模块四柴油机的换气机构与增压

模块四柴油机的换气机构与增压教学目标：1．具有气阀机构的拆装与检验、气阀的研磨操作的能力2．具有四冲程柴油机气阀间隙、气阀正时的测量与调整的能力3．具有换气机构的知识、工作原理以及故障排除的能力；4.具有完成增压器维护管理与应急处理操作工作任务的能力；5.具有增压器结构的知识、工作原理、增压基本知识、废气能量分析、以及增压形式的理论知识；重点：二冲程、四冲程柴油机的换气过程，各类换气机构（气阀机构和气阀传动机构）的工作原理、作用、工作条件、结构特点、常见故障及其原因，气阀与阀座的研磨及更换方法，气阀间隙、气阀定时的检查与调整及不正常的危害，废气涡轮增压器的工作原理、组成结构、清洗、日常管理、故障分析及处理。难点：各类换气机构的结构特点，定压增压、脉冲增压的特点及理解，增压器的喘振。主要内容单元一柴油机的换气过程及换气质量评定参数单元二换气机构单元三废气涡轮增压单元四废气涡轮增压器单元五增压系统的故障与维护管理单元一柴油机的换气过程及换气质量评定参数换气过程：从排气、扫气到进气终止的整个更换过程一、四冲程机的换气过程1．换气过程：从排气阀开到进气阀关约占3800CA-4500CA超临界排气阶段（以音速排出）（1）自由排气阶段亚临界排气阶段（以亚音速排出）从排气阀开启大缸内压力在某一时刻接近或达到排气管的压力。一般在下止点后10-300CA结束。此阶段不能过长，否则会增加排气损失。四冲程机的进、排气阀是由凸轮驱动的，气阀只能逐渐打开的，若爬气阀正好在下止点开启，则时面值很小，缸内压力下降太慢，活塞向上行时将受到很大的压力，增加排气消耗功，且排气不干净。一般β1=30-600CA，n增加，则β1增加。（2）强制排气阶段从自由排气结束到排气阀关闭的阶段。此阶段缸内废气是由上行活塞强制推挤出去，在末期可利用排气阀晚关和排气惯性实现惯性排气。n增加，则β2增加。（3）进气过程（非增压机实际进气是在上止点后开始）从进气阀开启到进气阀关闭的阶段。进气阀一般在上止点前10-300CA开启，刚开启时缸内压力高于进气压力，但不会存在废气倒流。原因①气阀开度很小②排气阀存在惯性。进气阀一般在上止点后α2=20-600CA关闭，α2不能太大，否则压缩行程过短，使PC、TC过低，造成起动困难，燃烧不良。2．气阀叠开和燃烧室扫气（1）概念（2）非增压机：α1+β2=25-500CA；增压机：α1+β2=80-1300CA（3）作用：①利用排气流的抽吸作用造成缸内一定的真空，将新鲜空气吸入气缸。②新鲜空气的吸入有利于废气的排出。③新鲜空气对燃烧室部件进行冷却。二、二冲程机的换气过程1．二冲程机的换气过程的特点（1）换气时间短：二冲程机120-1500CA四冲程机3800CA-4500CA（2）主要依靠进、排气口之间的压差，用新气驱赶废气的扫气方式。新气的进入和废气的排出是同时进行的，新气和废气掺混，换气质量差，残留废气多。（3）实现扫气所需的气体压差较大，空气耗量大，耗功较多。（4）气缸容积不能充分利用，存在失效行程。2．换气过程（1）自由排气阶段（B-R）从排气口开启B到进气开始点R（缸内压力与扫气压力相等）特点：此阶段缸内的废气压力比排气管中的压力高出许多，大量的废气靠这一压差和气体动力作用流出缸外。扫气口刚开启时，缸内压力大于扫气压力，但不会使废气倒流，原因是：①扫气口开度很小②排气口开度大，废气具有向外流动惯性。但气口积碳，会使废气倒流。（2）扫气及强制排气阶段（R-C）此阶段主要依靠新气与缸内废气的压力差，利用新气清扫废气。特点：新气与废气混掺，部分新气经排气口排出。（3）过后排气阶段（C-E）有部分新气损失，应短些。过后充气，充气量有限：①充气时间短②活塞已上行。三、评定换气过程质量的参数1．残余废气系数表示换气过程的完善程度γr=Gr/GO（1）理想情况下为零；（2）增压机小于非增压机（增压机进气压力大，进气量大）；（3）四冲程机小于二冲程机（四冲程机换气完善过程长）（4）直流扫气机小于弯流扫气机；（5）其取决于换气完善程度。