柴油机配气机构课件.ppt
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- 柴油机 机构 课件
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1、目标与要求目标与要求熟悉配气机构的基本功能、组成、分类和工作过程;熟悉配气机构的基本功能、组成、分类和工作过程;掌握充气效率的概念及其影响因素;掌握充气效率的概念及其影响因素;熟悉配气相位和影响配气相位的因素;熟悉配气相位和影响配气相位的因素;了解换气过程和充气效率对发动机性能的影响;了解换气过程和充气效率对发动机性能的影响;熟悉气门组和气门传动组的结构、工作原理;熟悉气门组和气门传动组的结构、工作原理;掌握配气机构的分解、装配、检验和维修方法;掌握配气机构的分解、装配、检验和维修方法;掌握气门间隙的检查和调整方法。掌握气门间隙的检查和调整方法。理论学习理论学习 配气机构概述 一、(一)配气机
2、构的基本功能与组成(一)配气机构的基本功能与组成 配气机构的基本功能是按照发动机各缸的做功顺序和每个气缸工作循环的要求,适时地将各缸进气门与排气门打开或关闭,以便尽可能多的新鲜空气进入气缸并把燃烧后的废气充分排出气缸。配气机构由气门组和气门传动组组成,如图3-1所示。图图3-1 3-1 气门组及气门传动组气门组及气门传动组气门组气门组1.气门组主要由气门(气阀)、气门导管、气门弹簧、气门座、气门油封和气门锁片等组成,其作用是开启和封闭进、排气道。气门传动组气门传动组2.气门传动组主要由凸轮轴正时齿轮、凸轮轴、气门挺柱、推杆、摇臂总成等组成,其作用是使进、排气门按规定的时刻开闭。(二)配气机构的
3、分类(二)配气机构的分类 按每缸气门的数量,配气机构可分为二气门式和多气门式。现代发动机普遍采用多气门结构,常见的为四气门结构,每缸两个进气门、两个排气门。气门数的增加使发动机的进、排气通道的横截面积增加,阻力减小,提高了发动机的充气效率,有利于改善发动机的动力性能。按每缸气门数量分按每缸气门数量分1.按凸轮轴的步骤位置分按凸轮轴的步骤位置分2.(1)凸轮轴下置式。下置式凸轮轴布置离曲轴较近,一般只用一对正时齿轮传动,大多数载货汽车和大中型客车发动机采用这种方式,如图3-2所示。图图3-2 3-2 凸轮轴下置式配气机构凸轮轴下置式配气机构 (2)凸轮轴中置式。为减小气门传动组零件的往复运动惯性
4、力,某些速度较高的柴油机将下置式凸轮轴的位置抬高到气缸体的上部,缩短了气门传动零件的长度,减轻了重量,称之为凸轮轴中置式配气机构,如图3-3所示。由于凸轮轴与曲轴距离较远,因此需在一对正时齿轮中间加一个中间传动齿轮。图图3-3 3-3 凸轮轴中置式配气机构凸轮轴中置式配气机构 (3)凸轮轴顶置式。凸轮轴直接布置在缸盖上。凸轮轴直接通过挺柱来驱动气门,省去了推杆、摇臂等,使往复运动重量大大减小,通常采用此种方式的柴油机额定转速不高,所以这种布置形式很少用在柴油机上。按曲轴和凸轮轴的传动方式分按曲轴和凸轮轴的传动方式分3.按曲轴和凸轮轴的传动方式,配气机构分为齿轮传动式、链条传动式和同步齿形带传动
5、式,中等功率柴油机通常都采用齿轮传动。凸轮轴下置、中置的配气机构大多采用圆柱形正时齿轮传动。一般从曲轴到凸轮轴的传动只需一对正时齿轮,必要时可加装中间齿轮。为了啮合平稳,减小噪声,正时齿轮多用斜齿。在中、小功率发动机上,曲轴正时齿轮通常用钢来制造,而凸轮轴正时齿轮则用铸铁材料。凸轮轴由曲轴正时齿轮驱动。四冲程发动机完成一个工作循环需曲轴旋转两周(720),其间每缸进、排气门各开闭一次,故凸轮轴在一个工作循环中只需旋转一周,因此曲轴转速与凸轮轴转速之比为21,即曲轴正时齿轮齿数为凸轮轴正时齿轮齿数的一半。当凸轮轴上的凸轮基圆部分与挺柱接触时,挺柱不升高,气门处于关闭状态。当凸轮的凸起部分与挺柱接
6、触时,将挺柱顶起,挺柱通过推杆使摇臂绕摇臂轴摆动,摇臂的另一端向下推动气门,压缩气门弹簧,将气门头部推离气门座而打开气道。当凸轮凸起的顶点转过挺柱后,挺柱回落,气门在其弹簧张力的作用下,开度逐渐减小直至重新与气门座接触,使气门关闭。(三)配气机构的工作过程(三)配气机构的工作过程 从上述工作过程可以看出,气门传动组驱动气门开启,而气门的关闭则靠气门弹簧来完成。气门的开闭时刻与规律取决于凸轮的轮廓曲线形状。进、排气门动作原理相同,时间各异。新鲜空气被吸进气缸越多,发动机可能发出的功率越大。新鲜空气充满气缸的程度用充气效率v来表示。所谓充气效率就是在进气冲程中,实际进入气缸内新鲜空气的质量与在进气
