四冲程发动机活塞避阀坑设计计算探讨

摘 要:对四冲程发动机活塞避阀坑设计计算的流程做了详细介绍,并举了相应的算例。

关键词:冲程;发动机;活塞;避阀坑

中图分类号:TK441+.1文献标识码:A文章编号:1672-3198(2009)16-0276-02

1 概述

气门和活塞是四冲程发动机功能实现的重要部件,通过气门的开闭与活塞往复运动的配合,实现了进气、压缩、做功、排气四个冲程,请见图1。

如果在活塞运动到上止点(TDC)时进气门才开始打开,则会导致进气不足,因此进气门会在活塞运动到上止点之前提前开启;同样,如果进气门在活塞运动到下止点(BDC)时就完全关闭,则不能很好利用进气惯性,导致进气不足,因此,进气门需要晚关。如果在活塞运动到上止点时排气门已经完全关闭,则排气不净,因此排气门会在活塞运动到上止点之后延长关闭;同样,如果排气门在活塞运动到下止点时才开始打开排气门,则不能充分利用废气自身压力排气,导致排气不干净,因此排气门需要早开。

为了保证气门与活塞运动的顺畅,必须保证活塞头部与气门之间有足够的间隙,请见图2。在很多情况下,需要在活塞头部设计避阀坑来保证该间隙。

2 活塞头部避阀坑的设计计算流程

2.1 影响活塞顶部避阀坑设计计算的因素

(1)活塞的运动,它取决于曲柄半径和连杆长度。

(2)进气门和排气门的运动,它们取决于凸轮型线和摇臂比率。

(3)气门正时。

2.2 活塞头部避阀坑的设计计算流程

(1)活塞升程(X)的计算。

假设活塞升程的“0”点是活塞运动到下止点BDC的位置,连杆长度是L,曲柄半径是R,曲轴转角是θ,则活塞升程可用式1计算得到。

X=L•sin∏-∏(180-θ)180-arc sinRL•sin∏•(180-θ)180sin∏•(180-θ)180-L+R(1)

(2)进排气门升程(Y)的导入。

(3)确定气门正时。

①假设最大进气门提前角是α°。它表示当进气门在活塞运动到上止点TDCα°之前,气门开启升程是1毫米。

②假设最大排气门迟闭角是β°。它表示当排气门在活塞运动到下止点BDCβ°之后,气门关闭升程还剩1毫米。

③曲线在曲轴角度坐标方向的位置取决于气门正时。

(4)测量活塞到达上止点TDC时,活塞顶面与气缸体顶面的距离A。

(5)引入气缸垫的压缩厚度B。

(6)测量气门最低点与气缸盖底面的距离C。

(7)引入气门倾角ε。

(8)计算气门最低点与活塞头部的间隙Z。

根据该示意图和上述输入条件,可利用式2计算得到气门最低点与活塞头部的间隙Z。

Z=2•R-X-2•R--Y•sin∏•ε180+2•R+A+B+C(2)

(9)引入活塞头部与气门间最小许用间隙。

对于四冲程汽油机来说,活塞头部与气门间最小许用间隙为1―1.5毫米。

(10)计算避阀坑深度。

①如果Z

②如果0

③如果Z>1(1.5),则证明不需要设计避阀坑。

3 算例

3.1 已知条件

(1)四冲程汽油机,最大进气门提前角是16°,最大排气门迟闭角是-6°。

(2)气门升程请见图5。

(3)测量活塞到达上止点(TDC时),活塞顶面与气缸体顶面的距离A是0.13毫米。

(4)气缸垫的压缩厚度B是0.66毫米。

(5)气门最低点与气缸盖底面的距离C是1.67毫米(进气门),2.13毫米(排气门)。

(6)气门倾角ε是65.86°(进气门),66.34°(排气门)。

(7)设定活塞头部与气门间最小许用间隙为1毫米。

3.2 活塞升程(X)的计算

根据式1,可以计算得到活塞的升程(X),请见图6。

3.3 计算气门最低点与活塞头部的间隙Z

根据式2可以计算出气门最低点与活塞头部的间隙,请见图7。

由图7可知:

(1)最大干涉出现在曲轴转角为185°时,此时间隙为-0.63毫米,表示活塞头部与气门最低点有重叠,则必须采用避阀坑,根据最小许用间隙为1毫米的要求,避阀坑的深度为1.63毫米。

(2)最大干涉出现在曲轴转角为175°时,此时间隙为0.65毫米,表示活塞头部与气门最低点没有重叠,但其值小于1毫米的许用间隙,因此也必须采用避阀坑,其深度为应为0.35毫米。

4 结论

综上所述,发动机活塞避阀坑的正确设计是保证发动机正常运转的必要条件。本文对发动设计的具体流程作了详细的介绍,希望可以为活塞的设计提供帮助。