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柴油發動機配氣機構的分類、氣門組件和傳動組件的結構與作用 |
摘要：配氣機構是柴油發電機進氣和排氣的控制機構，它按照柴油發電機各氣缸工作次序，通過控制進氣門和排氣門的開啟和關閉來保證在規定的時間內有足夠的新鮮空氣進入氣缸，并把燃燒后的廢氣從氣缸內盡可能徹底的排出。本文主要介紹柴油發動機配氣機構的分類、氣門組件和傳動組件的結構與作用。
一、配氣機構的分類
配氣機構通常有氣門式和氣孔式兩種型式。氣門式配氣機構由凸輪驅動氣門以控制進排氣過程，是四沖程柴油發電機常用的一種型式，如圖1所示；而氣孔式配氣機構是在氣缸中間開有進排氣孔并通過活塞的控制進排氣過程，這種機構在二沖程柴油發電機上應用較多。
目前，四沖程發動機最常用的是氣門式配氣機構。氣門式配氣機構又分為側置式和頂置式兩類。
1、側置式氣門機構
側置式氣門機構的進排氣門都布置在氣缸體的一側，它是通過凸輪軸推動挺柱和推桿來控制氣門開啟和關閉。側置式氣門機構一般適用于單缸柴油發電機。
2、頂置式氣門機構
頂置式氣門機構是柴油發電機使用最廣泛的，它主要由氣門組件、氣門傳動機件、進排氣系統和柴油發電機增壓系統組成。
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圖1 四沖程柴油機配氣機構示意圖 |
圖2 頂置式配氣機構結構原理圖 |
二、氣門組件的結構及功用
氣門組件主要是用來密封柴油發電機的進氣道和排氣道，并保證柴油發電機正常換氣。其主要組成部件是氣門、氣門彈簧、氣門導管、氣門座圈及鎖緊裝置等。氣門組件在整個柴油發電機中的潤滑和冷卻條件極差，且受到交變載荷的沖擊和高溫、腐蝕等的影響，因此這部分零件極易發生故障。氣門組件損壞后，柴油發電機會出現很多散障現象，例如油耗增加、功率降低、起動困難和排煙異常等。
1、氣門
（1）氣門分進氣門和排氣門。
（2）氣門的功用是密封燃燒室，并使柴油發電機的各氣缸得到正常換氣。
（3）氣門主要由頭部和桿部兩部分構成。氣門頭部的形狀有平頂、凸頂和凹頂，目前使用較多的是平頂，這主要是因為平頂氣門的頭部形狀簡單、制造方便，受熱面積小等特點。
柴油發電機為了提高燃燒室內的進氣量，進氣門的頭部一般做的比排氣門大，因為增大進氣門可以減小進氣阻力，增大進氣量，這比增大排氣們減小排氣阻力更為有效。氣門密封錐面的斜角也不同，進氣門一般采用30℃的斜角，排氣門一般采用45℃的斜角。進氣門的錐面采用30℃的斜角，主要是因為較小的錐面斜角可使氣流通過斷面的流量增大。現代發動機普遍采用多氣門結構（3～5氣門，如圖3~5所示），且多將同名氣門排成一列，分別用進氣凸輪軸和排氣凸輪軸驅動 。
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圖3 三氣門結構圖 |
圖4 四氣門結構圖 |
圖5 五氣門結構圖 |
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2、氣門導管
氣門導管給往復運動的氣門起著導向的作用，并保證氣門頭部準確地落在氣門座上，同時還能夠把氣門的部分熱量傳出去。氣門導管一般采用鑄銖鑄成，由于它在高溫和潤譴條件較差的環境下工作，所以該部件較易出現磨損現象。氣門導管與氣門桿部在長期的相對運動的磨損中，易使兩者之間的配合間隙增大。正常情況下，進氣門與導管的間隙為0.09左右，排氣門與導管的間隙約為0.12mm，當間隙增大到極限值0.26mm時，氣門導管與氣門應成對換新。若裝配時間隙過小，則易出現氣門卡死現象。
3、氣門座圈
氣門座圈是為往復運動的氣門而設計的，它與氣門一起用來密封燃燒室。氣門座圈一般采用耐熱鑄鐵制造，并壓人氣缸蓋中心氣門座圈長期受到氣門的連續沖擊和高溫、高壓氣體的腐蝕，在使用過程中特刑容易發生故障。在長期的工作中氣門座圈的錐面容易產生麻點、凹坑、座圈縮短和磨損變寬等現象。
4、氣門彈簧
