 产生涡流损失所引起的。布：内燃机进气流动中，由于筲道鞍短，壁面比 较光滑，其沿程阻力并小大：而局部眦力则是流通t i 的二# 要损失，它由 一系列的局部阻力霍加而成，尤其冉：进气门座处、空气滤清器和流通转 弯处，流动损失更为明显。因此，降低这些地方的局部阻力损失，对降 低进气系统的流动阻力，提商充气系数有显著的意义。 1 2 1 1 降低进气fj 处的流动损失 进气门库处的流通截面，是进气流通中截面最小、流速最高的地方， 因而j 孩处的局部陧力最大，该阻力除厂与耻力系数f 有关外，还与该处 的流动速度，。的平方成币比，叩 姊。= p ；t ) ： 这样，降低进气门处的流动损失，可以从降低气门座处的流速和改 善7 i 门座处的流动情况以提高流动系数入手解决。 过岛的，。t 体流速，还会发生气体阻塞现象。考察气门座处的流动情 况，并定义一、r 均进气马赫数m a ，并结合流景方程，可得 m a ：生：f d1 旦( 2 - 3 ) c ， l d ，z 。吒 式中，t ，。为进气门座处的气体的平均速度； c s 为进气fj 流通截面处的气体声速； 。为进气门存丌启期间的平均流量系数。其求法是：以气门 衙嘶积为参考面积，通过稳流吸风试验，测得在不同曲轴转角( 即不同 升程) 下的流量系数，求m 其、r 均值，即 。= 2 篡p ，c ，p ，( 妒m ，一仍一”) 可见，避气甲均马赫数m ，综合了迸气门太小、形状、升程规律以及活塞 等冈素，并异其大小与发动机的转速成正比。研究发现，对于小犁网冲 太原理工大学硕士学位沦文 程发动机，当m 。超过0 5 后，充气系数急劂f 降。返一结论，对于殴计 和评价气门机构足很重要的。 以f 将对减少进气门流通截面处流动损失的具体措施进行介绍。 ( 1 ) 加人进气门直径由于进气过程的重要性，一般应尽可能布置 较大尺寸的气门，以降低流经进气门截面时的气体流速，从而降低局部 流动阻力。在现代高速内燃机2 气f j 结构中，进气fj 直径d 和缸径d 比 值可达4 5 - 、5 0 ，面积比为0 2 0 2 5 这样排气门不得不缩小，但过小 的排气门又会导致排气阻力的增大。因此，通过加大进气门直径的方式 来提高充气系数，足受到限制的。 ( 2 ) 增加进气门数f 1增加进气门数，可以取得与加大进气门直径 同样的效果，即增大r 进气门的有效流通截面积。同时火花壅的中置减 小了曝震燃烧的倾向，有利于提高压缩比。 采用两进、两排的气j 机构后进气fj 面积之和可以达到气缸面积的 3 0 ，几乎比2 气j 提高3 0 5 0 。下表列出丁采用双顶置凸轮轴 ( d o h c ，i ) o u b l eo v e r h e a dc a m s h a 。l ) 4 气门发动机的优、缺点，总的结 论是优点大于缺点。近年来，儿乎所有强化程度高的车用发动机均采用 了这一技术，发动机的转速可达6 0 0 0 r m i f l 或更高，平均有敛压力达 1 + o m p a 以f 一 i ) o i i c 列气门发动机的优缺点比较 缺点优点 | a ) 进、排气面积大、充气系数提高，同a ) 气门机构的零部件成本增j 时泵气损失小，有利于提高动力性能。 加，使制造及维修成本增加i b ) 利于将火花塞或喷油器布茕在中央，b ) 顶置凸轮轴使缸盖高度增l 有利于提高压缩比( 对点燃式内燃机)加，发动机的高度尺寸加大 和改善燃油雾化质量( 对压燃式内燃 机) ，降低油耗，提高经济性 爪原埋丁大学硕+ 学位论文 c ) i 叮减轻气f1 系统运动零部件的质量， 适应高速运转的要求 通过4 气门发动机与2 气| 、发动帆的性能比较，显然，采j f 顶置凸轮 轴4 气门技术，町以使发动机的功率提高约1 5 3 0 ，转速增人约5 1 0 ，经济性能也得到改善。