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车用发动机气门间隙的确定与调整

作者: 来源: 发布时间:2018-2-11 16:12:47  点击数:331
1 前言
发动机的气门机构是整个配气系统的重要组成部分。它的作用是在发动机工作过程中,保证发动机在进气阶段能吸进尽量多的燃气混合气或空气,同时在发动机压缩和做功阶段进行可靠地密封。因气门机构承受来自发动机燃烧时的高温,又受到来自进气的冷却,所以其工作环境极为恶劣。气门机构随发动机类型的不同,在结构上差别很大。对四冲程发动机而言,因为发动机的转速不同,气门机构的型式也不一样。另外,由于燃烧时温度的作用,气门杆因直接受燃气加热而造成热膨胀,因而为了使气门在任何情况下,甚至在发动机过热时都能保证可靠地密封,必须在气门头部预留一定的间隙,以便气门及其传动机构在受热伸长时气门仍能配合紧密。气门间隙的大小目前厂家主要依靠经验方法决定。若该间隙过小,则发动机受热时可能会关闭不严,形成漏气以致使发动机功率下降和性能恶化。间隙过大,则会使传动系的零件之间产生撞击,加速磨损,同时气门的打开时间减少,造成充量不足,致使发动机功率下降。因此,气门间隙的确定是非常重要的。
但是随着发动机技术的不断进步,各种不同气门机构层出不穷,故对气门间隙的要求也不同。比如,有的发动机配气机构需要气门间隙,而有的又不需要,有的发动机给出冷态间隙,有的给出热态间隙,还有的同时给出冷热态间隙。种种不同的规定,常常给实际工作带来极大的不便。本文将根据不同的气门机构,阐述气门机构与气门间隙间的关系。
2 气门机构的类型
2.1 侧置式气门
侧置式气门机构的凸轮轴高置。气门由凸轮驱动挺柱,然后由挺柱推动气门。该机构的传动链较短、结构简单、动力响应较好。过去我国一汽的ca10b汽油机就是采用这种系统。但是,因为这类发动机进气道转角太大,而且火焰传播距离较长,不利于提高发动机性能,所以除小型割草机和扫雪机的发动机之外,大功率和高转速的汽油机已基本不再使用该结构。见图1所示。
2.2 凸轮轴高置的顶置式气门
凸轮轴高置的顶置式气门机构的驱动方式是由凸轮驱动挺柱、推杆和摇臂,再由摇臂推动气门。我国一汽和二汽的ca141、eq6100就是采用这种机构。该机构的传动链较长,不适于高速发动机。其结构见图2所示。

图1 凸轮轴高置的侧置式气门 图2 凸轮轴高置的顶置式气门
2.3 凸轮轴顶置式气门
凸轮轴顶置式气门机构是曲轴通过齿形带或链条直驱凸轮轴,因而气门机构的刚性好,适用于高速发动机,也是轻型车和轿车发动机目前最常用的型式。它的工作方式一般有如下几种:(1)凸轮直驱型;(2)凸轮压摇臂,摇臂压气门型;(3)凸轮顶摇臂,摇臂压气门型。以上各种机构的简图见图3(a)、(b)、(c)所示。

(a)凸轮直驱型 (b)凸轮压摇臂型 (c)凸轮顶摇臂型
图3 凸轮轴顶置式气门
3 各种气门机构与气门间隙的关系
气门机构与间隙之间的关系是根据具体结构类型来确定的。一般来说,气门机构的传动链越长所承受的热负荷越大,则该间隙就应越大,反之亦然。在上述各类气门机构中,侧置式气门和凸轮轴高置的顶置式气门都是需要气门间隙的。
在凸轮轴顶置式气门机构中,凡采用液压挺柱的都不需要常规的气门间隙。如德国的bmw公司94年生产的316i/318i轿车用4缸机、美国福特公司的cvh系列汽油发动机均采用这种带液压挺柱的机构。这类机构气门杆身产生的热膨胀是由液压机构进行补偿的。但如果不是液压挺柱机构,即使是顶置凸轮轴,也应该有气门间隙。如德国大众汽车公司的高尔夫轿车发动机,就曾采用凸轮直驱式的顶置式凸轮机构,其气门间隙的调整是通过垫块来进行的,垫块按0.05mm为一档分组进行调整。近年来,新推出的高尔夫轿车发动机虽仍然采用同样的气门机构,但气门头部的垫块则改用了新型的液压垫块,免去了调间隙的麻烦。采用同样结构的还有1993年德国奔驰公司生产的om600系列四气门轿车用柴油机、美国福特公司的tci1.8升轿车用柴油机、德国大众汽车公司的tdi1.9升轿车用柴油机、桑塔纳和捷达牌轿车用发动机等等。这种带液压机构的挺柱见图4所示。

