内燃机设计--配气机构

第1章
1.1 汽油机的发展
1886年1月29日，德国人奥姆勒和卡尔.本茨在里诺卧式气压煤气发动机以及四冲程理论的基础上制造出了第一台汽油发动机，使汽车正式进入汽油动力时代。1886年卡尔·本茨制造出世界上第一辆以汽油为动力的三轮汽车。该车装有卧置单缸二冲程汽油发动机,785CC容积,0.89匹马力,每小时行走15公里。
图2-3 气门头部的形式图
本次设计选用气门头顶面为平顶形状。现确定气门头部直径 ,气门座合面角ɑ，气门座合锥面宽度b和气门升程 。
根据气缸换气良好的要求，气门头部直径 应大些。为了提高进气充量，减小排气门的热负荷，通常将进气门直径设计的比排气门直径大10%—20%。当每缸四门结构时：
气道的喉口直径为 ,可取为30mm。
图21顶置气门配气机构中置凸轮轴式中置凸轮轴式的配气机构凸轮轴位于机体上部与下置凸轮轴式的配气机构相比减少了推杆或者推杆较短从而减轻了传动机构的往复运动质量增大了顶置凸轮轴式传统的顶置气门机构中气门布置在气缸盖中而凸轮轴一般都布置在曲轴附件的机体使机构复杂提高了制造成本
材料：进气门为中碳合金钢、耐热合金钢；排气门为耐热合金钢。
形状、结构：气门头顶面为平顶、球面顶、喇叭顶。其中，平顶机构简单、制造方便，目前使用最多；球面顶强度高、排气阻力小、废气的清除效果好，用于排气门；喇叭顶进气阻力小、顶部受热面积大，用于进气门。
1)气门头部的设计
气门头部的形状和基本尺寸直接影响气门刚度、气体的流动阻力、以及气门的制造工艺。
缸内直喷、机械增压
2.1 配气机构的总体布置
2.1.1顶置气门凸轮轴的布置
现代内燃机均采用顶置气门，即进、排气门置于气缸盖内，倒挂在气缸顶上。气道平滑，充气效率高价现代内燃机设计多采用这种结构模式。根据凸轮轴的位置的不同，分为下置式、中置式和顶置式3种。
1)下置凸轮轴式
凸轮轴位于曲轴箱内的配气机构为下置凸轮轴式的配气机构。内燃机工作时，曲轴通过正时齿轮副驱动凸轮轴旋转，凸轮轴再通过挺柱、推杆及摇臂控制气门的开启和关闭。这种配气机构，凸轮轴离凸轮近，可以简单地用一对齿轮传动，简化了曲轴与凸轮轴之间的传动装置，有利于发动机的布置。但是凸轮轴与气门相距较远，动力传递路线较长，零件多，整个机构的刚度差。在高转速时，可能破坏气门的运动规律和气门的正时启闭，因此不适用于高速内燃机，多用于转速较低的内燃机。
1.2 配气机构发展及现状
配气机构的作用是按照发动机每一气缸内进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭进、排气门，使新鲜空气及时进入气缸，废气及时从气缸排出。传统的凸轮配气机构由气门组和传动组构成，气门组包括气门、气门座、气门导管、油封、气门弹簧、气门锁夹等零件，传动组由凸轮轴、凸轮、挺柱、推杆、摇臂组等组成。凸轮轴的驱动机构，有齿轮传动、链传动和同步齿形带传动。现在凸轮轴一般都是顶置式，即顶置凸轮轴技术，分为单顶置凸轮轴和双顶置凸轮轴。
3.0TFSI发动机在尺寸上非常紧凑，大量零部件采用集成化设计，既兼顾了强度，也节省了空间，位于V型气缸中间的机械增压器下面直接集成了中冷，充分利用了V型气缸夹角内的空间，附件的布置也充分利用发动机下部左右的空间，使其在宽度上得到控制，使得A4的发动机舱也能够容纳下这样一款正经的V6发动机。
发动机的轻量化也是其实现良好通用性的基础，硅铝合金铸造的曲轴箱和缸体为这台发动机减轻了不少体重，曲轴箱仅有33公斤，包括增压器在内的发动机的重量也不过189公斤，已经和2升左右排量的铸铁直列4缸发动机非常接近。发动机的具体技术参数见下表。
本次设计的配器机构为V型六缸汽油发动机的配器机构，根据同类发动机的性能要求，考虑到车用汽油机高速要求，减轻传动机构运动件质量，本次设计选用顶置双凸轮轴的配器机构。
2.1.