对于d 8 0 m m 的点燃式内燃机，若采刚两进、 两排的4 气门结构，在气缸盖中间部位j 丰往难以布置火花塞，这是只好 适二当缩小进气门直径。若采川j 进、排的气门结构，既能充分利用气 缸外围尺、j 又能利用气缸中心布置火花塞。通过采j 】5 气门( 三个进 气门，两个排气门) 的发动机与4 气门发动机的比较，可见其高速性能 进一步改善。对于排萤较小的4 缸小型轿车用的汽油机来说。也有采用 二进、一排的3 气门结构，这样发挥多气门的优越性，结构又相对简单。 ( 3 ) 合理没计进气道及气门的结构：改善气门座、进气道以及气 门头部的结构，也有助于降低局部阻力，提高气门流通截面的流量系数。 一般在高速内燃机巾，均利用气道使进气存其中发生弯曲和旋转，以便 再二气缸中形成定向的空气运动，以便燃烧的进行，但这势必影响气门的 流量系数，增大流动损失。冈此，在设计及制造中，应尽j j 能保证气道 壁面的过渡圆滑、平稳，避免气流急转弯现象。在进气门头部以及气门 座面处设计+ 合理的形状，对改善气流的流动阻力也有十分显著的效果。 l 2 1 2 采用可变进气系统的设计技术 从获得最大充气系数的角度出发，比较理想的配气系统应当满足以下 要求： 1 ) 低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内 新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。 2 ) 高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流 动阻力，充分利用过后充气，提高充气系数，以满足动力性要求。 3 ) 配合以上，变化，对进气j 从开启到关闭的持续期( 义称作用角) 也应 进行调整，以实现最佳的进气定时。 7 查堕堡兰查兰至! 主茎垡堡兰 总之理想的气门定时应当是根据发动机的工作情况及时作出调 整，应具有一定程度的灵活性。显然，对于传统的凸轮挺杼气门机构， 由于在工作中无法作出相应的调整，也就难于达到上述要求，1 蚓而限 制r 发动机性能的进一步提高。 文际j 二，完全满足卜述各项要求的机构是柿当复杂的，目前还仅仅 处于研究阶段，如g m 汽车公司推m 的无【n 1 轮的电磁气门驱动机构以及 f o r d 汽车公司的液压气门驱动机构，山于制造成本和可靠性等原因， f 1 前还没有应用于实际发动机中。目前较为常见的商品化系统可以分 成两大类，即可变凸轮机构( v c s ，v a r i a b l 。c a m s h a f ts y s t e m ) 和 变气门定时( v v t ，v a r i a b l ev a lv ef l j m i n g ) 。 ( 1 ) 可变 刍轮机构( v c s ) 可变凸轮技术般都是通过两套r 【】轮或摇 臂来实现的、即在高速时采用高速，i 轮，其升程与作用角都较大；丽在 低速时切换到低速i 轮，升程及作用角均较小( 图2 1 ) 。采用口j 变凸轮 机构后，发动机的性能与传统配气机构的性能比较，显然低速转矩和高 速动力性能都得到了改善。 苘轴转角 l n 。) b ) 图2lv c s 对发动机性能的影响 ( 2 ) 可变气门定时( v v t ) 相对于叮变f n j 轮机构，可变气门定时技术 的应用较多一些，对于系统而言，由于进、排气门是分别通过两根凸轮 轴单独驱动的，可以通过一套特殊的机构将进气凸轮轴按要求转过一定 的角度，从而达到改变进气相位的晶的。