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第四章配气机构第一节配气机构总体1配气机构的作用2对配气机构的要求3配气机构的总体布置1．配气机构的作用配气机构的作用是保证柴油机的换气过程按配气正时的要求，准确无误的进行。即在规定的时刻，在一定的时间内将气缸中的燃烧产物排出，将新鲜空气引入，以保证工作循环的不断进行。二冲程和四冲程的配气机构有很大差异。二冲程柴油机中，曲轴旋转一周，完成整个柴油机的工作循环，而四冲程柴油机曲轴必须回转两圈才完成柴油机的一个工作循环，因此必须通过曲轴经过变速驱动凸轮轴，使凸轮轴的转速比曲轴转速降低一半，在通过凸轮经过推杆、顶杆、摇臂、横臂，控制气门的关闭和开启。四冲程柴油机采用气门---凸轮轴换气机构。2对配气机构的要求（1）足够的气流通过能力，以保证气缸内有尽可能高的充气系数和良好的换气性能。为此在强化程度较高的柴油机上，大都采用四气门结构，即进、排气门各两个。四气门布置与两气门布置相比，在相同的气缸直径下，能获得较大的气门通道截面，减小气门直径，提高气门刚度，增大气门散热总面积，降低气门的热负荷。同时可使喷油器布置在气缸盖中央，有利于燃烧条件的改善。有资料表明，当两气门改为四气门后，使进气门通道截面增加40%、功率提高10%，油耗、排温也有所下降。但四气门结构使气缸盖和气门驱动机构变得复杂。（2）良好的动力性能。以避免气门机构运动时的冲击和降低噪音。（3）足够的刚度和强度，以免产生传动失真，使气门升程、配气相位发生变化、动力性能恶化、充气效率下降等问题。3．配气机构的总体布置1－气缸盖气门装配；2,13,14,30－螺柱(一)、(二)；3,11,21－垫圈；4,7,12－螺母；8－摇臂座装配；9－压球座；10－气门横臂装配；15－气缸盖罩装配；16－垫；17－接头体；18,23,26,27,33－O形密封圈；19－顶杆套筒装配；20－顶杆装配；22－压紧螺母；24－推杆法兰；25－垫片；28－弹簧；29－推杆装配；31－示功阀与座；32－套；34－盖螺母；35－螺栓。1．气门布置配气机构采用顶置式四气门结构，两个进气门和两个排气门分别布置在气缸中部的左、右侧（面对进排气道口）。同名气门采用串联式布置，使进、排气管道布置在气缸的同一侧，这种布置对V形发动机来说，可使进、排气总管集中布置在机车的V形夹角中间，使柴油机结构紧凑。同时一列气缸的进、排气门可通过一根凸轮轴驱动，摇臂结构也可一致，结构简单。但这种串联式布置使两个进气门的进气效率不一样，两个排气门的热负荷也不一致，并且进气还受到排气管的高温预热，不利于充气系数的提高。气门弹簧气门安装在气缸盖上的气门导管内，气门上部装有内、外气门弹簧。这种双弹簧结构比单弹簧结构有着工作可靠的优点。由于采用了双弹簧结构后，可缩小弹簧尺寸，获得较为平坦的弹簧特性。又由于两个弹簧有各自的自振频率，当一个弹簧在干扰力作用下共振时，另一个弹簧起到阻尼作用，从而减少因弹簧共振而产生断裂的危险性。万一一个弹簧发生断裂，气门也不致落入气缸内造成事故。内、外弹簧的绕向是相反的。横臂安装在同名气门间的横臂导杆上，借助于导杆导向作用上下运动，使同名气门同时启闭。摇臂安装在摇臂轴上，摇臂轴安装在摇臂轴座上，为避免摇臂摇动时与横臂、顶杆的连接处发生滑动。在其两端的连接处采用由压球和球座构成的活动连接。为便于调整横臂和气门间隙，在横臂和摇臂的一端设有调整螺钉。顶杆和顶杆套筒安装在摇臂和推杆之间，推杆安装在机体两侧凸轮轴箱上部，在推杆导块和推杆法兰之间装有弹簧，推杆的导块下部装有与凸轮滚动接触的滚轮。进、排气凸轮均采用型线顶面带有平段的高次方对称的函数凸轮。GEVO配气机构是柴油机换气过程的控制机构，按规定的配气相位定时地的开启和关闭进、排气门，并在规定的时间内，把新鲜空气吸入气缸和把燃烧后的废气排出气缸。其合理的设计对柴油机的工作性能有很大的影响，而其零部件的结构特性，将对柴油机的可靠性和耐久性产生很大的影响。