四冲程单缸柴油机用凸轮轴改装为六冲程用凸轮轴的方法

摘要

本发明提供了一种四冲程单缸柴油机用凸轮轴改装为六冲程用凸轮轴的方法，通过改装正时齿轮，增加水泵凸轮，确定进气凸轮和排气凸轮的位置，改装进气凸轮的进气凸缘，改装排气凸轮的第一排气凸缘，改装排气凸轮的第二排气凸缘，确定第一排气凸缘与第二排气凸缘的相对相位角，最终得到改装后的六冲程单缸柴油机凸轮轴。本发明促进了六冲程工作原理向生产实践的转化，在没有增加轴的前提下，设计了关键的两凸点排气凸轮，实现了六冲程第一次部分排气与第二次完全排气两次排气过程，基于丰满度优化了凸轮型线，根据剩余废气质量与凸轮型线设计第一排气凸轮的最大升程，为凸轮轴从四冲程向六冲程的改装提供了一整套改装方法。

主权项

1.一种四冲程单缸柴油机用凸轮轴改装为六冲程用凸轮轴的方法，由四冲程单缸柴油机用凸轮轴改装的六冲程用凸轮轴包括凸轮轴主轴（1），在凸轮轴主轴（1）上固定装配有正时齿轮（2），正时齿轮（2）将凸轮轴主轴（1）分为动力段（3）和配气段（4），动力段（3）设置有油泵凸轮（5），配气段（4）设置有进气凸轮（7）和排气凸轮（8），其特征在于：所述的正时齿轮（2）与单缸柴油机的曲轴之间的的转速比为1:3；所述的动力段（3）还设置有水泵凸轮（6）；所述的进气凸轮（7）上设置有一个进气凸缘（9），所述的排气凸轮（8）上设置有第一排气凸缘（10）和第二排气凸缘（11），所述的进气凸缘（9）、第一排气凸缘（10）和第二排气凸缘（11）均为轴对称结构；所述的改装方法包括以下步骤：步骤S1：改装正时齿轮（2）以四冲程单缸柴油机凸轮轴为基础，将正时齿轮（2）与单缸柴油机的曲轴的转速比确定为1:3；步骤S2：增加水泵凸轮（6）在凸轮轴主轴（1）的动力段（3）设置一个结构与油泵凸轮（5）结构相同的水泵凸轮（6）；步骤S3：确定进气凸轮（7）和排气凸轮（8）的位置在凸轮轴主轴（1）的配气段（4）与四冲程单缸柴油机凸轮轴上相同的位置处安装有进气凸轮（7）和排气凸轮（8）；步骤S4：改装进气凸轮（7）的进气凸缘（9）六冲程单缸柴油机的进气门的进气提前角和进气迟闭角与四冲程单缸柴油机的进气门的进气提前角和进气迟闭角相同，得到进气持续角=进气提前角+进气迟闭角+180°，确定六冲程单缸柴油机凸轮轴的进气凸缘（9）的全包角，进气凸缘（9）的全包角=1/3进气持续角；六冲程单缸柴油机的进气凸缘（9）的最大升程与四冲程单缸柴油机的进气凸缘（9）的最大升程相同；步骤S5：改装排气凸轮（8）的第一排气凸缘（10）根据六冲程单缸柴油机的部分排气及二次压缩冲程，该冲程部分排气无排气提前角，也无排气迟闭角，得到六冲程单缸柴油机凸轮轴的第一排气凸缘（10）的开启角为540°，确定六冲程单缸柴油机凸轮轴的第一排气凸缘（10）的全包角，第一排气凸缘（10）的全包角=1/3部分排气持续角，部分排气持续角的具体设计过程如下所述：步骤S5-1：确定凸轮型线根据凸轮的可靠性，从动件正弦加速度运动规律的加速度曲线没有突变，在连续运动中不会产生冲击，能够应用于高速场合，因此采用正弦加速度运动曲线作为凸轮型线，凸轮型线对应的运动方程为：式中：Φ为第一排气凸缘的半包角；h为第一排气凸缘的最大升程；s表示从动件推杆的位移；ν表示从动件推杆的速度；ω表示从动件推杆的角速度；步骤S5-2：确定凸轮的最大升程凸轮的最大升程小于等于四冲程单缸柴油机的排气凸轮的最大升程，选择一个凸轮的最大升程；步骤S5-3：根据凸轮型线对应的运动方程和凸轮的最大升程确定排气量$m_A=-{\mu }_A{A}_A\sqrt{2\mathrm{P\rho }}\sqrt{\frac{\kappa }{\kappa -1}[{\left(\frac{P_3}{P}\right)}^{\frac{2}{\kappa }}-{\left(\frac{P_3}{P}\right)}^{\frac{\kappa +1}{\kappa }}]}$式中：μ_A-排气阀流量系数；A_A-排气阀几何流动截面；μ_AA_A-排气阀有效流通截面；P-气缸压力；ρ-气缸内废气密度；$\kappa =\frac{\lambda -1}{0.0698+\lambda };$λ-气缸内气体过量空气系数；P₃-排气阀后的压力；步骤S5-4：根据排气量确定剩余废气量m_s＝m_L+m_B0-m_A式中：m_L-每一循环流入气缸的空气质量；m_B0-循环喷油量；m_A-流出气缸的废气质量；m_S-气缸内剩余废气质量；步骤S5-5：根据剩余废气量确定第一排气凸轮的关闭角在六冲程单缸柴油机的部分排气及二次压缩冲程内，选择一系列第一排气凸轮的关闭角对应的曲轴转角，对于选取的每一个曲轴转角，根据剩余废气量、以及喷水膨胀做功冲程结束时缸内的温度为100℃，压力为1Bar，确定吸收的废气内能-二次压缩的负功的绝对值差值，当吸收的废气内能-二次压缩的负功的绝对值差值最大且压缩负功同时不能超过燃烧做功的一半时，利用的有效功最高，选择该条件下的关闭角；具体确定吸收的废气内能ΔU₁减去二次压缩的负功的绝对值ΔU₂的差值ΔU的计算过程如下：ΔU＝ΔU₁-ΔU₂步骤S5-5-1：第五行程喷水膨胀阶段具体吸收的废气内能ΔU₁＝U₁-U₂U₁＝u₁*m_S