图4 液压挺柱示意图
4 气门间隙的确定
气门头部顶面直接与高温燃气接触,所以进排气门都受热,而且排气门在排气过程中还要受到高温燃气的冲刷,尤其在排气门刚开启时气缸内压力还比较高,此时排气门开度较小,高温燃气以很高的速度从气门与气门座之间冲出,所以排气门的受热更严重。在汽油机中,进气门的温度达300℃~500℃,排气门温度可高达600℃~800℃,强化后的高速柴油机排气门温度也可达到上述水平。经研究表明,气门所受到的热约76%由气门座散走,其余经气门杆和气门导管散走[1]。排气门温度的分布见图5所示。图中上部表示沿气门的径向温度分布,右侧表示出沿气门轴向的温度分布。

(a)汽油机(b)柴油机
图5 排气门典型温度分布
4.1 气门间隙的精确计算
气门间隙的计算是沿着气门座密封带起,经气门头、气门体、摇臂、摇臂轴到缸盖,再回到气门座构成一个封闭型热膨胀环来进行计算。由气门体在发动机最高热状态时与常温状态时产生的热膨胀与其余各项对应的热膨胀量之差值,得出气门冷态间隙值δ。
(1)
式中α1为气门材料的热膨胀系数,αi为摇臂、摇臂轴以及缸盖对应材料的线性热膨胀系数。式中的前一项δ1为气门体的热膨胀量,后一项δ2为构成封闭热膨胀环的其余各项的热膨胀量。其中δt(l)为气门体的温度分布规律。
4.2 气门间隙的近似估算
在实际工作中,特别是发动机设计之初,并不清楚气门机构真实的热状态,故难以精确给出气门体的温度分布规律。因此,除了参照同类机型的数值外,还可以采用近似估算方法。此方法是将气门的温度区简略分为两个,一个是高温区,即气门头部及杆身接合部l2;另一为低温区,即杆身部分l1,其气门体如图6所示。这样气门在承受最高热负荷时,整个气门的热膨胀量可按下式进行计算,并求得气门间隙δ,计算方法如下:
δ=δ1+δ2-δ3
=α1(δt1l1+δt2l2)-α2δt3l0(3)

图6 气门体示意图
式中α1是气门材料的热膨胀系数,α2是缸头材料的热膨胀系数,δ1、δ2为气门的热膨胀量,δ3为缸盖的热膨胀量,δt1是l1段的平均温度,δt2是l2段的平均温差,δt3是缸盖气门底座至摇臂轴支点的距离l0的平均温差。。
5 冷热态气门间隙之间的关系
发动机气门间隙的大小一般给出冷态数值,但也有给出热态间隙的,有的发动机冷、热态的气门间隙数值同时给出,这就给检查与调整发动机的气门间隙大小带来了很大的方便。但发动机气门间隙的冷热态数值是不同的,通常铝合金缸盖热态间隙要比冷态间隙稍大一些,约0.05mm左右。由于气门间隙是补偿气门受热膨胀量的,所以热态气门间隙数值要比冷态的大些。出现这种情况的原因是测定气门间隙时发动机已停止工作,原来考虑到给气门热膨胀的补偿此时已经不存在。另外,不同材料对气门间隙亦有影响,铝合金缸盖材料的温升造成自身的热膨胀量要比采用合金钢材料的气门杆身的热膨胀量来得大,因此两者之间在热态时的气门间隙要比冷态时稍大一些。比如我国的462型汽油机,其冷态间隙为0.13mm~0.18mm,但在热态时为0.15mm~0.23mm[2]。又如美国克莱斯勒的1.6升发动机,冷态间隙进气门为0.25mm,排气门为0.30mm,其热态间隙进气门为0.30mm,排气门为0.35mm[3]。若缸盖是铸铁的,则气门间隙在热态时与冷态时基本一致或热态要比冷态略小,原因是铸铁的热膨胀系数比气门材料的膨胀系数要稍小一些。
6 结论
发动机的气门间隙是影响其性能的重要参数,也是日常维修和保养发动机时经常要接触到的技术参数。为了保证发动机能发出应有的功率和具有较长的寿命,正确地控制气门间隙大小并使其在合理的范围内工作是非常重要的。本文提出的气门间隙的精确计算和简略估算公式,为新设计的发动机气门间隙的确定及避免盲目性提供了一个基本方法,亦为发动机的调整与维护提出了有益的参考依据。同时该公式也给气门间隙在冷热时数值的不同提供了合理的物理解释。

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