簡述柴油機配氣機構工作過程和相位圖
發布時間：2024-06-01 點擊：123
簡述柴油機配氣機構工作過程和相位圖
配氣機構與進排氣系統的功用是按柴油機的工作循環和著火順序，定時地開啟和關閉各缸的進排氣門，以保證新鮮空氣適時充入氣缸，并將燃燒后的廢氣即時排出。發動機配氣機構的類型有：氣門式、氣孔式和氣孔-氣門式三種類型。四沖程柴油機普遍采用氣門式配氣機構。柴油機對配氣機構及進排氣系統的要求是：進入氣缸的新鮮空氣要盡可能多，排氣要盡可能充分；進、排氣門的開閉時刻要準確，開閉時的振動和噪聲要盡量??；另外，要工作可靠，使用壽命長和便于調整。本節著重講述四沖程柴油機的氣門式配氣機構及其進排氣系統。
一、 配氣機構工作過程
氣門式配氣機構由氣門組（氣門、氣門導管、氣門座及氣門彈簧等）和氣門傳動組（推桿、搖臂、凸輪軸和正時齒輪等）組成。
1、按氣門相對于氣缸位置分類
柴油機配氣機構的結構形式較多，按照氣門相對于氣缸的位置不同可分為兩種形式：
（1）側置式
氣門布置在氣缸側面的稱為側置式氣門配氣機構；采用側置式氣門配氣機構布置的燃燒室橫向面積大，結構不緊湊，而高度又受氣流和氣門運動的限制不能太小，所以當壓縮比大于7.5時，燃燒室就很難布置。對于柴油機，由于壓縮比不能太低，所以廣泛采用頂置式氣門配氣機構。其結構組成如圖1所示。
（2）頂置式
氣門布置在氣缸頂部的稱為頂置式氣門配氣機構。頂置式氣門配氣機構如圖2所示，由凸輪軸、挺柱、推桿、氣門搖臂和氣門等零件組成。進、排氣門都布置在氣缸蓋上，氣門頭部朝下，尾部朝上。如凸輪軸為了傳動方便而靠近曲軸，則凸輪與氣門之間的距離就較長。中間必須通過挺柱、推桿、搖臂等一系列零件才能驅動氣門，使機構較為復雜，整個系統的剛性較差。
頂置式氣門配氣機構工作過程如下：
凸輪軸由曲軸通過齒輪驅動。當柴油機工作時，凸輪軸即隨曲軸轉動，對于四沖程柴油機而言，凸輪軸的轉速為曲軸轉速的1/2，即曲軸轉兩轉完成一個工作循環，而凸輪軸轉一轉，使進、排氣門各開啟一次。當凸輪軸轉到凸起部分與挺柱相接觸時，挺柱開始升起。通過推桿和調整螺釘使搖臂繞搖臂軸轉動，搖臂的另一端即壓下氣門，使氣門開啟。在壓下氣門的同時，內、外兩個氣門彈簧也受到壓縮。當凸輪軸凸起部分的最高點轉過挺柱平面以后，挺柱及推桿隨凸輪的轉動而下落，被壓緊的氣門彈簧通過氣門彈簧座和氣門鎖片，將氣門向上抬起，最后壓緊在氣門座上，使氣門關閉。氣門彈簧在安裝時就有一定的預緊力，以保證氣門與氣門座貼合緊密而不致漏氣。
圖1 側置氣門式配氣機構
1-氣缸蓋；2-氣門導管；3-氣門；4-氣門主彈簧；5-氣門副彈簧；6-氣門彈簧座；7-鎖片；8-氣門室罩；9-搖臂軸；10-氣門搖臂；11-鎖緊螺母；12-調整螺釘；13-推桿；14-挺柱；15-凸輪軸
圖2 柴油機頂置式氣門結構
2、按凸輪軸的布置位置分類
按凸輪軸的布置位置可分為上置凸輪軸式、中置凸輪軸式和下置凸輪軸式。
（1）上置凸輪軸式
上置凸輪軸式配氣機構的凸輪軸安裝在汽缸蓋上，它一般有兩種形式：一種是單凸輪軸式，如圖3（a）所示；另一種是雙凸輪軸式，如圖3（b）所示。
（2）凸輪軸中置式配氣機構
對于轉速較高的發動機，為了減小氣門傳動機構的往復運動質量，通常將凸輪軸位置移至氣缸體上部(相當于整個發動機的中部)，由凸輪軸經過挺柱直接驅動搖臂，而省去推桿，由搖臂驅動氣門，這種結構稱為凸輪軸中置式配氣機構，如圖4（a）所示。這種方案如仍采用齒輪傳動，需要加中間齒輪(隋輪)。