根据实现机构的不同，这种改 r 查堕堡三查兰堡主主焦堡苎 变又川以分成与连续，3 变两类，调节范围最高可达6 0 。( c a ) 。圈2 2 可 以石_ f f ，出于技术：相对成熟，很多高性能的汽油发动机采用了分级可 群 最 r d 下止点上止点 下止点 曲辘转角 l j l 。l j 。，j j l j 一 咖1 6 0 0 0 03 2 0 0 4 1 1 0 0 4 8 0 0 6 4 0 0 * ，fr m i n 一1 b ) 圈2 2 v v t 对发动机性能的影响 变这一技术，通过实验研究分析可阻看，采用v v q l 技术可以使得发动 机的低速转矩性能得到大幅度的改善。通过发动机装车运用这一技术， 油耗人大降低了，h c 及n 也排放也大l 陌度的下降。 1 2 ，1 3 减少进气管和空气滤清器的阻力 进气管的截而和通道流线，对进气过程影响也很大。其设计原则是： 空气流动阻力低：各气缸问的新鲜充量分配均匀；对于汽油帆而言还 要求保持适当的进气温度以加快燃油的雾化蒸发，提高混合气质量；对 于采朋e g r 以及进气道燃油喷射发动机而言，还要求满足专门机构的特 殊要求。 除此以外，进气管十还存在一个重要的现象，即脉动效应。脉动次 数为： 玎一= l l ：旦坠：坐 ( 24 ) 吼 5 瓦万2 石 心。4 其中，阙冲程每循环所需时问，s 瑚啪 m m m 啪 a 棘理工人学硕十学位论文 ，。压力波在管内往返一次所需时问，s ： 。进气管长度，r a ： a 音速。m s ： n 发动帆转速，r r a i n ； 当q 。是整数时，则止压力波与下一循环时间矧步，则进气压力平充气效 率提高。由式2 4 可知，随着进气管长度的增大，充气系数的峰值向低 速一例移动，这就是脉动现象的结果。其原幽在于，在进气过程中，活 塞的f 行运动可导致进气管内产生如图2 - 3 所示的膨胀波，浚膨胀波将 在进气管的开口端反射，然后产生i f 删长，j 波向气缸传播。在合适的条 7 2 0 。 j 图234 9 2 汽、沛机测量的进气压力波 件下( 如转速，进气管长度等) ，这个正向压力波可以使得进气过程结束 时，进气门处的压力高于正常的进气j 土力，这样发动机就可以多进气， 从而饺充气系数得剑提，岛。 为了追求蛀佳的充气系数值，。j 。蚍采用u 。变进气系统，以充分利刖 1 0 a 原理工人学醴学f 节论文 进e 嚣振的效果，图24 是日本= 菱设计的町变进 。i 道，图25 是采用u j 变 进气道后发动机效祟由 图25 可见，存中低速域 扭新最大提高j ，1 0 ，可变 进气门门丌度连续可变 时，扭矩曲线的谷鄙镀填 充，曲线边得较平滑，使 汽车加速也平滑。浚进气 符长度管系的主气道长度 为6 t 8 m m ，剐气道长度是 4 0 3 r a m 。 空气滤清器是进气系 统阻力的牛要求源之一 在保证滤清效粜的前提f 尽町麓减少空气滤清器的 流通阻力应适当加大滤 占面积以降低通过滤芯夺 气的流逃减低阻力。 1 2 2 降低排气系统的 流动阻力 嘶低排气系统叭力。 图2 - 4 可变进气管结构示意矧 罔2 - 5n r 变进气门使用效粜圈 可以使气缸内的残余废 气压力f 降，这样不仅可以减少残余匿气系数，有利于提高充气系数， 而 1 可以减少永气拟失，提高指示效率。排气系统的改计开标足：降低 排气背压，减少排气噪声。 1 1 垒堕堡圭生芏! ! = ! ! 