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简述柴油机配气机构工作过程和相位图 |
摘要：配气机构与进排气系统的功用是按柴油机的工作循环和着火顺序，定时地开启和关闭各缸的进排气门，以保证新鲜空气适时充入气缸，并将燃烧后的废气即时排出。发动机配气机构的类型有：气门式、气孔式和气孔-气门式三种类型。四冲程柴油机普遍采用气门式配气机构。柴油机对配气机构及进排气系统的要求是：进入气缸的新鲜空气要尽可能多，排气要尽可能充分；进、排气门的开闭时刻要准确，开闭时的振动和噪声要尽量小；另外，要工作可靠，使用寿命长和便于调整。本节着重讲述四冲程柴油机的气门式配气机构及其进排气系统。
一、 配气机构工作过程
气门式配气机构由气门组（气门、气门导管、气门座及气门弹簧等）和气门传动组（推杆、摇臂、凸轮轴和正时齿轮等）组成。
1、按气门相对于气缸位置分类
柴油机配气机构的结构形式较多，按照气门相对于气缸的位置不同可分为两种形式：
（1）侧置式
气门布置在气缸侧面的称为侧置式气门配气机构；采用侧置式气门配气机构布置的燃烧室横向面积大，结构不紧凑，而高度又受气流和气门运动的限制不能太小，所以当压缩比大于7.5时，燃烧室就很难布置。对于柴油机，由于压缩比不能太低，所以广泛采用顶置式气门配气机构。其结构组成如图1所示。
（2）顶置式
气门布置在气缸顶部的称为顶置式气门配气机构。顶置式气门配气机构如图2所示，由凸轮轴、挺柱、推杆、气门摇臂和气门等零件组成。进、排气门都布置在气缸盖上，气门头部朝下，尾部朝上。如凸轮轴为了传动方便而靠近曲轴，则凸轮与气门之间的距离就较长。中间必须通过挺柱、推杆、摇臂等一系列零件才能驱动气门，使机构较为复杂，整个系统的刚性较差。
顶置式气门配气机构工作过程如下：
凸轮轴由曲轴通过齿轮驱动。当柴油机工作时，凸轮轴即随曲轴转动，对于四冲程柴油机而言，凸轮轴的转速为曲轴转速的1/2，即曲轴转两转完成一个工作循环，而凸轮轴转一转，使进、排气门各开启一次。当凸轮轴转到凸起部分与挺柱相接触时，挺柱开始升起。通过推杆和调整螺钉使摇臂绕摇臂轴转动，摇臂的另一端即压下气门，使气门开启。在压下气门的同时，内、外两个气门弹簧也受到压缩。当凸轮轴凸起部分的最高点转过挺柱平面以后，挺柱及推杆随凸轮的转动而下落，被压紧的气门弹簧通过气门弹簧座和气门锁片，将气门向上抬起，最后压紧在气门座上，使气门关闭。气门弹簧在安装时就有一定的预紧力，以保证气门与气门座贴合紧密而不致漏气。
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图1 侧置气门式配气机构 |
1-气缸盖；2-气门导管；3-气门；4-气门主弹簧；5-气门副弹簧；6-气门弹簧座；7-锁片；8-气门室罩；9-摇臂轴；10-气门摇臂；11-锁紧螺母；12-调整螺钉；13-推杆；14-挺柱；15-凸轮轴 图2 柴油机顶置式气门结构 |
2、 按凸轮轴的布置位置分类
按凸轮轴的布置位置可分为上置凸轮轴式、中置凸轮轴式和下置凸轮轴式。
（1）上置凸轮轴式
上置凸轮轴式配气机构的凸轮轴安装在汽缸盖上，它一般有两种形式：一种是单凸轮轴式，如图3（a）所示；另一种是双凸轮轴式，如图3（b）所示。
（2）凸轮轴中置式配气机构
对于转速较高的发动机，为了减小气门传动机构的往复运动质量，通常将凸轮轴位置移至气缸体上部(相当于整个发动机的中部)，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，而省去推杆，由摇臂驱动气门，这种结构称为凸轮轴中置式配气机构，如图4（a）所示。这种方案如仍采用齿轮传动，需要加中间齿轮(隋轮)。
（3）凸轮轴下置式配气机构
凸轮轴由曲轴通过正时齿轮驱动，一般将凸轮轴布置在曲轴箱从底部偏向中部的位置，目的是尽可能缩短凸轮轴与曲轴之间的距离，此种结构称为凸轮轴下置式配气机构，如图4（b）所示。这种方案传动简单，一般都采用齿轮传动。
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图3 上置凸轮轴配气机构 |
图4 下置式和中置式凸轮轴配气机构 |
3、按曲轴与凸轮轴之间的传动方式分类
按曲轴与凸轮轴之间的传动方式可分为齿轮传动式和链条传动式。
（1）齿轮传动
为了使齿轮啮合平顺，减小噪声和磨损，配对正时齿轮多用斜齿并用不同材料制成。为了保证配气正时，齿轮上都有正时记号，装配时必须使记号对齐。
（2）链条传动