※四冲程机与燃烧扫气有关，二冲程机与换气形式、增压度有关。2．充量系数（充气效率）φCφC=GO/GS=εPaTO/(ε-1)POTa(1+γr)＜1影响充气系数因素：气缸进气终了时的参数（pa、Ta）；残余废气系数；排气系统的结构参数以及柴油机运行时的转速、负荷、增压程度、冷却情况、换气系统的清洁程度。当柴油机转速升高、气阀流通面积不足、进气系统脏污时，因进气压力降增大而使充气系数显著降低；当负荷增大、气缸过热、冷却不良及残余废气过多时，会导致进气温度升高、密度下降、进气量减少，充气系数降低。提高增压压力、增大进气阀（口）流通面积可使充气系数提高。3、二冲程柴油机的扫气质量指标（1）扫气效率ηs=扫气结束时留在缸内的新鲜空气量G0/气缸内全部气体量Ga=G0/（G0+Gr）=1/（1+γr）（2）扫气系数ψs=每循环流过扫气口的空气量Gk/扫气结束后留在缸内的新鲜空气量G01；新鲜空气由排气口流失越少，G0越大，扫气系数越小。一般为1.4~2.0。（3）给气比（扫气过量空气系数）β=每循环流过扫气口的空气量G0/在进气状态下充满Vs的理论空气量Gs，一般为1.0~1.3；ψsβ（G0Gs），显然，ηs越大、ψs越小、β越小，扫气质量越好。思考题：1．按缸内压力变化，二冲程机的换气过程可分为哪几个阶段？各阶段有什么特点？单元二换气机构换气机构：保证按规定顺序和时刻完成进、排气过程的机构。换气机构的功能是实现对柴油机换气过程的控制。即依照柴油机各气缸的工作次序，定时地打开或关闭进排气阀。以保证气缸里废气的排除和新鲜空气的充入。换气机构的组成：气阀机构、气阀传动机构、凸轮和凸轮轴传动机构。一、气阀机构组成：气阀、阀座、导管、气阀弹簧、弹簧座、锥形锁块1．气阀：分进气阀和排气阀，一般进气阀阀盘直径大于排气阀，目的是为了提高充气量。（1）气阀的结构：由阀头、阀杆组成，采用大圆弧过度，以降低机械应力。阀头座合面是锥面，锥面角有30°和45°两种：30°锥面角：阀口流通面积大，进气阻力小，单位承压面积小，阀面与阀座磨损小，进气阀采用。45°锥面角：自动居中性能好，座合面单位面积压力大，密封性能好，一般排气阀采用。阀杆：上部开有环形槽，用于安装锥形锁块。（2）工作条件进气阀：①受高温作用450～500℃；②撞击；（阀座、导管）③磨损。排气阀：①受高温作用650～800℃；②撞击；（阀座、导管）③磨损；④燃气腐蚀。（3）材料进气阀采用普通合金钢如40Cr、40CrNi，有高的耐磨、耐热和抗腐蚀性能。排气阀采用耐热合金钢如9CrSi2Mo等。阀杆顶部由于不断受到摇臂撞击，一般堆焊60号钢，淬火HRC≥50，也有安装硬质合金钢的阀帽或撞击块以提高耐磨性。（4）阀头的型式：①平顶②凸顶③凹顶（5）阀座：工作条件与气阀相似，一般采用合金铸铁或耐热合金钢。注意：阀座材料与缸盖材料的热膨胀系数应基本相同。（6）阀面与阀座的配合①全接触式：阀面与座面锥角相同，接触面积大，耐磨，传热好，但易结碳，敲击，产生麻点，用于小型高速机。②外接触式：阀面锥角小于座面锥角0.5°～1°，接触面积小，密封性好，阀盘在高压燃气作用下产生拱腰变形，增加阀与座的接触面积，降低接触应力，提高散热。用于强载中速机上。③内接触式：阀面锥角大于座面锥角0.2°～0.5°，接触面积小，密封性好，接触面离燃烧室远，温度低，腐蚀小，阀盘发生周边翘曲变形，增加阀与座的接触面积，降低接触应力，提高散热。用于长行程低速机上。2．气阀弹簧（1）作用：当摇臂抬起时使气阀关闭（2）采用内外弹簧的目的：①在不降低应有弹力的条件下，可采用较细软的弹簧钢丝制造，使其工作时动作柔和，提高抗疲劳能力。②两根弹簧的自振频率不同，在工作中互为阻尼，可避免发生共振。③当其中一根弹簧折断时，气阀不致落入气缸内，提高工作可靠性。④两根弹簧旋向相反，可防止互相夹插，还可以减少阀在开关时由于弹簧产生扭转而发生的自动研磨。