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新闻主题	柴油机配气相位和气门重叠角的原理、影响及意义

 

摘要：配气相位指的是一个发动机在工作时，使空气和燃料按照一定的规律进入和排出汽缸的时间以及阀门的偏移量。 这个规律是由凸轮轴控制的，而凸轮轴是驱动汽缸内阀门工作的部件，其规律则是通过柴油机控制系统调整来实现的。合理的配气相位是根据发动机结构形式、转速等因素通过反复试验而确定的，结构不同，配气相位也不同；发动机转速不同，配气相位也不同。在发动机运行过程中，配气相位的调整将对发动机的性能产生至关重要的影响。因此。在进行柴油机维护和调整时需要对配气相位的状态进行全面的检测和调整，以保证柴油发电机组的动力性能和燃油经济性。

 

一、配气相位标记和类型

 

1、配气相位控制的意义

      通过调整配气相位可以调整发动机的进、排气效果，从而改善发动机的燃烧效率，增强发动机的输出功率。因此，配气相位的优化不仅能够提升柴油发电机的动力性能，同时还能够有效地降低柴油发电机的燃油消耗。

2、配气相位的类型

     常见的配气相位有相位提高和相位延迟两种，两种不同的相位调整方式对发动机的曲轴角度有不同的影响。具体来说，相位提高代表着凸轮轴在正时会提前若干度工作，但进、排气门的每次打开时间不会改变；而相位延迟则是凸轮轴在正时会延后若干度工作，此时进、排气门的每次打开时间同样不会改变。不同的调整方式会导致不同的发动机输出特性，需要根据柴油发电机实际情况进行灵活的调整。

 4、相位标记

      原理上柴油发电机的进气、压缩、做功和排气等过程都是在活塞到达上止点和到达下止点时开始或完成。但是为了进气更充分，排气更干净，进、排气门要提早打开、延迟关闭。柴油发电机的进、排气门开始开启和关闭终了的时刻以及开启的延续时间，通常用相对于上、下止点时的曲轴转角来表示，称为配气相位或配气定时。表示每缸进、排气配气相位（正时）关系的环形图，称配气相位（正时）图。

      配气相位要根据柴油发电机的使用工况和常用转速来确定。不同的柴油发电机，其配气相位是不同的。配气相位的数值要通过试验确定。为保证配气相位的准确，在曲轴与凸轮轴驱动机构之间通常设有专门的记号，在装配过程中必须按照相关说明书的要求将记号对准，不得随意改动。

 

二、配气相位原理

 

      配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开闭时刻和开启持续时间，通常用环形图（如图1所示）表示。由于一个行程需要180°的曲轴转角，因此一个四行程循环就是720°曲轴转角。发动机的换气控制是通过气门来实现的，气门开启和关闭时间根据曲轴转角以度(°)为单位说明。进、排气门开启行程的曲轴转角都大于180°，进气门和排气门的配气相位如图2所示。

图1  柴油机配气相位图

图2  进气和排气相位图解

 

三、气门重叠角

 

      气门重叠角是发动机中一个非常重要的参数，它可以影响到发动机的性能和燃油效率。在设计发动机时，需要通过计算来确定气门重叠角的大小。一般而言，气门重叠角为20°~60°(CA)，参数可见表1，相位可见图3。

1、气门重叠角的概念

      气门重叠角是指在发动机工作过程中，进气门和排气门同时开启的时间间隔。在这个时间间隔内，进气门和排气门同时开启，气体可以在缸内自由流动。气门重叠角的大小直接影响到发动机的性能和燃油效率，当柴油发电机小负荷运转时，由于进气压力较低， 要求气门重叠角减小，否则会出现废气倒流，使进气量减少。

      在上止点附近，进、排气门同时开启称气门重叠。在图4上，点2为进气门开启点，点3为排气门关闭终了时刻，对于非增压柴油机，在这一阶段，废气在惯性作用下继续排出气缸。进气门提前开启可为下一阶段作准备，即在抽吸进气开始时，由于气门提前开启，已经存在有一定的流动截面，使进气阻力减小，进气量增加。如果配气相位安排得当，在某些情况下，在这一阶段中，因为废气的惯性向外流动，对进气管中气体有一种“抽吸”作用，会使换气品质提高。

 

 表1    柴油机配气相位各角度参数

2、气门重叠角的计算方法

      气门重叠角的计算方法可以通过以下公式来计算：

ΔL = [（L₁ × D₁） ÷ （2 × 3.14 × R₁）] + [（L₂ × D₂） ÷ （2 × 3.14 × R₂）]