（3）凸輪軸下置式配氣機構
凸輪軸由曲軸通過正時齒輪驅動，一般將凸輪軸布置在曲軸箱從底部偏向中部的位置，目的是盡可能縮短凸輪軸與曲軸之間的距離，此種結構稱為凸輪軸下置式配氣機構，如圖4（b）所示。這種方案傳動簡單，一般都采用齒輪傳動。
圖3 上置凸輪軸配氣機構
圖4 下置式和中置式凸輪軸配氣機構
3、按曲軸與凸輪軸之間的傳動方式分類
按曲軸與凸輪軸之間的傳動方式可分為齒輪傳動式和鏈條傳動式。
（1）齒輪傳動
為了使齒輪嚙合平順，減小噪聲和磨損，配對正時齒輪多用斜齒并用不同材料制成。為了保證配氣正時，齒輪上都有正時記號，裝配時必須使記號對齊。
（2）鏈條傳動
正時齒輪通過鏈條驅動凸輪軸，在鏈條側面有張緊機構和鏈條導板，利用張緊機構可以調整鏈條的張力。
4、按每缸的氣門數目
按每缸的氣門數目可分為二氣門、三氣門、四氣門和五氣門機構。
一般發動機采用較多的是每缸兩個氣門，即一個進氣門和一個排氣門。這種結構在可能的條件下應盡量加大氣門的直徑，特別是進氣門的直徑，以改善汽缸的換氣性能。但是，由于受到燃燒室尺寸的限制，從理論上講，最大氣門直徑一般不超過汽缸直徑的一半。當汽缸直徑較大、活塞平均速度較高時，每缸一進一排的氣門結構就不能滿足發動機對換氣的要求。這就要采用每缸三氣門（如圖5所示）、四氣門（如圖6所示）的結構。
圖5 三氣門配氣機構布置示意圖
圖6 每缸四氣門配氣機構布置圖
二、配氣相位
原理上柴油機的進氣、壓縮、做功和排氣等過程，都是在活塞到達上止點和到達下止點時開始或完成。但是為了進氣更充分、排氣更干凈，進、排氣門要提早打開、延遲關閉。柴油機的進、排氣門開始開啟和關閉終了的時刻以及開啟的延續時間，通常用相對于上、下止點時的曲軸轉角來表示，稱為配氣相位或配氣定時。表示每缸進、排氣配氣相位（正時）關系的環形圖，稱配氣相位（正時）圖，如圖7所示。
在四沖程發動機的簡單工作循環中，為了方便，曾把進、排氣過程都看作是在活塞的一個行程內即曲軸轉180°完成的，即氣門開關時刻是在活塞的上、下止點處。但實際情況并非如此。由于發動機轉速很高，一個行程的時間極短，這樣短的時間難以做到進氣充分，排氣干凈。為了改善換氣過程，提高發動機性能，實際發動機的氣門開啟和關閉并不恰好在活塞的上、下止點，而是適當地提前和滯后，以延長進、排氣的時間。也就是說，氣門開啟過程中曲軸轉角都大于180°。
1、進氣門的配氣相位
（1）進氣提前角
在排氣行程接近終了，活塞到達上止點之前，進氣門便開始開啟。從進氣門開始開啟到上止點所對應的曲軸轉角稱為進氣提前角（或早開角），用α表示，一般為10°～30°。進氣門提前開啟的目的，是為了保證進氣行程開始時進氣門已開大，新鮮氣體能順利地充入汽缸。
（2）進氣滯后角
在進氣行程下止點過后，活塞重又上行一段，進氣門才關閉。從下止點到進氣門關閉所對應的曲軸轉角稱為進氣滯后角（或晚關角），用β表示，β一般為4°～8°。進氣門晚關，是因為活塞到達下止點時，由于進氣阻力的影響，汽缸內的壓力仍低于大氣壓，且氣流還有相當大的慣性，仍能繼續進氣。下止點過后，隨著活塞的上行，汽缸內壓力逐漸增大，進氣氣流速度也逐漸減小，至流速等于0時，進氣門便關閉的β角最適宜。β過大便會將進入汽缸的氣體重新又壓回進氣管。