配气机构由气门驱动机构、气门组件、气缸盖以及附件等组成，其结构如图所示。气缸盖布置在左右两侧的气缸上部，每一个气缸盖的上平面装有气门组件、摇臂轴座、摇臂轴、摇臂、气门横臂和横臂导杆等。在柴油机的两侧布置下置式的凸轮轴以及由其驱动的挺杆组件和推杆组件。在凸轮轴的每个配气凸轮上方都对应一个滚轮式配气挺杆，用来推动推杆，并经摇臂和气门横臂的传递驱动气门的开启。另外，凸轮轴上的供油凸轮推动喷油泵下体的滚轮，从而使喷油泵供油。GEVO气门驱动机构主要由凸轮轴、凸轮从动机构（挺杆组件）、推杆组件、摇臂、摇臂轴、摇臂轴座、气门横臂、横臂导杆等组成。左右两根凸轮轴布置在柴油机的两侧，分别驱动左右两排气缸的进气门、排气门和单体式电控喷油泵。进、排气门摇臂安装在摇臂轴的两端，摇臂轴安装在摇臂轴座上，并固定在气缸盖上。气门横臂安装在同名气门的横臂导杆上，借助于导杆的导向作用，使气门横臂作上下运动，从而控制气门的启闭。GEVO型柴油机的气缸盖采用四气门结构，保证了良好的充气能力、较大的充气系数和良好的换气能力。四气门的布置选用了同名气门串联布置的方案。第二节气缸盖气缸盖的工作条件气缸盖与活塞、缸套一起组成燃烧室，在气缸盖内腔布置有进、排气道。在气缸盖内、外还安装了喷油器、进排气门及其驱动机构、示动阀等。气缸盖在高温、高压的条件下工作，机械应力和热应力状态十分复杂，当柴油机工作时，气缸盖所受的作用力主要有：1．气缸盖紧固螺栓的预紧力。为保证气缸盖与缸套之间的密封，气缸盖紧固螺栓的预紧力应大大超过最高爆发压力的数值。2．气体压力。它使气缸盖底板弯曲，还会通过气缸盖内部空心立柱等结构传到气缸盖各部位。3．热应力。它与柴油机负荷有关。1–气缸盖；2–气门导管；3–螺栓；4–横臂导杆；5–护套；6，8–O形密封圈；7–过水套；9–进气门座；10–排气门座。16V240ZJD型柴油机的气缸盖为双层箱形结构，位于柴油机内侧的侧壁上，设有进气口和排气口，其内部分别为气缸盖内腔的进、排气通道。气缸盖顶面的中央制有喷油器安装孔，侧面有喷油器进油管安装孔。在喷油器安装孔周围，铸有4个气门导管孔。同名气门导管孔之间，各有一个气门横臂导杆安装孔。进、排气道上方的顶板上制有两个孔，除作内腔铸造清砂外，左侧的孔还作为气缸盖水腔的出水孔。在左、右壁上还铸有若干个清砂孔。气缸盖底面中央为喷油器安装孔，其周围有2个进气门座孔和2个排气门座孔。气缸盖底面圆形凹肩的周围，均布有12个直径10MM的进水孔，通过连接管与气缸套水腔出水孔连接。在气缸盖底面到左侧壁面上有用钢管嵌装的孔道，在左侧壁面孔道的端部安装柴油机示功阀。GEVO气缸盖气缸盖是柴油机的一个重要部件，与加强套一起用四个长螺栓紧固在机体上。气缸盖的底面盖住气缸，起密封气缸的作用，并与活塞顶面和气缸套形成柴油机的燃烧室。在其内部安装有喷油器和气门及其驱动机构，同时布置有串联式的进、排气道以及冷却水腔。GEVO柴油机气缸盖采用了双层箱形结构。在气缸盖的内部设置了中隔板，将缸头冷却水腔分成上水腔和下水腔，中央设有用于喷油器安装的空心圆柱并与中隔板连成一体，以增强中间部位的刚度。。GEVO气缸盖选择了合理的中隔板锥度并尽量接近底板，有利于刚度和底板的冷却，又具有合适的下冷却水腔容积，从而避免了铸造和清砂的困难。GEVO柴油机气缸盖顶面到底面在其外边边缘设有四个贯通孔，用于安装气缸盖螺柱。采用四个螺柱紧固方式，简化了机体结构，可使气缸盖结构紧凑，加工量少，减少了螺柱的数量。为提高排气门的运用可靠性，GEVO柴油机的气缸盖的排气门阀座圈采用了水冷结构以加强排气门的冷却。。第三节配气机构配气机构由气门机构和气门驱动机构组成。气门机构主要由气门、气门座、气门导管、气门弹簧等组成。气门驱动机构主要由横臂、摇臂、顶杆、推杆和凸轮轴组成。一气门机构1．气门气门承受着很高的热负荷和冲击性机械负荷及燃气腐蚀。