芏竺笙苎 与进气系统一样，排气流通截商蛀小处是排气r j 座处，此处旧流速 挝高、爪降垃火，放存计时应保证气门疆其库而舯皇灯结构。排气道 出当是渐拶型，阻保证排除气体的充分膨胀，从而降低气缸与谗气管内 酗压力筹，使得气l 内的废气压力得以迅速下降，达到提高充气系数和 降低泵气损失的t l 的。 与进气管一样，排气管也存在渊谐现象，只不过所希率的调谐效果是 使得排气fj 处的乐力降低，以利f 排。t 。为此需要通过人量的理论计 算以及试骑，确定合砰的排气管k 膛。 杠排气管中往往还有消声器和排气后处砰器( 催化转化器) ，- 蛀计时 应在保词：足够的消声与降婀效粜的前提f ，尽可能降低流动阻力 l2 ： 减少对进气充鼍的加热 在进气的过程中，进入气缸的新鲜充量将会被各种高温表面所加热 而温度升【岛，从而导致进气密度下降，充气系数减小。进气温升受到各 种结构与运行参数的影响，如进气管结构、发动机转速、负荷、冷却水 温度等。 对f 化 1 l i 端式汽油机来说，由于需要进气加热来保证部分液态燃料 赴进气管巾的蒸发，所蛙进气管与排气管布置在同一恻。对于进气道喷 射的汽油机以及柴油机，均采, r l j 进、排气管曲侧布置的方案，以提高充 气系数。对于高速内燃机，有时也采用进气冷却技术，以降低进气温度。 增压内燃机则将进气中冷技术作为进一步提高增压压力、降低热负荷的 重要途径之一。 2 多气门 近几年，最为常见的是在高速汽汕机和柴i f i 机 每只气缸采用两只 以上的气f j 用盯m 置凸轮轴的布置，这种布置结构不仪u j 以提商发动机的 充气系数而日可以增人气机构的刚性，降低配气机构噪声。8 0 年代以 来，同外竟先开发多气fj 车用汽油机和高速柴油机，其丰要口的罡为了 据高发动机的升功率和升扭矩。9 0 年代新设计的车用汽油机和高速柴泊 查垦型三查芏堡土堂堡堡塞 讯，采用多气门和碗置凸轮轴止成为咧显的结构发艇趋势。每只气缸采 用2 强进气门、卜2 只排气门州阻提高发动机功率】5 - 3 0 f ”，浊耗 率也可以明显降低。口前陶外车心多气fj 汽油机已达6 0 左启_ 其中9 0 以上为四气i 、j ( 两只进7 t f 、两只排气门) 5 左右为三气门( 两只进 气门、一只排气fj ) ，少量机型为磊气f j ( j h 进气门、一只排气门j 旧f ： 2 1 网气门机构具有如下优点t ”，在实际巾被大量使用 ( 1 ) 在相同气缸直释卜，可状得较人的气门开启面双。对于高转速【l 勺汽 油机和柴油机，圜气麓动机的充气效率比丙气门高1 5 3 0 0 自，平均有 效址力高15 3 1 。在全负荷最低燃油消耗率比2 气门发动, b jl f e 5 一7 t ”。 t 2 ) m 十气门直径减小，因而气门的刚度提哥，丰甘对地增加r 散热而积， 降低了气门的热负荷，提高了气门的可靠性和耐磨性。 3 ) 可以将火花塞安置在气缸盖的中心鼬位，幽此，就能在活塞顶的叶i 央安排形状最佳的燃烧摩，以改善发动机弁勺性能，并改善活塞环川阁热 负倘的小均匀性。 ( 4 ) u f 减小气f j 的最大升 稃，政荠配气机构的动力件 t f 。 能。， 凳 u 2 2 气门数的确定 为实现发动机船高功、j 莲 车化，最重要的是尽量拶人 气门开启面积。为确定各种 发动机的气fj 数+ 1i 本= 菱公 司在进排气门m 枳比、气门与 火l 墓、气i 之间的闻隙，进 国2 - 6 气门数和进气门升赢血襁的关系 气f l l - 程和气盘苴径之比不变的条件i - ，由实验研究气门数和进气门 开启而积的笑系如图2 4 7 所示。