由上可見，進氣門開啟持續時間內的曲軸轉角，即進氣持續角為α+180°+β，其配氣相位如圖8（a）所示。
2、排氣門的配氣相位
（1）排氣提前角
在做功行程的后期，活塞到達下止點前，排氣門便開始開啟。從排氣門開始開啟到下止點所對應的曲軸轉角稱為排氣提前角（或早開角），用y表示，γ一般為40°～80°。排氣門恰當地早開，汽缸內還有0.3～0.5mpa的壓力，做功作用已經不大，但利用此壓力可使汽缸內的廢氣迅速地自由排出，待活塞到達下止點時，汽缸內只剩0.11～0.12mpa的壓力，使排氣行程所消耗的功率大為減小。此外，高溫廢氣的早排，還可防止發動機過熱。但y角若過大，則將得不償失。
（2）排氣滯后角
在活塞越過上止點后，排氣門才關閉。從上止點到排氣門關閉所對應的曲軸轉角稱為排氣滯后角（或晚關角），用δ表示，δ一般為10°～30°。由于活塞到達上止點時，汽缸內的壓力仍高于大氣壓，且廢氣氣流有一定的慣性，所以排氣門適當晚關可使廢氣排得較干凈。
由上可見，排氣門開啟持續時間內的曲軸轉角，即排氣持續角為y+180°+δ，其配氣相位如圖8（b）所示。
3、氣門的疊開
由于進氣門早開和排氣門晚關，就出現了一段進、排氣門同時開啟的現象，稱為氣門疊開。同時開啟的角度，即進氣門早開角與排氣門晚關角的和α+δ，稱為氣門疊開角。
由于進氣門關閉時，活塞距下止點已較遠，其速度已相當大。因而晚關角的變化對汽缸內的容積及充量的影響較大。在配氣相位的4個角中，進氣滯后角的大小，對發動機性能的影響最大。因此，一般發動機當配氣相位變滯后，影響發動機性能最大的進氣滯后角變大，而這正是高速時所要求的，所以對高速稍有利但低速性能變壞；反之，配氣相位變早時，進氣滯后角變小，對低速稍有利而高速性能變壞。
對于不同發動機，由于結構形式、轉速各不相同，因而配氣相位也不
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一、 配氣機構工作過程
氣門式配氣機構由氣門組（氣門、氣門導管、氣門座及氣門彈簧等）和氣門傳動組（推桿、搖臂、凸輪軸和正時齒輪等）組成。
1、按氣門相對于氣缸位置分類
柴油機配氣機構的結構形式較多，按照氣門相對于氣缸的位置不同可分為兩種形式：
（1）側置式
氣門布置在氣缸側面的稱為側置式氣門配氣機構；采用側置式氣門配氣機構布置的燃燒室橫向面積大，結構不緊湊，而高度又受氣流和氣門運動的限制不能太小，所以當壓縮比大于7.5時，燃燒室就很難布置。對于柴油機，由于壓縮比不能太低，所以廣泛采用頂置式氣門配氣機構。其結構組成如圖1所示。
（2）頂置式
氣門布置在氣缸頂部的稱為頂置式氣門配氣機構。頂置式氣門配氣機構如圖2所示，由凸輪軸、挺柱、推桿、氣門搖臂和氣門等零件組成。進、排氣門都布置在氣缸蓋上，氣門頭部朝下，尾部朝上。如凸輪軸為了傳動方便而靠近曲軸，則凸輪與氣門之間的距離就較長。中間必須通過挺柱、推桿、搖臂等一系列零件才能驅動氣門，使機構較為復雜，整個系統的剛性較差。
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凸輪軸由曲軸通過齒輪驅動。當柴油機工作時，凸輪軸即隨曲軸轉動，對于四沖程柴油機而言，凸輪軸的轉速為曲軸轉速的1/2，即曲軸轉兩轉完成一個工作循環，而凸輪軸轉一轉，使進、排氣門各開啟一次。當凸輪軸轉到凸起部分與挺柱相接觸時，挺柱開始升起。通過推桿和調整螺釘使搖臂繞搖臂軸轉動，搖臂的另一端即壓下氣門，使氣門開啟。在壓下氣門的同時，內、外兩個氣門彈簧也受到壓縮。當凸輪軸凸起部分的最高點轉過挺柱平面以后，挺柱及推桿隨凸輪的轉動而下落，被壓緊的氣門彈簧通過氣門彈簧座和氣門鎖片，將氣門向上抬起，最后壓緊在氣門座上，使氣門關閉。氣門彈簧在安裝時就有一定的預緊力，以保證氣門與氣門座貼合緊密而不致漏氣。