图2-2配气机构传动形式
按曲轴与凸轮轴一的传动方式有链条与齿轮传动以及齿形皮带传动。齿轮传动准确性和可靠性好，但噪声较大。为了啮合平稳减少噪声，正时齿轮多采用一斜齿轮。在中小功率的内燃机上，曲轴正时齿轮用钢制造，而凸轮轴齿轮则用铸铁或夹布胶木制造以减少噪声。这种传动方式多用于下置凸轮轴式或中置凸轮轴式配气机构。另这种传动方式主要用于要求长寿命和大载荷的内燃机,链条传动，是在、曲轴和凸轮轴上各布置一个链轮，由、链、条驱动凸轮轴、转动。常用的链条传动有单列链和双列链。单列链传动，中，曲轴通过链条驱动凸轮轴。为防止链条,因磨损松弛而产生定时误差，在链条侧面设肴张紧机构和链条导板，用以调整链条的张力。双列链传动中，轮之间，布置了一个惰轮，利用惰轮实现凸轮轴的双级减速。在凸轮轴链轮和曲轴、链传维链条一传动可靠性好、动阻力比齿轮小，在内燃机的布置上也比较容易。但润滑要求高、传动噪声较大、护比较麻烦。这种传动方式多用于轿车顶置凸轮轴式配气机构。齿形皮带传动就是在以合成橡胶为基体的传动带上压出齿形，与传动齿轮啮合而传递转矩。目前，常用的齿敬带材料是高分子氯丁橡胶，中间夹有玻璃纤维和尼龙织物，以保证齿形带有较大的强度和较小的拉伸变形。齿形带的优点是无须润滑，工作噪声小，和链条相比，寿命略短。这种传动方式多用于顶置凸轮轴式配气机构。
改变内燃机气门开启持续时间、气门升程和气门正时等，使其随着内燃机工况变化而变化，改善怠速的稳定性、增加低速下外特性转矩、改善内燃机部分负荷时的燃油经济性和减少有害排放。发动机转速不同时，对配气定时要求不同。高转速下可以充分利用进气惯性而提高进气量和扫气效率，所以气门早开晚闭，低转速反之。为了使高速和低速都能得到最佳的配气定时，20世纪80年代后，出现了可变配气定时的控制机构，通过改变配气定时和气门运动规律实现不同速度的配气要求。1989年本田首次发布了“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”，也就是我们常见的VTEC。此后，各家企业不断发展该技术，到今天已经非常成熟，如丰田VVT-i，保时捷Variocam，现代DVVT，宝马Valvetronic等。
图1-2 进气道喷射示意图 图1-3 缸内直喷示意图
进气道喷射由于内燃机构造的先天限制，电喷喷嘴安装在气门旁，只有在气门打开时才能完成油气喷射，因此喷射会受到开合周期的影响，产生延迟，因而影响电脑对喷射时间的控制。因此出现了缸内喷射，喷油嘴被移到了汽缸内部，因此缸内油气的量不会受气门开合的影响，而是直接由电脑自动决定喷油时机与份量，至于气门则仅掌管空气的进入时程，两者则是在进入到汽缸内才进行混合的动作。与多点气道喷射的汽油机相比，缸内喷射能有效降低发动机的未燃碳氢化合物的排放，使汽油在燃烧室内雾化、蒸发，降低了燃烧室内空气的温度，从而增加了燃烧室内空气的质量，使发动机能很容易实现分层燃烧，提高发动机的热效率。一般而言，应用了缸内直喷技术的发动机要比同排量的多点喷射发动机的峰值功率提升10%-15%，而峰值扭矩能提升5%-10%。
这款机械增压发动机使用罗茨式机械增压器，两个四叶转子能够以每分钟2万3千转的速度为发动机提供压缩空气。由于靠曲轴驱动，因此在响应速度上比涡轮增压更有优势。它的峰值扭矩在2900rpm即可到来，440牛米的扭矩可以一直持续到5300rpm。