矧巾下而线条为考虑火花塞的场合：上 i3 “ - 一 一 4 一 一 +1iij，+，了一乏一爹-，、。卜， 一 u _ _ 。 查坚堡三：查兰塑主兰堡堡三 面为小考虑火花塞的场合。 由图呵见，进气门的开船面积以缸径t 1 ) 8 0 m m 为界，超过m 8 0 m m 时采用2 个进气门和2 个排气门；小于q ) 8 0 m m 时采用3 个进气门和2 个排气门，发动机都能获得人开启面积。( 其中气门开启面积为气门周长 与气f j 升程的乘积) 。 3 多气门发动机配气机构布置型式 气门运动姚律对发动机的功率、扭矩有很大的影响。f 1 1 轮形线的丰 满度影响了充气系数，影响了整机性能。气门的速度、加速度运动状况 决定了气门机构运行的平稳性以及气j 对座圈的冲击等。同时气门机构 对燃油消耗、噪声等都有很大的影响。在发动机的机械损失巾，缸盖气 门机构的摩擦损失占5 3 5 ，这种损失对汽车行驶的燃油耗影响可达 6 l ”】。为此，气门弹簧刚度和弹簧预紧力的设计在保证气门与弹簧4 i 产 生飞脱，气门坐落时不产生反跳的条件f 尽可能减小预紧力。所以应选 合适的气l 、j 弹簧刚度以及气门弹簧力，设计时应力求保证气门机构在最 大刚度的情况r ，尽刊能减轻气门机构零部件的质量。 气门机构零部什的惯性质量还可以引起到发动机的振动以及汽车行 驶过时的噪声辐射。气门开启时，噪声的生成可分为3 个阶段：开肩段： 升程段：关闭段。在气f j 开启段，气l 、j 机构质量受凸轮作用力加速，由 于气门机构质量得以加速，所以在升程段产生气j 弹簧的振动。在关闭 段，气门座落产牛冲击的振动噪声达到最大。此时气门的关闭速度起决 定性作用。 3 1双顶置凸轮轴直接驱动( d o h c ) 型式 双顶置凸轮轴挺杆直接驱动方式是目前国外应用较多的一种典型的 气门驱动方式( 有液压挺朴和机械挺杆两种结构) 。图2 - 7 为双顶罱凸轮 轴液压挺杆直接驱动型式，这种配气机构型式一般都采用蓬形燃烧审， 由于气门传动系统的倾斜布置，使得气门直径可以适当加大，从而增加 了流通截商，提高了进气充量，提高了功率。由于蓬形燃烧室的特殊结 1 4 茎堕堡兰：叁兰堕兰兰丝丝兰 构使发动机容易组织进气滚流| 司时适当的挤气使发动机内部可以形成一 定的进气紊流。适当强度的进气紊流对发动机的充分燃烧有很大的帮助， 可达到提高功率f = i 降低排放的效果。 这种配气机构型式可以加大气门机构的刚度，使气1 1 1 机构存运行中 比较可靠，而日可以增 加凸轮彤线的最大加逑 度值使气门升程远到比 较理想的状态。有利于 提高充气效率，提高功 率。但由于气门机构的 倾斜布置使缸盖高度降 低宽度增加，同时液压 挺杆的使用对润滑油的 要求比较严格，所以配 气机构所含的技术含量 较多，技术难度较大。 图2 7 四气门( d o h c ) 型式 3 2 双顶置凸轮轴、顶置式滚轮摇臂配气机构 f j 前三菱公司的发 动机大多采用这种配气 机构型式。陶2 8 为4 g 6 3 型a m g 缸盖及配气机 构型式。这种配气机构犁 式提高了顶置式摇臂的 川性，能采用较大的气门 升程。另外，冈为自动 调整气门间隙用的快速 矧2 - 8 双顶置凸轮轴、顶置式滚轮配气机构 太原理t 太学硕士学位沦文 调整装置构成支点结构。所以，与配气机构的惯性质量无关，共日，还 能提商等效刚性。借助滚轮摇臂，能大幅度降低配气机构驱动扭矩。与 凸轮接触的滑动方式，对于气门弹簧平均负荷的驱动扭矩，儿乎成正比 增大，而滚轮方式，由于是滚动接触，所以，驱动扭矩增加极其微小。 