圖1 側置氣門式配氣機構
1-氣缸蓋；2-氣門導管；3-氣門；4-氣門主彈簧；5-氣門副彈簧；6-氣門彈簧座；7-鎖片；8-氣門室罩；9-搖臂軸；10-氣門搖臂；11-鎖緊螺母；12-調整螺釘；13-推桿；14-挺柱；15-凸輪軸
圖2 柴油機頂置式氣門結構
2、按凸輪軸的布置位置分類
按凸輪軸的布置位置可分為上置凸輪軸式、中置凸輪軸式和下置凸輪軸式。
（1）上置凸輪軸式
上置凸輪軸式配氣機構的凸輪軸安裝在汽缸蓋上，它一般有兩種形式：一種是單凸輪軸式，如圖3（a）所示；另一種是雙凸輪軸式，如圖3（b）所示。
（2）凸輪軸中置式配氣機構
對于轉速較高的發動機，為了減小氣門傳動機構的往復運動質量，通常將凸輪軸位置移至氣缸體上部(相當于整個發動機的中部)，由凸輪軸經過挺柱直接驅動搖臂，而省去推桿，由搖臂驅動氣門，這種結構稱為凸輪軸中置式配氣機構，如圖4（a）所示。這種方案如仍采用齒輪傳動，需要加中間齒輪(隋輪)。
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圖3 上置凸輪軸配氣機構
圖4 下置式和中置式凸輪軸配氣機構
3、按曲軸與凸輪軸之間的傳動方式分類
按曲軸與凸輪軸之間的傳動方式可分為齒輪傳動式和鏈條傳動式。
（1）齒輪傳動
為了使齒輪嚙合平順，減小噪聲和磨損，配對正時齒輪多用斜齒并用不同材料制成。為了保證配氣正時，齒輪上都有正時記號，裝配時必須使記號對齊。
（2）鏈條傳動
正時齒輪通過鏈條驅動凸輪軸，在鏈條側面有張緊機構和鏈條導板，利用張緊機構可以調整鏈條的張力。
4、按每缸的氣門數目
按每缸的氣門數目可分為二氣門、三氣門、四氣門和五氣門機構。
一般發動機采用較多的是每缸兩個氣門，即一個進氣門和一個排氣門。這種結構在可能的條件下應盡量加大氣門的直徑，特別是進氣門的直徑，以改善汽缸的換氣性能。但是，由于受到燃燒室尺寸的限制，從理論上講，最大氣門直徑一般不超過汽缸直徑的一半。當汽缸直徑較大、活塞平均速度較高時，每缸一進一排的氣門結構就不能滿足發動機對換氣的要求。這就要采用每缸三氣門（如圖5所示）、四氣門（如圖6所示）的結構。
圖5 三氣門配氣機構布置示意圖
圖6 每缸四氣門配氣機構布置圖
二、配氣相位
原理上柴油機的進氣、壓縮、做功和排氣等過程，都是在活塞到達上止點和到達下止點時開始或完成。但是為了進氣更充分、排氣更干凈，進、排氣門要提早打開、延遲關閉。柴油機的進、排氣門開始開啟和關閉終了的時刻以及開啟的延續時間，通常用相對于上、下止點時的曲軸轉角來表示，稱為配氣相位或配氣定時。表示每缸進、排氣配氣相位（正時）關系的環形圖，稱配氣相位（正時）圖，如圖7所示。
在四沖程發動機的簡單工作循環中，為了方便，曾把進、排氣過程都看作是在活塞的一個行程內即曲軸轉180°完成的，即氣門開關時刻是在活塞的上、下止點處。但實際情況并非如此。由于發動機轉速很高，一個行程的時間極短，這樣短的時間難以做到進氣充分，排氣干凈。為了改善換氣過程，提高發動機性能，實際發動機的氣門開啟和關閉并不恰好在活塞的上、下止點，而是適當地提前和滯后，以延長進、排氣的時間。也就是說，氣門開啟過程中曲軸轉角都大于180°。