3．气阀导管（1）作用：保证气阀与阀座在同一中心线上工作，并起散热作用。（2）材料：铸铁或青铜（3）气阀导管和阀杆的间隙必须合适。过大：散热不良，磨损增大；造成阀杆处漏气，甚至造成滑油结焦使阀卡死。过小，导致气阀卡阻。4．气阀锁紧装置5．气阀旋转器：用于燃重油的大功率中速机上（1）作用：①使阀盘均匀受热、散热，保证阀盘的温度分布均匀，改善阀盘的热应力状态。②减少密封锥面上导热不良的沉积物，使之贴合严密，利于散热，减少高温腐蚀，减少烧损磨损。③可改善阀杆与导管间的润滑条件，减少阀杆漏气，减少阀杆周围形成积炭，防止卡阻。（2）结构：3-1-3所示为后一种旋阀器。它由旋阀器本体4、钢珠2、碟形弹簧1、旋阀器外壳（又是气阀弹簧的上弹簧盘）3组成。（3）工作原理：当气阀闭合时，气阀弹簧弹力较小，气阀弹簧弹力通过旋阀器外壳传递至碟形弹簧，由碟形弹簧再传至旋阀器本体，旋阀器本体将力传给卡块，最终传给气阀使气阀保持闭合，钢珠不受力。这时钢珠被复位弹簧推至腰形槽的顶端。当打开气阀时，碟形弹簧因受力增大而变平，气阀弹簧力逐渐转移到钢珠上。使钢珠受压并滚至槽底最低点，复位弹簧被压缩，如图b)所示。在钢珠滚向槽底最低点时，由于碟形弹簧、旋阀器外壳与气阀弹簧压紧不能转动，本体就带动卡块、气阀，一起向前转一个角度。当气阀关闭时，由于气阀弹簧弹力逐渐减小，碟形弹簧逐渐恢复原先形状，钢珠的压力逐渐消失。当它被释放时，复位弹簧又把它推回槽的顶端。这样气阀在不断开启中慢慢转动。二、气阀传动机构1．机械式气阀传动机构--中小型机上（1）组成：滚轮、顶杆、摇臂、摇臂销、摇臂座、调节螺钉（2）作用：（3）气阀间隙①气阀间隙：柴油机冷态时，盘车使滚轮落在凸轮的基圆上，摇臂与气阀之间的间隙。②目的：柴油机在运行状态下，留给阀杆向上膨胀的余地，使气阀关闭严密。③气阀间隙对柴油机工作的影响太大：1）影响气阀正时，使气阀迟开早关，开启持续时间变短。2）撞击严重，磨损加快。3）因撞击发出噪声。太小：1）影响气阀正时，使气阀早开晚关，开启持续时间变长。2）气阀受热后无膨胀的余地，使气阀关闭不严，造成阀头与阀座烧损。3）柴油机功率与经济性下降。2．液压式气阀传动机构用于长行程低速机上（1）特点：在气阀、顶头上各设液压传动器，二者通过油管连接，开阀靠液压传动器的油压，关闭靠“空气弹簧”的气体力实现。（2）优缺点噪音小，阀杆不受侧推力，布置自由，但密封困难，调试困难。（3）工作原理：具有空气弹簧的液压气阀驱动机构三、凸轮和凸轮轴传动机构1．凸轮轴（1）作用：控制柴油机中需要定时的设备，使它们按照一定的工作顺序准确工作。（2）构造：由若干进、排气凸轮、喷油凸轮、空气分配器凸轮和支承轴颈组成。①凸轮：凸轮轮尖高度h—决定气阀的最大生程凸轮的作用角θ—决定气阀的开启总时间四冲程机：进气凸轮作用角θ=（180°+α1+α2）/2排气凸轮作用角θ=（180°+β1+β2）/2②凸轮结构：1）整体式：凸轮轴的凸轮与轴本体铸成或煅成一体，用于小型机上2）装配式：凸轮和轴是分开制造，然后根据定时要求，将凸轮紧固在轴上，这种凸轮轴上的凸轮是可调节的，以便定时调节，并且任何一个凸轮损坏后都可单独更换，一般用于大型机上。③材料：优质碳钢或合金钢，表面渗碳或淬火，以提高硬度和耐磨性。2．凸轮轴传动机构（1）齿轮传动（四冲程机）凸轮轴传动机构一般安装在飞轮端，以降低曲轴扭振的影响。采用中间齿轮的原因：四冲程机曲轴与凸轮轴转速比为2：1，这样凸轮轴上的定时齿轮直径比曲轴上齿轮大一倍，使机身横向尺寸增大，所以在较大的柴油机的凸轮轴传动机构中都另外加中间齿轮，以缩小凸轮轴上正时齿轮的尺寸，减小机身横向尺寸。定时齿轮包括主动、中间和从动齿轮，三个齿轮上均有啮合记号，以保证配气、喷油定时正确，拆装时应注意。若无装配记号，应根据二者正时的数据确定二轴的啮合关系。例某机的排气阀开启为下止点前φ3CA，调整时先拆开中间齿轮，解脱二者的啮合关系，将曲轴盘车至上述位置（从飞轮刻度上观察角度