因而可以大幅度降低低速时的摩擦损失。但从结构而言，增加了配气机 构零件，增加了成率，同时增加了技术难度。 3 3 单凸轮轴摇臂式配气机构 单凸轮轴摇臂式配气机构与双顶置凸轮轴直接驱动( d o h c ) 型式 的直接区别在于凸轮轴。单凸轮轴式的驱动方式进排气门的凸轮在一根 i ”l 轮轴上，即一旦1 “i 轮轴参数确定，进持气r j 之间的进气、排气相位气 门重叠角等就确定。向双凸轮轴配气机构型式可以通过调整传动系统而 达到调整气门重叠角的目的，为殴计初始阶段的试验提供了一定的方便。 摇臂式配气机构也是 目前被广泛应用的一 种多气门机构驱动形 式。图2 - 9 为这种配气 机构结构犁式。但这种 配气机构型式不适于 p q 气门机构，凼为火花 塞的位置很难合理布 置，在现有机酗中这种 配气机构主要被j ! 用 在_ 二气门发动机上。 图2 - 9 单顶首：凸轮轴摇臂式配气机构 在实际使j h 中还有卜i 置凸轮轴摇臂式气门传动机构。由于其运动附 件增加，以及传动推杆的加长，气门机构不适应高速发动机的使用。 4 小结： 提高发动机动力性的根本的措施之一就是提高进气充量，采用4 1 6 是腺理j 人宁碗i 学位论文 气i 、j 、5 气fj 结构是提高进i 充量的一种重要措施。 应根据气fj 数以及结构需要来确定气门机构的驱动型式。 目前常见的有双顶置f n l 轮轴挺杆直接驱动气门、双项置 马轮轴顶 置式滚轮摇臂配气机构、单顶置凸轮轴摇臂式配气机构等。它们各有优 点，择有缺点，在设计中应综合考虑，优选方案。 太腺理工大学碗上字位 仑文 第三章气缸盖气道的设计 l 气缸内气体的流动与气道 气缸内气体的流动，供油系统以及燃烧寄形状之m 的优化匹配是实 现高效低污染燃烧的关键。内燃机气缸内的流动十分复杂，是填趔的三 维不定常气流，发动机的结构参数( 进气管路、气门机构，燃烧室结构 等) 以及运转参数( 转速、进、排管内的压力等) 都对气缸内的气体流 动产牛影响，凼此近几十年米对内燃机燃烧过程的研究都把相当大的精 力放在对气缸内气体流动的研究上。设计流体力学( c f d ) 研究的进蜒 对内燃机气缸内的气体流动进行二维计算，但c f d 的方法目前只是一种 辅助设汁手段。在实际设计发动机气道时，主要还是依靠在气道实验台 【二用经验方法，不断修改气道的构形，最后经实验柬确定。 1 1 进气涡流 一般把空气充量的大标度旋流运动定义为涡流。在实验巾常用涡流 比q 来街量涡流的强度。涡流比定义为n 一涡流转速发动机转速。在实 验巾发现了涡流比对发动机性能的影响而知：对汽油发动机而言，并不 是涡流比愈高愈好，过高的涡流比将会引起充气效率f 降，降低发动机 性能。 1 l1 气道的评定方法。 稳流实验是用来评定气道的通流能力和形成涡流能力的主要方法。 试验通常在恒定的压力差下进行的，在离气缸盖底面( 15 0 17 5 ) d 处 用叶片式飙速仪测定涡流值，并利用以卜两个无量纲参数作为旋流气道 性能的评价指标。 ( 1 ) 通流系数扯g 。用米表示气道的流通能力，其巾用。表示由于气门 存存而使气门口通道截面减少即 酽等= 塑堕等q 堂4 l t f j 裂塑坚 - ， 。f ，气f面积 。4 ，= 玎p + ，s i n o c o s o ) ，c o s 0 太臆埋l 大学硕士学位论文 p j = 三p2 簖) 式- j i气门内径； ，气门升j 旱： 臼气门座角； d 。气门杆直径。 用”米表示以倒锥侧面积为基础的流量系数，对于给定机构参数的气门 机构，巧= y ( i 。) 