内燃机配气机构设计

1 内燃机的基本工作原理

往复活塞式内燃机的工作流程是由曲轴带动曲柄连杆，连杆带动活塞做上下往复运动的一个过程，而四冲程内燃机的工作过程大致分为，进气过程、压缩过程、作功过程和排气过程。

进气过程：活塞在上止点向下止点的运动过程，这个时候配气机构带动气门运动，使得进气门打开，排气门关闭，由于大气压力和活塞内压力之间的关系，空气不断被吸进气缸内的一个过程。

压缩过程：活塞在下止点向上止点的运动过程，这时，由于配气机构的工作使得进气门和排气门同时关闭，使活塞顶部和气缸形成一个密封的空间，而活塞还在不断往上运动，不断压缩空气使气缸内温度和压力不断提高，为接下来的作功过程提供了足够的条件。

作功过程：在压缩过程即将结束的时候，喷油器将柴油以油雾的形态喷到气缸内，在高温高压的环境下，快速蒸发变成气体并与空气混合，在高温的环境下自动着火燃烧，而燃烧的过程中产生的高压气体膨胀推动活塞由上止点快速向下止点运动，这时使得曲轴旋转向外作功。

排气过程：在作功过程结束后，在配气机构的牵动下，排气门打开，进气门关闭，活塞在曲轴的带动下，又一次向上运动，燃烧过后的废气通过压力差和活塞的挤压，不断被排出到气缸外部。

整个四冲程柴油机的基本工作原理如此重复循环进行，当中涉及到的配气机构就是这次需要设计到的一个内燃机的机构了。

2 相关机构的基本设计

2.1 活塞的结构设计

活塞组机构包含有：活塞、活塞销、活塞环等一些在气缸中做往返运动的零部件。这次的设计由于主要是设计配气机构，所以在设计活塞组中涉及到的一些复杂的计算过程就省略掉了，主要是设计活塞的尺寸外形机构。

简单说明一下活塞组的作用：①传力，导向。活塞的顶部需要受到燃烧后气体的压力，然后将压力传递到连杆同时确保活塞在气缸内运作顺畅。②密封。主要由活塞环和活塞密封气体，确保缸内的工作介质达到不泄露或极少泄露的标准。③传热。在一定的密封性下，主要由活塞环和活塞裙部向缸壁传递燃烧的热量。④配气。配合配气机构，完成进气、压缩和排气功能。

活塞组的一些基本尺寸数据：由于活塞的工作环境原因，活塞顶部与活塞裙部是不一样的，经验所得，活塞顶部需要比裙部要少，所以活塞裙部直径取气缸直径D=120mm，活塞顶部直径取Dd=119mm。由于本次设计的内燃机是柴油机，所以顶部外形取平顶型。高度H方面由顶部厚度δ、活塞销安装高度位置Hx、气环数量和油环数量决定，由于是低转速型柴油机，所以采用3道气环、一道油环的设计。

本次活塞设计的材料为铝活塞，厚度δ=（0.1-0.2）D，即厚度δ=12mm。取活塞销安装的位置Hx=46mm。最后综合计算得出活塞高度H=118mm。如图1所示。

图1 活塞

活塞销材料选用20Mn2钢，尺寸为dx=25mm，长度Lx=112mm。由于活塞销结构为一圆柱体，为了减少成本和提高材料的利用率，所以一般活塞销采用空心加工制造。如图2所示。

2.2 曲轴的结构设计

曲轴的设计采用整体式曲轴，材料方面选择45钢。由于考虑到是农用机械，曲轴的刚度考虑的出发角度为曲轴全长等钢度。所以选择主轴颈直径Dz=Dq。取曲柄销直径Dq=45mm。曲轴曲柄半径r=S/2=60mm。由摩擦损失和润滑理论得出：Lz/Dz≥0.3，所以 Lz=13.5mm。Lq则取 36mm。其余相关直径和长度尺寸或以整体结构决定。如图3所示。

2.3 连杆结构的设计

连杆组包含有：连杆体、连杆盖、连杆螺栓、轴瓦组成，其中连杆体又分为小头、杆身、连杆大头。

连杆组的工作作用为把活塞处所受的压力传递到曲轴变成转矩，并且同时将活塞的往返运动转变为曲轴的旋转运动。

图2 活塞销

图3 曲轴

连杆长度l由连杆比λ=r/l所决定着，其中设计经验所得值为1/4-1/3.2之间。本次设计选择λ=1/3.2。所以算得连杆长度l=192mm。

连杆小头孔径d1和宽度B1由活塞销直径dx确定着的，即d1=dx+2δ1。其中δ1为连杆小头衬套厚度，若采用锡青铜衬套的话，其厚度为2～3mm，若采用冷轧青铜带或钢背-青铜双金属带卷制而成的衬套时，厚度即可降到为0.75mm，同时使结构更加紧凑，所以本次设计选择冷轧青铜带，即δ1=0.75mm。

图4 连杆

3 配气机构的设计

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