其中，ΔL为气门重叠角，L₁为进气门开启时间，D₁为进气门直径，R₁为进气门半径，L₂为排气门开启时间，D₂为排气门直径，R₂为排气门半径。

      在实际应用中，可以通过测量进气门和排气门的开启时间、直径和半径来计算气门重叠角。此外，还可以通过发动机模拟软件来计算气门重叠角，以确定最优的气门重叠角大小。

3、气门重叠角的应用

（1）气门重叠角的大小对发动机的性能和燃油效率有着重要的影响。在发动机设计中，需要通过计算来确定最优的气门重叠角大小。在高性能发动机中，气门重叠角通常较大，可以提高发动机的进气效率和排气效率，从而提高发动机的性能。而在低功率发动机中，气门重叠角通常较小，可以提高发动机的燃油效率。

（2）在发动机的调校中，可以通过调整气门重叠角来改变发动机的性能和燃油效率。通过增加气门重叠角，可以提高发动机的进气效率和排气效率，从而提高发动机的性能。而通过减小气门重叠角，可以提高发动机的燃油效率。

      气门重叠角是发动机中一个非常重要的参数，它可以影响到发动机的性能和燃油效率。在设计发动机时，需要通过计算来确定最优的气门重叠角大小。通过调整气门重叠角，可以改变发动机的性能和燃油效率，从而实现最佳的发动机性能。

 

图3  气门重叠角示意图

图4  柴油机换气过程曲线图

 

四、配气相位对发动机工况的影响

 

1、进气提前角对发动机工作的影响

      进气门提前开启，新鲜充量的真正吸入还是要等到气缸内残余废气膨胀，压力降至低于进气压力后才开始。活塞在由上止点向下运动一定角度后速度增加，而此时气门开启还不够充分，缸内的压力迅速降低，这为新鲜充量的顺利流人创造了条件。随着进气门流通面积的加大，以及较高的进气流速，进入气缸的新鲜充量不断增加，再加上燃烧室表面和残余废气对新鲜充量的加热作用，气缸压力逐渐升高。进气阶段结束后，活塞由上止点开始下行。初期，由于气缸内残余废气压力仍高于大气压力，新气不能充入气缸，只有当残余废气膨胀到压力低于大气压力后，新气才被吸入气缸。由于气门提前开启，此时进气通道截面已经开启较大，保证大量新气进入气缸。这样就使得有足够的混合气。

2、进气迟闭角对发动机工作的影响

      活塞到达下止点时，进气门并未马上关闭，而是推迟到下止点后某一曲轴转角才关闭，这个滞后角度称为进气门迟闭角。在这段曲轴转角内，活塞虽然已经上行，但进气系统向缸内充气的气流速度依然较高，进气门迟闭正是利用了在进气过程中形成的气流惯性，实现向气缸的过后充气，增加缸内充气量。这样，有可能使得进气过程终了时，缸内压力等于或略高于进气管压力。发动机高速运转时进气流速高，惯性大，进气门迟闭角应相应增大一些。为了利用这种高速进气流的惯性，增加充气量，减少功耗，就使得气缸在活塞运行到下止点后才完全关闭进气门。尽管利用过后充气可以有效地增加进入气缸的空气量，但过大的进气门迟闭角，会使得在低速时发生缸内气流倒流进入进气管的现象，也会影响有效压缩比，从而影响压缩终了温度，使发动机的冷起动困难。因此，合理的配气相位是十分重要的。

3、排气提前角对发动机工作的影响

      由于受配气机构及其运动规律的限制，排气门不可能瞬时完全打开，气门开启有一个过程，其流通截面只能逐渐增加到最大；在排气门开启的最初一段时间内，排气流通截面积很小，废气排出的流量小。如果排气门刚好在膨胀行程的下止点才开始打开，气门升程小，排气流通截面积小，排气不畅，气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点运动强制排气时，将大大增加排气冲程的活塞推出功。

      发动机的转速对排气损失影响如图5、图6所示。发动机的转速增加，相同的排气提前角所对应的排气时间就变短，通过排气门排出的废气量减少，膨胀损失减少，但却使得缸内压力水平提高，因而活塞推出功大大增加。一般而言，发动机转速增高时排气损失总体上呈现增加的趋势，所以排气提前角应随转速的增加而适当加大。

4、排气迟闭角对发动机工作的影响

      发动机的排气门也不是在活塞的排气上止点关闭的，而是有一个滞后角。一方面可以避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的增加，使活塞强制排气所消耗的推出功与缸内的残余废气量增加；另一方面还可以利用排气管内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分废气，实现过后排气。

 

图5  柴油机转速不变时排气提前角的影响

图6  柴油机排气提前角不变时转速的影响

 

总结：

      综上所述，发动机在换气过程中，若能够做到排气彻底、进气充分，则可以提高充气系数，增大发动机的输出功率。而配气相位的调整可以延长柴油发电机进排气时间，即气门的开启和关闭时刻并不正好是活塞处于上止点和下止点的时刻，而是分别提前或延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机动力性。

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