7、系统进口状态下充满气缸工作容积的新鲜空气的质量之比。v=M/MO 式中,M为进气过程中实际充入气缸的新鲜空气质量;MO为进气状态下充满气缸工作容积的新鲜空气质量。(四)配气机构的充气效率(四)配气机构的充气效率 充气效率越高,表明进入气缸内的新鲜空气的质量越多,就可以使较多燃料充分燃烧,燃烧时放出的热量就越大,所以发动机发出的功率也越大。对于一定工作容积的发动机而言,充气效率与进气终了时气缸内的压力和温度有关。此时压力越高,温度越低,则一定容积的气体质量就越大,即充气效率越高。由于进气系统对气流的阻力造成进气终了时缸内气体压力降低,又由于上一循环中残留在气缸内的高温废气,以及燃烧室、活塞顶、气
8、门等高温零件对进入气缸的新鲜空气加热,使进气期间空气的温度升高,所以实际充入气缸的新鲜空气的质量总是小于在空气滤清器进口状态下充满气缸工作容积的新鲜空气的质量,即自然吸气的充气效率总是小于1,一般为0.800.90。影响发动机充气效率的因素很多,故提高充气效率也可以从多方面入手。就配气机构而言,主要是要求其结构有利于减小进气和排气的阻力,而且进、排气门的开启时刻和持续开启的时间若比较适当,便会使吸气和排气都尽可能充分。由于凸轮轮廓曲线确定了气门开启和关闭的相位,一种确定了的配气相位只能在某一特定转速时使进排气量达到最优利用,即达到最佳充气效率,因此,现在很多轿车用高速发动机采用可变气门正时或可
9、变气门升程的办法来改善不同转速条件下的充气效率。对于大、中功率柴油发动机而言,因额定转速不高,通常不采用可变气门正时技术。发动机工作时,气门、推杆和挺柱都将因温度升高而膨胀。如果气门及其传动件之间在冷态(常温)时无间隙或间隙过小,那么在热态(工作温度)下,气门及其传动件的受热膨胀势必引起气门关闭不严,造成发动机在压缩和做功冲程中的漏气,使功率下降,严重时甚至不能起动。气门如果关闭不严,气门头部的热量不但不能正常传递给气门座,还可能因高温燃气流过而引起气门和气门座的烧蚀。为了消除这种现象,通常在发动机冷态时在气门与传动机构之间留有适当的间隙,以补偿气门受热后的膨胀量,通常称为气门间隙。(四)气门
10、间隙(四)气门间隙 气门间隙视配气机构的总体结构形式与气门及其传动机构的材质而定,可进行调整。气门间隙的大小一般由发动机制造厂根据试验确定。此间隙也不可过大,若间隙过大,则会使传动零件之间及气门和气门座之间产生撞击和噪声,使磨损加剧;同时也将使气门开度减小、开启的持续时间缩短,降低充气效率,所以保持气门间隙正常对发动机的正常工作相当重要。配气相位就是用曲轴转角表示进、排气门的开启和关闭时刻及开启持续期间,通常用相对于上、下止点位置的曲轴转角来表示。其示意图称为配气相位图,如图3-4所示。配气相位 二、图图3-4 3-4 配气相位图配气相位图 粗略地讲,四冲程发动机进气时,其进气门应当在活塞处在
11、上止点瞬间开启,当活塞运动到下止点瞬间关闭;排气门则应当是在排气冲程中,活塞处于下止点时开启,活塞运动到上止点时立刻关闭。进、排气时间各占180曲轴转角。但是,实际发动机的曲轴转速都很高,活塞每个行程历时都很短,而气门从关闭状态到全开状态,需要有一个过程,需要适当的开启加速度。进气门的配气相位进气门的配气相位1.现代发动机在排气冲程接近终了,活塞到达上止点之前,进气门便开始开启,即曲轴转到活塞处于上止点位置前转角时进气门开始打开,这个角称为进气提前角(见图3-4)。进气门保持打开状态直到活塞过了下止点后又上行,即曲轴转到超过活塞下止点位置以后一个角度时,进气门才关闭,这个角度称为进气滞后角。进
12、气提前角一般为 1030;进气滞后角一般为4080。这样,在整个进气过程中,进气门开启持续时间的曲轴转角,即进气持续角为180+。进气门早开的目的是保证进气冲程开始时进气门已有一定开度,在随后的进气冲程中提前获得较大的进气通道截面,使新鲜气体能顺利地充入气缸。进气门晚关的目的是当活塞到达下止点时,气缸内压力仍低于大气压力,在压缩冲程开始阶段,活塞上移速度较慢的情况下,仍可以利用进气气流较大的惯性和压力差继续进气,因此进气门迟关是有利于充气的。发动机转速越高,气流惯性越大,进气滞后角应取更大值,以充分利用进气惯性充气。在做功冲程接近终了,活塞到达下止点前,排气门便开始开启,提前开启的角度称为排气
