简述柴油机配气机构工作过程和相位图
发布时间：2024-06-01 点击：158
简述柴油机配气机构工作过程和相位图
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。
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。
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。
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
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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。
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。
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。
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
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