正时齿轮通过链条驱动凸轮轴，在链条侧面有张紧机构和链条导板，利用张紧机构可以调整链条的张力。
4、按每缸的气门数目
按每缸的气门数目可分为二气门、三气门、四气门和五气门机构。
一般发动机采用较多的是每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门。这种结构在可能的条件下应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径，以改善汽缸的换气性能。但是，由于受到燃烧室尺寸的限制，从理论上讲，最大气门直径一般不超过汽缸直径的一半。当汽缸直径较大、活塞平均速度较高时，每缸一进一排的气门结构就不能满足发动机对换气的要求。这就要采用每缸三气门（如图5所示）、四气门（如图6所示）的结构。
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图5 三气门配气机构布置示意图 |
图6 每缸四气门配气机构布置图 |
二、配气相位原理与调整
原理上柴油机的进气、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，如图7所示。
在四冲程发动机的简单工作循环中，为了方便，曾把进、排气过程都看作是在活塞的一个行程内即曲轴转180°完成的，即气门开关时刻是在活塞的上、下止点处。但实际情况并非如此。由于发动机转速很高，一个行程的时间极短，这样短的时间难以做到进气充分，排气干净。为了改善换气过程，提高发动机性能，实际发动机的气门开启和关闭并不恰好在活塞的上、下止点，而是适当地提前和滞后，以延长进、排气的时间。也就是说，气门开启过程中曲轴转角都大于180°。
1、进气门的配气相位
（1）进气提前角
在排气行程接近终了，活塞到达上止点之前，进气门便开始开启。从进气门开始开启到上止点所对应的曲轴转角称为进气提前角（或早开角），用α表示，一般为10°～30°。进气门提前开启的目的，是为了保证进气行程开始时进气门已开大，新鲜气体能顺利地充入汽缸。
（2）进气滞后角
在进气行程下止点过后，活塞重又上行一段，进气门才关闭。从下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角称为进气滞后角（或晚关角），用β表示，β一般为4°～8°。进气门晚关，是因为活塞到达下止点时，由于进气阻力的影响，汽缸内的压力仍低于大气压，且气流还有相当大的惯性，仍能继续进气。下止点过后，随着活塞的上行，汽缸内压力逐渐增大，进气气流速度也逐渐减小，至流速等于0时，进气门便关闭的β角最适宜。β过大便会将进入汽缸的气体重新又压回进气管。
由上可见，进气门开启持续时间内的曲轴转角，即进气持续角为α+180°+β，其配气相位如图8（a）所示。
2、排气门的配气相位
（1）排气提前角
在做功行程的后期，活塞到达下止点前，排气门便开始开启。从排气门开始开启到下止点所对应的曲轴转角称为排气提前角（或早开角），用y表示，γ一般为40°～80°。排气门恰当地早开，汽缸内还有0.3～0.5MPa的压力，做功作用已经不大，但利用此压力可使汽缸内的废气迅速地自由排出，待活塞到达下止点时，汽缸内只剩0.11～0.12MPa的压力，使排气行程所消耗的功率大为减小。此外，高温废气的早排，还可防止发动机过热。但y角若过大，则将得不偿失。
（2）排气滞后角
在活塞越过上止点后，排气门才关闭。从上止点到排气门关闭所对应的曲轴转角称为排气滞后角（或晚关角），用δ表示，δ一般为10°～30°。由于活塞到达上止点时，汽缸内的压力仍高于大气压，且废气气流有一定的惯性，所以排气门适当晚关可使废气排得较干净。
由上可见，排气门开启持续时间内的曲轴转角，即排气持续角为y+180°+δ，其配气相位如图8（b）所示。
3、气门的叠开
由于进气门早开和排气门晚关，就出现了一段进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开。同时开启的角度，即进气门早开角与排气门晚关角的和α+δ，称为气门叠开角。
由于进气门关闭时，活塞距下止点已较远，其速度已相当大。因而晚关角的变化对汽缸内的容积及充量的影响较大。在配气相位的4个角中，进气滞后角的大小，对发动机性能的影响最大。因此，一般发动机当配气相位变滞后，影响发动机性能最大的进气滞后角变大，而这正是高速时所要求的，所以对高速稍有利但低速性能变坏；反之，配气相位变早时，进气滞后角变小，对低速稍有利而高速性能变坏。