13、提前角,一般为4080。经过整个排气冲程,在活塞越过排气上止点后,排气门才关闭,排气门关闭的延迟角称为排气滞后角,一般为1030。这样,在整个排气过程中,排气门开启持续时间的曲轴转角,即排气持续角为180+。排气门的配气相位排气门的配气相位2.排气门早开的目的是利用做功过程后期,当活塞接近下止点时,气缸内的气体仍有300500 kPa的压力,但就活塞做功而言作用不大,这时若稍稍提早开启排气门,大部分废气在此压力作用下可高速从缸内排出,以减小后续排气冲程消耗的功。当活塞下行到下止点时,气缸内压力大大下降(为110120 kPa),这时排气门的开度进一步增加,从而减小了活塞上行排气时的阻力。高温废
14、气的迅速排出,还可以防止发动机过热。排气门晚关的目的是当活塞到达排气上止点时,燃烧室内的废气压力仍高于大气压力,加之排气时气流有一定惯性,所以排气门迟关可以使废气排放得较完全。此外,在采用废气涡轮增压的发动机上,因排气门早开而浪费的那部分废气能量还可以得到回收利用。气门叠开气门叠开3.同一气缸的工作行程顺序是排气冲程后便是进气冲程。因此,在实际发动机中,在进、排气冲程的上止点附近,由于进气门在上止点前即开启,而排气门在上止点后才关闭,这就出现了在一段时间内进气门与排气门同时开启的现象,这种现象称为气门重叠(见配气相位图),重叠的曲轴转角+称为气门重叠角。由于进入气缸的新鲜气流和排出气缸的废气气
15、流的流动惯性都比较大,在短时间内会各自保持原来的流动方向,因此只要气门重叠角选择适当,正常工况下不会产生废气倒流入进气管或新鲜空气随同废气排出的情况,这将有利于气缸换气。但应注意,如气门重叠角过大或者排气门间隙过大,就可能出现废气倒流,进气量减少,发动机异响。对于不同发动机,由于结构形式、额定转速各不相同,因而配气相位也不相同。合理的配气相位应根据发动机性能要求,通过反复试验确定。气门组 三、气门组包括气门、气门座、气门导管、气门油封和气门弹簧等主要零部件,如图3-5所示。图图3-5 3-5 气门组气门组 为保证气门能够实现对气缸的密封,对气门组的要求如下。(1)气门头部与气门座贴合严密。(2
16、)气门导管与气门杆的上下运动有良好的导向。(3)气门弹簧的两端面与气门杆的中心线相垂直,以保证气门头在气门座上不会偏斜。(4)气门弹簧的弹力足以克服气门及其传动件的运动惯性力,使气门能迅速关闭并保证气门紧压在气门座上。汽门汽门1.气门分进气门和排气门两种。进、排气门都由头部和杆部两部分组成。头部用来封闭进、排气道,工作时温度很高(进气门的温度可达570670 K,排气门的温度更高,可达1 0501 200 K),而且还要承受气体压力和气门弹簧力及传动组零件惯性力的作用,其冷却和润滑条件又较差,因此,要求气门必须具有足够的强度、刚度、耐热和耐磨能力。进气门的材料通常采用合金钢(如铬钢或镍铬钢等)
17、;排气门则采用耐热合金钢(硅铬钢等)。为了节省耐热合金钢,有的发动机的排气门头部用耐热合金钢制造,而杆部则用铬钢制造,然后将两者焊在一起。由于柴油机的压缩比高,燃烧室容积小,因此柴油机的气门通常为平顶,如图3-6所示。图图3-6 3-6 气门气门 气门头部有密封锥面,是与杆身同心的圆锥面,用来与气门座接触,起到密封气道的作用。气门密封锥面与顶平面之间的夹角称为气门锥角,通常排气门锥角为45,进气门锥角为30,如图3-7所示。图图3-7 3-7 气门锥角气门锥角 气门头的边缘应保持一定厚度,通常最小厚度为23 mm,以防止工作中由于气门与气门座之间的冲击而变形损坏。为了减小进气阻力,提高气缸的充
18、气效率,多数二气门发动机进气门的头部直径比排气门的大,而四气门发动机的进、排气门头部直径通常相同。康明斯四气门柴油机排气门头部中央有一个小窝,以方便区分进、排气门。为保证良好密合,装配前应将气门头与气门座两者的密封锥面互相研磨,研磨好的零件不能互换,否则将破坏其密封性。为了改善气门头部的耐磨性和耐腐蚀性,有的发动机在排气门密封锥面上堆焊一层含有大量镍、铬、钴等金属元素的特种合金。气门头部的热量通过气门座及气门杆和气门导管传向气缸盖。为了提高气门头部的散热性能,气缸盖内气门座孔区域设有水腔,加强冷却。气门头部向气门杆过渡部分的几何形状应尽量做到圆滑,以增加强度并减少热流阻力。气门杆与气门导管之间
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