氣門彈簧的功用是克服在氣門關閉過程中氣門及傳動件的慣性力，防止各傳動件之間的慣性的作用產生間隙。保證氣門及時坐落并緊密接觸，防止氣門在發動機震動時發生跳動，破壞其密封性。氣門彈簧多為圓柱型螺旋彈簧，其材料為高碳錳鋼冷拔鋼絲，加工后熱處理，鋼絲表面要磨光、拋光或用噴丸處理。為了防止生銹，表面鍍鋅。氣門彈簧的一端支承在氣缸蓋或氣缸體上，而另一端則壓靠在氣門桿端的彈簧座上，彈簧座用鎖片固定在氣門桿的末端。
三、氣門傳動組
氣門傳動組主要包括凸輪軸、正時齒輪、挺柱及其導桿，推桿、搖臂臂和搖臂軸等，其作用是使進排氣門按配氣相位規定的時刻進行開閉，并保證有足夠的開度。
1、凸輪軸
（1）凸輪軸是配氣機構的關建部件，由它控制氣門的配氣相位，有些發動機還用來驅動機油泵、柴油泵和分電器。凸輪軸主要由進排氣凸輪、支撐軸、正時齒輪軸、柴油泵偏心凸輪、機油泵及分電器驅動齒輪等組成的。
（2）為了保證配氣機構正常工作，凸輪在凸輪軸上的相對角位置有嚴格的要求。同一缸的各排氣凸輪的相對角位置，保證一個工作循環中的配氣相位；各缸進氣（或排氣）凸輪的相對角位置、則應與發動機的點火次序相一致。因此，只要知道了凸輪軸的旋轉方向，以及各進氣凸輪（或排氣凸輪）的工作次序，就不難判斷發動機的點火次序。對四缸四行程發動機的凸輪軸，其同名凸輪間的夾角為業四行程六缸發動機同名凸輪間的夾角為360W=60/6=60。
（3）凸輪軸通常由曲軸通過一對正時齒輪驅動，在裝配曲軸和凸輪軸時，必須將正時記號對準，以保證正確的配氣相位和發火時刻。為了防止凸輪軸的軸向移動，凸輪軸必須有軸向定位裝置。現代發動機的凸輪多采用止推凸緣定位裝置，即將止推凸緣裝在凸輪軸第一道軸頸前的凸臺上，凸臺比止推凸緣厚，以保證止推凸緣與正時齒輪之間的軸向間隙符合規定（一般為0.05~0.10S）。
（4）凸輪軸的材料一般用優質鋼模鍛而成，也可以采用合金鑄鐵或球墨鑄鐵鑄造，凸輪和軸徑的工作表面一般經過熱處理后精磨，以改善耐磨性。
（5）根據頂置凸輪軸的個數，分為單頂置凸輪軸（SOHC）和雙頂置凸輪軸（DOHC）兩種，分別如圖6、圖7所示。
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圖6 單頂置凸輪軸示意圖 |
圖7 雙頂置凸輪軸示意圖 |
2、氣門挺柱
挺柱的功用是將凸輪的推力傳給推桿（或氣門桿），并承受凸輪軸旋轉時所施加的側向力。對于氣門側置式配氣機構，其挺柱一般做成菌式，在挺柱的頂部裝有調節螺釘，用來調節氣門間隙。氣門頂置式配氣機構的挺柱一般制成筒式，以減輕重量。所示為滾輪式挺住，其優點是可以減小摩擦所造成的對挺柱的側向力。這種挺柱結構復雜，重量較大。一般多用于大缸徑柴油機上。挺柱常用鎳鉻合金鑄鐵或冷激合金鑄鐵制造。其摩擦表面應經熱處理后精磨。有的發動機的挺柱直接裝在氣缸體上相應處鉆出的導向孔中，也有的發動機的挺柱裝在可拆式的挺柱導向體中。
3、推桿
推桿的作用是將從凸輪軸經過挺柱傳來的推力傳給搖臂、它是氣門機構中最易彎曲的零件。要求有很高的剛度，在動載荷大的發動機中，推桿應盡量地做得短些。對于缸體與缸蓋部是鋁合金制造的發動機，其推桿最好用硬鋁制造。推桿可以是實心，或空心的．鋼制實心推桿，一般是同球形支座鍛成一個整體，然后進行熱處理。
4、搖臂與搖臂軸
實際上是一個雙臂杠桿，用來將推桿傳來的力改變方向，作用到氣門桿端以推開氣門。搖臂7的兩邊臂長的比值（稱為搖臂比）約為1.2～1.8，其中長臂一端是推動氣門的。端頭的工作表面一般制成圓柱形，當搖臂擺動時可沿氣門桿端面滾滑。這樣可以使二者之間的力盡可能沿氣門軸線作用。搖臂內還鉆有潤滑油道和油孔。在搖臂的短臂端螺紋孔中旋入用以調節氣門間隙的調節螺釘，螺釘的球頭與推桿頂端的凹球座相接觸。
搖臂通過襯套空套在搖臂軸上，而后者又支承在支座上，搖臂上還鉆有油孔。搖臂軸為空心管狀結構，機油從支座的油道經搖臂軸內腔和搖臂中的油道流向搖臂兩端進行潤滑。為了防止搖臂的竄動，在搖臂軸上每兩搖臂之間都裝有定位彈簧。
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