对于不同发动机，由于结构形式、转速各不相同，因而配气相位也不相同。合理的配气相位应根据发动机性能要求，通过反复试验确定。
4、配气相位的调整
配气相位要根据柴油机的使用工况和常用转速来确定。不同的柴油机，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。
（1）将凸轮皮带轮上的标记对准齿形皮带防护罩上的标记；
（2）将齿轮皮带套在齿形皮带轮上和张紧轮上；
（3）按照顺时针方向转动张紧轮齿形皮带轮；
（4）转动曲轴检查调整记号是否正确；
（5）紧固张紧轮螺栓；
（6）转动两圈检查调整正时记号。
注意事项：进行皮带拆卸修理工作后，必须对皮带和配气相位进行调整，同时保证皮带张紧度符合要求。
5、可变配气相位
尽管不同发动机配气相位是根据试验而取得的最佳配气相位，从而成为设计凸轮型线及确定各汽缸进、排气凸轮在凸轮轴上相对位置的依据。但实际上当配气凸轮轴设计已定，则发动机的配气相位也就确定下来了，在发动机运转过程中是不能改变的。然而，发动机转速的高低对进、排气流动以及汽缸内的燃烧过程是有影响的。转速高时，进气气流流速高，惯性能量大，所以希望进气门早些打开，晚些关闭，尽量多进一些混合气或空气；反之，在发动机转速低时，进气流速低，流动惯性能量小，如果进气门过早开启，由于此时活塞正在上行排气，很容易把新鲜气体挤出汽缸，使进气反而少了，发动机工作更趋不稳定。因此，在低转速时，希望发动机进气门稍晚些开启。另外，在发动机转速不同时，对配气相位的要求是不同的。如果凸轮型线所规定的配气相位适用于高速，那么在低转速时，性能就不会太好；反之亦然。为了取得平衡，一般凸轮型线设计时，配气相位既要照顾到高速，又要兼顾低速，所以是一个折中的配气方案，很难达到真正的最佳配气相位。
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图7 柴油机配气相位图 |
图8 进排气门配气相位 |
三、气门间隙位置与调整
发动机工作时，气门、推杆、挺柱等零件因温度升高而伸长。如果在室温下装配时，气门和各传动零件（摇臂、推杆、挺柱）及凸轮轴之间紧密接触，则在热态下，气门势必关闭不严，造成气缸漏气。为保证气门的密封性，必须在气门与传动件之间留出适当的间隙，我们习惯称之为“气门间隙”，并有“冷间隙”与“热间隙”之分。
气门传动组（气门与挺柱或气门与摇臂之间）在常温下装配时必须留有适当的间隙，以补偿气门及各传动零件的热膨胀，此间隙称为气门的冷间隙；在发动机正常运转时（热状态下），也需要一定的气门间隙，保证凸轮不作用于气门时，气门能完全密闭。发动机在热态下的气门间隙称为气门的热间隙。
在柴油机使用过程中，由于零件的磨损与变形，气门间隙会逐渐增大，促使进、排气门迟开、早关，导致进、排气的时间变短，进气不足，排气不净，致使柴油机的动力性与经济性下降，同时使各零件之间的撞击与磨损加剧，噪声增大；若气门间隙过小，则会引起气门密封不严而漏气，导致柴油机功率下降，油耗增加，甚至烧坏气门零件。
因此，在使用过程中，应定期检查和调整气门间隙。柴油机的气门间隙一般由制造厂给出，各机型都有具体规定，气门间隙调整装置所在位置如图9所示。在常温下（冷间隙），一般进气门间隙在0.20～0.35mm之间，排气门间隙在0.30～0.40mm范围内。有的发动机只规定了冷间隙，此时的冷间隙数值能保证发动机在热机状态下仍有一定的气门间隙。有的发动机则分别规定了冷间隙和热间隙。装配时应将气门间隙调整到规定数值。
调整发动机气门间隙最好在冷机状态下，气门完全关闭时进行。因为在热机状态下，由于柴油机工作时间的长短不同，其机温也有所差别，气门间隙的大小不好把握。调整时，首先转动曲轴使要调整缸的活塞恰好处于压缩冲程上止点位置，此时，进、排气门处于完全关闭状态，然后用旋具和厚薄规调整该缸的进、排气门间隙，调整完毕后按同样方法依次调整其他缸。
调整气门间隙的方法如图10所示，先松开调整螺钉的锁紧螺母，再旋转调整螺钉，用规定数值的厚薄规插入气门杆与摇臂之间进行测量，使气门间隙符合规定，调整好后再将锁紧螺母拧紧，复查一次，直至气门间隙在规定的范围内。
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图9 柴油机气门间隙调整位置示意图 |
图10 气门间隙调整步骤示意图 |
总结：
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