是一样的，它_ i 受气道犁式的影响，因此也可以只用流 量系数“来代表通流能力。 ( 2 ) 涡流比q 。用来表示气道形成涡流的能力，即 q ：坠( 3 2 ) 式中n 。风速仪测的转速； ，2 假定模拟气缸内气流的1 7 均轴向流速等于活塞平均速度c 。 时所计算出来的发动机转速： 。：堕 圪p ， 式r f i q 。试验中测得的空气质量流率； n 模拟气缸内的空气密度； 圪气缸排最。 1 12 对气道稳流试验时测量方法的评论 为了使同一稳流试验台 ：对小刷气道测出的数据具有可比性，以及使 同一气道任 i 同试验台上测出的数据能够一致，必须对测出的数据进行 评论。由q 。= 仃v ，j t 丽可知，为了，求得盯，必须测定q 。和肇这 两个参数，| 一j 时还应统一试验台的布岢方案( 吹风与吸风) 以及规定测 压部位，这样求得的p o - 值就具有町比性了。 爪晾理 k 学碗士学位论文 至于涡流比q ：塑，其中n ，是叶片风速仪的读数，首先q 本身并 ，记之。 ，。、 。p。弋 l 内微篇t - f 崭f , 墨黧一浮j 飞f 内微冗运动示意图。 、。 、i i j 瓣埔舣司蕊? _ 乔 ：一l u l l l l ll j 知 j 9 b k “h 呐m 式中 u 。一一气流的 切向分避i 度； 图3 1 轴向速度u u 行布的变化对风速仪读数的影响 r 气缸半径。 ( a ) 均匀分布( b ) w 形分布 动量矩流率的单位是 ( c ) 三角形分布( d ) 正、反向矩彤分布 ( k g 1 3 3 。s z , n + m ) 若气缸横截面上的气 流作刚体涡流运动的话， 则 爪原瑾i ：大学顾士学位隆文 i i 譬打咄 式中棚剐体涡流运动的角速度。 而由乒勋仲蚝 式巾“。气流的轴向分速度。 故，= 2 印j ： r 3 d r ( 3 - 3 ) 梢应限i 质案流率_ = l l e r g 。j 02 z g p “。rd r 作为整气道存进气过程中形成涡流的能力，应是进气终点气缸内气 体的总动量矩i ( k g - m 2 s 一1 ) j = 洳= 去呦 式中译i v o ，母i v c 分别为进气门的开启角和关闭角。 蚓此只有在各个气门升程下，用风速仪测出的“d 均正比_ 二此时的， 时，n d 才可以代表气道形成旋流的能力。由式3 3 叮知满足，0 。缈o o 的 条件为： ( 1 ) 气缸内气流作缸体旋转= c o n s i ( 2 ) 气缸横断面上轴向气流速度均匀，郎“。= c o y i a i 可以用简单的方法来论证，设两个气道在稳流试验台上试验时 = c o n s ，气缸内的= c o 月s t ，气缸内气流作刚体旋转运动，也就是说， 这两种气道的通流能力和形成涡流的能力都是一样的，但若u 。的分布规 律不一样，风速仪就会指示4 i 同的读数。若假象的轴向速度分布如图l ， | l l i j 对f 轴向速度分布图3 1 ( b ) 太攮理工大学碳士学位论文 3 2 = “n 珊 l 对于轴向速度分布幽3 1t c ) “。= 3 u 。棚。= 。 对于轴向速度分布图3 1 ( d ) ：2 叫。：善眈 这就从反面论证了风速仪指示的n d 弗不是气道形成涡流能力的量 度。 1 13 进气终点气缸内涡流速率的计算 目的是麻用稳流试验台上的试验结果估计发动机进气终点时气缸 内的涡流速率，计算时的假定为： ( 1 ) 通过气f j 的气流不可乐缩： ( 2 ) 在恒定的压力降劬之下通过进气门，因此流经进气门的流速不 变； ( 3 ) ，1 i 计气缸套，活塞顶和气缸盖底面的摩擦阻力和传热的影响： ( 4 ) 在进气门开启时气缸内的涡流速率为零： ( 5 ) 气缸中的涡流为i ) | | 0 体涡流。 