机械增压器布置于呈90°夹角的气缸的进气歧管处，显然增压后的进气路径很短，这意味着更快的油门响应。这款发动机可以在5500rpm时达到333马力（245Kw）的最大功率。官方资料显示,搭载3.0TFSI的奥迪S5Couped 0-100km/h加速时间仅需4.9秒。
图2-1顶置气门配气机构
2)中置凸轮轴式
中置凸轮轴式的配气机构凸轮轴位于机体上部，与下置凸轮轴式的配气机构相比，减少了推杆或者推杆较短，从而减轻了传动机构的往复运动质量，增大了机构的刚度，适用于转速较高的内燃机。
3)顶置凸轮轴式
传统的顶置气门机构中，气门布置在气缸盖中，而凸轮轴一般都布置在曲轴附件的机体中部(即采用下置凸轮轴式)，两者相距较远，因此需要较多的传动零件，从而使机构复杂，提高了制造成本;另一方面，由于运动件质量大，刚度低，在发动机高速运转时易出现振讥气门机构脱离、气门反跳等现象，严重影响发动机的动力，性和工作可靠性，缩短发动机的寿命，并产生噪声，在顶置凸轮轴式配气机构中，凸轮轴被放置在气缸盖中气门的旁边，这样，凸轮通过摆动的杠杆就可把运动传给气门，传动机构运动件质量减轻，刚度提高，适于高速运转。现代的中小型车用内燃机，其额定转速都比较高，因而，顶置式凸轮配气机构得到了越来越广泛的应用。但是，由于凸轮轴与曲轴相距较远，一般需要精密的高速传动链来驱动。顶置凸轮轴式配气排构可分为单顶置凸轮轴式配气机构一(SOHO)和双顶置凸轮轴式配气机构(DOHC)两类。
由于本次设计选用顶置凸轮轴的配器机构，又考虑到齿形带传动相对与链条传动的的优点，故选用齿形带传动。
2.2 气门组的结构设计
2.2.1 气门的设计
气门组成:头部和杆部。
功用:头部是用来密封气缸的进、排气通道；杆部是用来为气门的运动导向。
工作条件：受高温、气体压力、气门弹簧力以及转动零件惯性力的作用。
传统的发动机多是每缸一个进气门和一个排气门，这种二气门配气机构相对比较简单，制造成本也低，但不能满足高速大功率发动机的性能要求，多气门就能很好的解决这个问题。多气门发动机是指每一个气缸的气门数目超过两个，即两个进气门和一个排气门的三气门式；两个进气门和两个排气门的四气门式；三个进气门和两个排气门的五气门式。多气门的目的是在一个循环中增大进气量从而使发动机输出功率增加，目前汽车一般为四气门。
的有效压缩比，以适应不同燃料的要求；可以实现发动机部分停缸、发动机内部废气再循环等。
图1-3 电液驱动气门机构原理图 图1-5 电磁驱动气门机构原理图
1.3 原型机的选择
通过查找资料文献对比，最终我们选择奥迪“3.0L-TFSI-机械增压-DOHC-V6”发动机。奥迪的这台3.0升机械增压发动机已经是连续第四年“榜上有名”(沃德十佳发动机)，其实力不容小觑。这款发动机可谓“物尽其用”，从A4L一直到A8和Q7，同样一台发动机，在不同车款上却有着超过4种以上的不同调校版本。
电喷技术最早出现于1967年，由德国保时捷公司研制的D型电子喷射装置，随后被用在大众等德系轿车上。这种装置是通过喷油器把燃油直接喷射到进气道或气缸内。它与化油器相比，具有流动阻力小、充气性能好，混合气分配均匀性较好，加速性能好，能适应各种工况并保证经济性和动力性，燃油供给控制十分精确，让引擎在任何状态下都能有正确的空燃比，不仅让引擎保持运转顺畅，其废气也能合乎环保法规的规范。电喷技术从早期的单点喷射，演化至多点喷射，气门数量从两个增加至五个。