U₂＝u₂*m_SU₁-二次压缩终了气缸内废气的内能，U₂-喷水膨胀行程终了时气缸内废气的内能比内能：$u_1=0.14455\left[\begin{array}{c}-(0.0975+\frac{0.0485}{{\lambda }^{0.75}}){(T_1-273)}^3\times {10}^{-6}+(7.768+\frac{3.36}{{\lambda }^{0.8}}){(T_1-273)}^2\times {10}^{-4}+\\ (489.6+\frac{46.4}{{\lambda }^{0.93}})\times (T_1-273)\times {10}^{-2}+1356.8+\frac{46.8}{\lambda }\end{array}\right]$$u_2=0.14455\left[\begin{array}{c}-(0.0975+\frac{0.0485}{{\lambda }^{0.75}}){(T_2-273)}^3\times {10}^{-6}+(7.768+\frac{3.36}{{\lambda }^{0.8}}){(T_2-273)}^2\times {10}^{-4}+\\ (489.6+\frac{46.4}{{\lambda }^{0.93}})\times (T_2-273)\times {10}^{-2}+1356.8+\frac{46.8}{\lambda }\end{array}\right]$式中：m_S—二次压缩终了时刻气缸内剩余质量；气缸内废气的过量空气系数；m_B0—循环喷油量  m_L－吸入气缸空气质量  L₀－理论空气量14.3；T₁—二次压缩终了时刻的温度，即喷水行程开始时刻气缸内废气的温度；_T2—喷水行程终了混合气的温度，为100℃；T₁根据如下过程获得：第二次压缩阶段总微分方程能量方程：质量方程：式中：Q_B—燃烧放出的热量；作用在活塞上的机械功；m_E—流入气缸的质量，H₂dm_E表示在期间流入质量微元dm_E所带入气缸的能量；m_A—流出气缸的质量，Hdm_A表示流出质量微元dm_A所带出气缸的能量；H₂—进气门前的比焓；H—缸内的比焓；λ—过量空气系数；第二次压缩阶段：故能量方程可简化为其中：P＝nRT/V$V_h=\frac{{\mathrm{\pi D}}^2}{4}L$式中：m表示部分排气终了时气缸内剩余废气量，即m=m_S；C_v表示定容比热；V_h－气缸工作容积；ε－压缩比；λs－曲柄半径连杆比；D－气缸直径；L－活塞行程；R－理想气体状态方程中的气态常数；步骤S5-5-2：第四行程二次压缩阶段消耗的功ΔU₂＝U₁-U₃U₁＝u₁*m_S U₃＝u₃*m_S式中：U₁表示二次压缩终了气缸内废气的内能；U₃表示二次压缩开始时气缸内废气的内能；比内能：$u_3=0.14455\left[\begin{array}{c}-(0.0975+\frac{0.0485}{{\lambda }^{0.75}}){(T_3-273)}^3\times {10}^{-6}+(7.768+\frac{3.36}{{\lambda }^{0.8}}){(T_3-273)}^2\times {10}^{-4}+\\ (489.6+\frac{46.4}{{\lambda }^{0.93}})\times (T_3-273)\times {10}^{-2}+1356.8+\frac{46.8}{\lambda }\end{array}\right]$式中：T₃—二次压缩开始时刻气缸内废气的温度；T₃根据如下过程获得：第一次排气阶段总微分方程能量方程：质量方程：式中：Q_B—燃烧放出的热量；作用在活塞上的机械功；m_E—流入气缸的质量，H₂dm_E表示在期间流入质量微元dm_E所带入气缸的能量；m_A—流出气缸的质量，Hdm_A表示流出质量微元dm_A所带出气缸的能量；H₂—进气门前的比焓；H—缸内的比焓；λ—过量空气系数；第一次排气阶段：故能量方程可简化为：h-u=RT整理得总微分方程为：其中：P＝nRT/V$V_h=\frac{{\mathrm{\pi D}}^2}{4}L$步骤S5-6：根据第一排气凸轮的关闭角确定第一排气凸缘（10）的全包角部分排气持续角=第一排气凸缘的关闭-第一排气凸缘的开启角，第一排气凸缘（10）的全包角=1/3部分排气持续角；步骤S6：改装排气凸轮（8）的第二排气凸缘（11）六冲程单缸柴油机的排气冲程的排气提前角和排气迟闭角与四冲程单缸柴油机的排气冲程的排气提前角和排气迟闭角相同，得到六冲程单缸柴油机凸轮轴的第二排气凸缘（11）的排气持续角=排气提前角+排气迟闭角+180°，确定六冲程单缸柴油机凸轮轴的第二排气凸缘（11）的全包角，第二排气凸缘（11）的全包角=1/3排气持续角；第二排气凸缘（11）的最大升程与四冲程单缸柴油机的排气凸缘的最大升程一致；步骤S7：确定第一排气凸缘（10）与第二排气凸缘（11）的相对相位角根据六冲程单缸柴油机的排气冲程的排气提前角和排气迟闭角，确定第一排气凸缘（10）与第二排气凸缘（11）的相对相位角，第一排气凸缘（10）与第二排气凸缘（11）的相对相位角=1/3（1/2部分排气持续角+90°+180°-排气提前角+1/2排气持续角）。