高温下，气门的材料强度、耐磨性和抗腐蚀性都会下降，因此易产生热变形、热应力和腐蚀磨损。所以要求气门材料要有足够的热强度，一定的韧性和表面硬度，使其能够承受较高的冲击载荷、良好的耐磨、耐腐蚀抗氧化性，良好的导热性和小的膨胀系数。进、排气门的材料完全相同，阀盘底面均采用平顶结构，结构简单、制造方便等优点。进气门座面角为30度，并在阀盘底部加工一道环行沟槽，用以区别。排气门座面角为45度。2．气门座气门座与气门阀盘锥面必须有良好的配合，以达到好的密封效果。气门座可以直接在气缸盖上镗出，也可单独做成环行零件压入气缸盖中。16V240ZJD型柴油机采用嵌入式气门座。嵌入式气门座的材料、工作温度和膨胀系数与气缸盖不同。在工作中气门座的温度高，承受的压力大，如果材料的强度不够或过盈量不合适，有可能会造成气门座松弛，脱落等严重事故。16V240ZJD型柴油机采用冷装工艺。3．气门导管气门导管对气门起导向作用，气门杆在导管内滑动，气门导管承受着气门驱动机构的侧向推力。4．气门弹簧D型气缸盖用的气门弹簧与B型相同，采用弹性极限和疲劳强度都很高的抛光或磨光弹簧钢丝50CrVA制成，表面进行喷丸处理，也可进行软氮化处理（氮化深度为0.01~0.03mm，硬度HV430~500），弹簧须经磁力探伤，不许有裂纹和发纹存在，探伤后须退磁。二气门驱动机构气门驱动机构：横臂、摇臂、顶杆、推杆、和凸轮轴。1凸轮轴大功率V型多缸柴油机，一般采用两根凸轮轴，分别置于柴油机左、右两侧，驱动两列气缸的进、排气门和单体喷油泵。为了避免凸轮轴太长又采用分段制造。为了提高凸轮轴的刚度，机车柴油机上均采用全支承结构。大型柴油机的凸轮轴均制成中空，即减轻了重量，中空部分又兼作油道。凸轮轴采用50Mn钢制造，分左右两根，每根由四节连接而成，每节有进气、排气和供油凸轮各两个，担负相邻两个气缸的配气和供油任务。1－转速表传动法兰；2,10,17,18－螺栓；3－锥销；4－前轴承(下)；5－弹簧环；6－前轴承(上)；7,11,13,31－左凸轮轴(9～16缸)；8－定位螺钉；9－锁紧螺母；12－左凸轮轴装配；14－止推轴承压紧圈；15－止推轴承；16－螺母；19－挡圈；20－销；21－垫圈；22－止推轴承法兰；23,24－中间轴承(上)、(下)；25－螺堵；26,27,29,32－右凸轮轴(1～8缸)；28－右凸轮轴装配；30－锁丝。凸轮轴内腔为机油通道，从第一位凸轮轴瓦流入的机油通过轴颈上的油孔进入凸轮轴瓦对其进行润滑。每节凸轮轴两端设有连接法兰，用8个M12×1.5的连接螺栓以122Nm力矩紧固。凸轮和轴颈表面以中频淬火处理，以提高其接触强度和耐磨性。GEVO凸轮轴柴油机左右两根凸轮轴分别安装在柴油机机体左右两侧的九档滑动轴承中。每根凸轮轴分为8个单节，即每缸一节。每2节凸轮轴之间安装一凸轮轴颈，其中左右两侧的输出端（左右第9位）为止推凸轮轴颈，以控制凸轮轴的轴向推力；左右两侧自由端（左右第1位）为末端凸轮轴颈；其余左右的2～8位为凸轮轴支承轴颈。各节凸轮轴和轴颈之间采用螺栓连接并采用空心定位套定位。凸轮轴上的进气、排气和供油3个凸轮采用整体式结构以保证在受冲击力时凸轮能安全可靠地工作。GEVO柴油机凸轮轴采用了其传统的一缸一节结构，凸轮轴能够从柴油机机体侧面的凸轮轴观察孔安装和拆卸，其可维护性和可接近性非常好；GEVO柴油机凸轮轴的另一个突出优点是采用了凸轮轴段和凸轮轴颈组装式组合结构。左右两根凸轮轴的中空部分分别形成柴油机的左右主油道，润滑油既通过径向油孔润滑各档凸轮轴承，同时又通过凸轮轴承上的贯穿钻孔使润滑油从凸轮轴中流向机体的的各档主轴瓦。凸轮轴段由合金钢制成，其各凸轮经淬硬处理，以适应对凸轮耐磨的要求2顶杆、推杆、横臂及横臂导杆．顶杆顶杆采用42CrMO钢管制成，安装在摇臂与推杆之间，顶杆两端均装有压球座，分别和摇臂调整螺钉上的压球和推杆头的压球相连接，顶杆外部设有顶杆套筒，套筒上方焊有法兰，在法兰和摇臂轴座间用橡胶密封圈密封，套筒下方装有压紧螺母（螺母