计算的 b 发点是进气终点充量所具有的动量矩应等于进气过程中气道所 产生的动量h 流率的积分。 进气结束时充量具有动量矩为，。脚。( 其中。为气缸内充量的转动惯量) 。 进气过程中气道所产生的动晕矩流率的积分一嵋。 。j r od l ( 其中，为转动惯 量流率) 两式相等 ，成2 j o d t ( 3 - 4 ) 太原理r 大学颐士学位论文 由于假定气缸内的涡流为缸体涡流，则 ，= 警斟 而q ，= p h ) uj c f 在应用风速仪时，无量纲速度比。：生。昙竺0 。丝( 式中为风 “。z 。埘甜n d 速仪凄数) 设发动机角速度为。：生 “ 加 匿姚l 三j 国= 警受0 _ n r 如 此外小等( 罢) m ，= l ：t = 訾露幽 九铲学职，护 代入3 - 4 町得 卵蔗c 砌= 1 t a d ( 一n r d l 5 0 m ，咄? p 坚s 4 南式3 - 5 和式3 7 代入式3 - 6 q v e i ) 2 s 缈f 4 f d 1 c 却 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 查堡堡! 叁兰塑主羔竺丝兰 蛾镌c f d 妒) 2 = 警训。如 故涡流比生 珊 d s f l r 略n r 却 y d sk 。q r 如。 扩( 州司2 式中d 为气门直径。 令玑= 1 ，k = j d s j | 为发动机的结构参数 黼澈q o j o 尘生竺竺 魄 ( 啤却丁 ( 切向气道和螺旋气道) 的典型实验结 果，从相互的比较中可以看到： i ) 在气门升程较大对，螺旋气道的阁3 - 2 流量系数与气r 1 升程的关系 气fj 流鼠系数要比切i 曲气道的大 l 一切向气道 2 - 螺旋气道 2 5 ，因此存相同的涡流比下，采翊 螺旋气道町以使发动机的容积效率 ? 显著提高。原因是切阿气道气门 = ；。h l l 7 的流速分布不均匀，气门口流通面积 一一， 没有充分利用之故。 ”7 ，一一n ，“ t 4 2 ) 螺旋气道存低气门升程时涡流掏3 - 3 风速仪转速n d 髓气fj 升程的变化 速率较高，但在高气门升程时比i 切f _ 气道；2 一螺旋气造 切向速度低，这表示螺旋气道产 一，一, 日1 1 m , - 。牧- 稳定。原因是切向气道在气fj 升仟：r l 较低时，气流受到切向 太原珲工人学硕 j 学位论文 2 i 道的影响较小，土要受气门的影响，两般反向的气流在气缸擘的引导 卜形成反向涡流，在横断面上形成般涡流( 图3 - 4 ) ，这种情况沿模拟气 缸套一直要保封h = i 5 d 庀右才汇合成完整的单向涡流，存气f 升程较 大时，这种现象不复存存。若 ，j ；。 采用螺旋气道，由于气流在进、j f ” 入气缸前，已在螺旋气道中形 1 成预涡流，因此即使在气门升 ，一、 程较小时，涡流速率也较高 ； 存h l0 d 左右气翻横剖面匕 的涡流已经稳定。 3 ) 往实际使片j 中还发现t 螺 阔3 - 4 切向气道在气fj 爿程较低 旋气道存宽广的转速范围内 时气缸横4 而上肜成的般涡流 i j 以和供油系统获得较好的 匹配，并且受工岂的影响较 小，因此应川较多，切向气道仅用于需要非常高的涡流强度的场合，同 时它在气缸盖r 1 也较易布置。 1 2 滚流 12 1 滚流强度的计算 9 0 年代捌期，经过对4 气门( 或5 气门) 的帐篷形燃烧室汽油机的 研究