1、進氣門的配氣相位
（1）進氣提前角
在排氣行程接近終了，活塞到達上止點之前，進氣門便開始開啟。從進氣門開始開啟到上止點所對應的曲軸轉角稱為進氣提前角（或早開角），用α表示，一般為10°～30°。進氣門提前開啟的目的，是為了保證進氣行程開始時進氣門已開大，新鮮氣體能順利地充入汽缸。
（2）進氣滯后角
在進氣行程下止點過后，活塞重又上行一段，進氣門才關閉。從下止點到進氣門關閉所對應的曲軸轉角稱為進氣滯后角（或晚關角），用β表示，β一般為4°～8°。進氣門晚關，是因為活塞到達下止點時，由于進氣阻力的影響，汽缸內的壓力仍低于大氣壓，且氣流還有相當大的慣性，仍能繼續進氣。下止點過后，隨著活塞的上行，汽缸內壓力逐漸增大，進氣氣流速度也逐漸減小，至流速等于0時，進氣門便關閉的β角最適宜。β過大便會將進入汽缸的氣體重新又壓回進氣管。
由上可見，進氣門開啟持續時間內的曲軸轉角，即進氣持續角為α+180°+β，其配氣相位如圖8（a）所示。
2、排氣門的配氣相位
（1）排氣提前角
在做功行程的后期，活塞到達下止點前，排氣門便開始開啟。從排氣門開始開啟到下止點所對應的曲軸轉角稱為排氣提前角（或早開角），用y表示，γ一般為40°～80°。排氣門恰當地早開，汽缸內還有0.3～0.5mpa的壓力，做功作用已經不大，但利用此壓力可使汽缸內的廢氣迅速地自由排出，待活塞到達下止點時，汽缸內只剩0.11～0.12mpa的壓力，使排氣行程所消耗的功率大為減小。此外，高溫廢氣的早排，還可防止發動機過熱。但y角若過大，則將得不償失。
（2）排氣滯后角
在活塞越過上止點后，排氣門才關閉。從上止點到排氣門關閉所對應的曲軸轉角稱為排氣滯后角（或晚關角），用δ表示，δ一般為10°～30°。由于活塞到達上止點時，汽缸內的壓力仍高于大氣壓，且廢氣氣流有一定的慣性，所以排氣門適當晚關可使廢氣排得較干凈。
由上可見，排氣門開啟持續時間內的曲軸轉角，即排氣持續角為y+180°+δ，其配氣相位如圖8（b）所示。
3、氣門的疊開
由于進氣門早開和排氣門晚關，就出現了一段進、排氣門同時開啟的現象，稱為氣門疊開。同時開啟的角度，即進氣門早開角與排氣門晚關角的和α+δ，稱為氣門疊開角。
由于進氣門關閉時，活塞距下止點已較遠，其速度已相當大。因而晚關角的變化對汽缸內的容積及充量的影響較大。在配氣相位的4個角中，進氣滯后角的大小，對發動機性能的影響最大。因此，一般發動機當配氣相位變滯后，影響發動機性能最大的進氣滯后角變大，而這正是高速時所要求的，所以對高速稍有利但低速性能變壞；反之，配氣相位變早時，進氣滯后角變小，對低速稍有利而高速性能變壞。
對于不同發動機，由于結構形式、轉速各不相同，因而配氣相位也不
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小知識：發電機組長時間不用再使用時應該要注意些什么？
柴油發電機組燃油的分類及選用原則
柴油發電機組電氣系統的安裝方法
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600kw濰柴柴油發電機組生產廠家哪個好？