柴油发动机新型配气机构设计方案

高梅 火箭军士官学校

柴油机的问世虽然比汽油机晚，但在近百年的发展过程中，柴油机已充分显示出了它的实用价值和适应性。柴油机作为汽车和各种工程机械动力装置已经在许多地方取代了汽油机，特别是在重型载货汽车、工程机械和军用车辆中，几乎已经全部以柴油机为动力，并且在中型载货汽车方面柴油机已经占了主导地位，甚至作为客运汽车和轿车的动力也在逐年增多。柴油机在发展中不断地克服自身的缺点，不断地完善并提高各项性能指标。由于工作循环中加热方式和混合、燃烧机理上的差别，柴油机的有些优点和发展潜力是汽油机无法比拟的。本设计是一项发明创新性设计，如今在发动机设计方面是一种新的设计思路，主要是解决柴油发动机进、排气门如何实现同时进、排气的问题。打破了进、排气门的划分，将进、排气用同一个气门来完成。其目的在于增强进、排气能力、提高发动机功率、降低油耗。我认为这种结构设计有很高的研究价值，会对发动机的发展产生很大的影响。

一、设计方案构思来源

通过对汽车专业课的学习，在掌握了汽车发动机的总体结构及构造的基础上，特别对柴油发动机进行了深入的研究和探讨。在学习了《汽车新技术》后，针对柴油发动机的优、缺点，产生了对柴油发动机进行改进的想法。决定对柴油发动机进行改进。

二、设计方案可行性论证

提出设计方案，根据柴油发动机的特点，要想增大进气量，方法之一是增加气门数，但是发动机缸盖空间比较小，无法增加气门，所以想通过把一个进气门、一个排气门的结构改成两个气门既是进气门又是排气门的结构，这就相当于增加了气门数，对气门的设计变成对进排气道的设计，也就是用何种方法来实现两气门同时进、排气的构想。通过结构分析，提出设计方案：旋转式进排气道设计。对方案论证，旋转式进排气道设计结构为：进、排气道改成一个中间用斜板隔开的，能旋转的，并带有凸轮的，旋转式换气道凸轮轴。工作原理：将下置式的凸轮轴改为换气道凸轮轴，换气道凸轮轴上的凸轮只用来控制气门的开启与关闭，进、排气由旋转气道来实现。优点：旋转气道中间的斜板用隔热材料制成，这样排气时的高温余热对进气时的充量系数影响很小，换气道凸轮轴可以直接用正时齿轮带来驱动，所以传动准确、方便、容易实现，取消了挺杆孔，使发动机体积减小。确定设计方案，通过对设计方案优的论述，下面将从发动机的结构、工作原理等方面介绍改进后的气缸盖、换气道凸轮轴（旋转式进排气道），用以更加直观的说明其结构及工作原理。

三、新型气缸盖设计

气缸盖的结构设计说明：气缸盖的设计，通常是在柴油机的缸径和行程决定后，配合柴油机总体设计和机件结构布置，进行气缸盖的初步方案设计。设计气缸盖时，首先考虑采用何种燃烧室、配气机构等的方案及其布置，但最重要的是几个缸共一盖和每一个缸用几个气门的问题。另外，气缸盖螺栓的布置，对气缸盖垫片的密封效果及其机体受力状况影响也不小。因为本设计是原机改进设计，所以对气缸盖上不需要改进的地方将保留原构造。由于热负荷的升高，产生高的热应力与温度，要求气缸盖底部为薄壁结构（即气缸盖底面最好设计成中部稍薄，而周围稍厚的结构型式）。换气道凸轮轴在气缸盖内占有很大的空间，它对柴油机的换气质量有影响，从而也影响着柴油机的工作性能。换气道凸轮轴由于其形状复杂，需进行单独加工，在气缸盖上铸出安装换气道凸轮轴的安装孔，然后对其进行加工以便安装换气道凸轮轴。换气道凸轮轴在铸造时要求内表面光滑，以减小进、排气流阻力。在气缸盖上布置有气缸盖螺柱孔、冷却水腔和通向摇臂轴座的润滑油道孔，这些孔道均与机体上平面的相应孔道对应。

四、气道的布置

为了增大进气量，主要对气道进行了改进。在缸盖上设计一个套筒穿入缸盖里面尽量靠近气门的位置，作为气体流动的通道。同时也是冷却水腔的隔离套，使排气时换气道得到更好的冷却，改善换气道得工作环境。靠近气门的位置开两个孔，套筒里面设计有可以旋转的换气道凸轮轴，气道中间布置一斜板，将进、排气道隔开，斜板可以加入耐热材料，尽量减少排气高温余热对进气的影响。凸轮轴旋转到一定角度，为进气阶段，排气口被斜板挡着，不致于使刚进入的新气从排气口流走。待凸轮轴继续旋转过另一角度，成为排气阶段，进气口又被堵住，以便废气能够完全排除。这样的设计可大大提高进气量，使废气尽可能多的排除。柴油机进排气管多在气缸盖的两侧，避免排气管加热进气管，以提高充量系数，所以气缸盖中进、排气管引向不同的侧面。设计中存在的不足：套筒壁可能在加工过程中有一定的困难，因为太薄而不易加工，如果设计的再厚一点，可能在缸盖的边缘没有足够的余量。由于套筒要承受热负荷的反复作用，所以它的材料用灰铸铁。

五、换气道凸轮轴的布置与传动

凸轮轴是气门机构的驱动元件，它的凸轮不仅要有合理的形状，而且要求表面耐磨，能在长期使用中基本保持设计给出的合理形状。为了配合气门的准确的开启和关闭，保证配气正时，新设计了凸轮轴—换气道凸轮轴，把它置入套筒内，通过其旋转来控制进、排气。在轴的一端设计一凸轮，通过摇臂来控制气门的开启与关闭。凸轮外面还有齿轮，与曲轴的正时齿轮用正时齿轮带连接。设计中存在的不足：排气温度比较高，可能会使套筒烧坏，由于此设计水套不好布置，其冷却效果可能不太好，重新设计了凸轮，其配气正时不够精确。由于凸轮轴一端需要有轴承控制其轴向窜动，但是间隙太小，所以轴承的制作也是一个不太好解决的问题。