新聞主題	柴油機(jī)配氣相位和氣門(mén)重疊角的原理、影響及意義

 

摘要：配氣相位指的是一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，使空氣和燃料按照一定的規(guī)律進(jìn)入和排出汽缸的時(shí)間以及閥門(mén)的偏移量。 這個(gè)規(guī)律是由凸輪軸控制的，而凸輪軸是驅(qū)動(dòng)汽缸內(nèi)閥門(mén)工作的部件，其規(guī)律則是通過(guò)柴油機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)的。合理的配氣相位是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)速等因素通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)而確定的，結(jié)構(gòu)不同，配氣相位也不同；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同，配氣相位也不同。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，配氣相位的調(diào)整將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。因此。在進(jìn)行柴油機(jī)維護(hù)和調(diào)整時(shí)需要對(duì)配氣相位的狀態(tài)進(jìn)行全面的檢測(cè)和調(diào)整，以保證柴油發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。

 

一、配氣相位標(biāo)記和類(lèi)型

 

1、配氣相位控制的意義

      通過(guò)調(diào)整配氣相位可以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣效果，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。因此，配氣相位的優(yōu)化不僅能夠提升柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力性能，同時(shí)還能夠有效地降低柴油發(fā)電機(jī)的燃油消耗。

2、配氣相位的類(lèi)型

     常見(jiàn)的配氣相位有相位提高和相位延遲兩種，兩種不同的相位調(diào)整方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸角度有不同的影響。具體來(lái)說(shuō)，相位提高代表著凸輪軸在正時(shí)會(huì)提前若干度工作，但進(jìn)、排氣門(mén)的每次打開(kāi)時(shí)間不會(huì)改變；而相位延遲則是凸輪軸在正時(shí)會(huì)延后若干度工作，此時(shí)進(jìn)、排氣門(mén)的每次打開(kāi)時(shí)間同樣不會(huì)改變。不同的調(diào)整方式會(huì)導(dǎo)致不同的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性，需要根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)實(shí)際情況進(jìn)行靈活的調(diào)整。

 4、相位標(biāo)記

      原理上柴油發(fā)電機(jī)的進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣等過(guò)程都是在活塞到達(dá)上止點(diǎn)和到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)開(kāi)始或完成。但是為了進(jìn)氣更充分，排氣更干凈，進(jìn)、排氣門(mén)要提早打開(kāi)、延遲關(guān)閉。柴油發(fā)電機(jī)的進(jìn)、排氣門(mén)開(kāi)始開(kāi)啟和關(guān)閉終了的時(shí)刻以及開(kāi)啟的延續(xù)時(shí)間，通常用相對(duì)于上、下止點(diǎn)時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角來(lái)表示，稱(chēng)為配氣相位或配氣定時(shí)。表示每缸進(jìn)、排氣配氣相位（正時(shí)）關(guān)系的環(huán)形圖，稱(chēng)配氣相位（正時(shí)）圖。

      配氣相位要根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)的使用工況和常用轉(zhuǎn)速來(lái)確定。不同的柴油發(fā)電機(jī)，其配氣相位是不同的。配氣相位的數(shù)值要通過(guò)試驗(yàn)確定。為保證配氣相位的準(zhǔn)確，在曲軸與凸輪軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間通常設(shè)有專(zhuān)門(mén)的記號(hào)，在裝配過(guò)程中必須按照相關(guān)說(shuō)明書(shū)的要求將記號(hào)對(duì)準(zhǔn)，不得隨意改動(dòng)。

 

二、配氣相位原理

 

      配氣相位是用曲軸轉(zhuǎn)角表示的進(jìn)、排氣門(mén)的開(kāi)閉時(shí)刻和開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間，通常用環(huán)形圖（如圖1所示）表示。由于一個(gè)行程需要180°的曲軸轉(zhuǎn)角，因此一個(gè)四行程循環(huán)就是720°曲軸轉(zhuǎn)角。發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣控制是通過(guò)氣門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角以度(°)為單位說(shuō)明。進(jìn)、排氣門(mén)開(kāi)啟行程的曲軸轉(zhuǎn)角都大于180°，進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)的配氣相位如圖2所示。

圖1  柴油機(jī)配氣相位圖

圖2  進(jìn)氣和排氣相位圖解

 

三、氣門(mén)重疊角

 

      氣門(mén)重疊角是發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)非常重要的參數(shù)，它可以影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃油效率。在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定氣門(mén)重疊角的大小。一般而言，氣門(mén)重疊角為20°~60°(CA)，參數(shù)可見(jiàn)表1，相位可見(jiàn)圖3。

1、氣門(mén)重疊角的概念

      氣門(mén)重疊角是指在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟的時(shí)間間隔。在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟，氣體可以在缸內(nèi)自由流動(dòng)。氣門(mén)重疊角的大小直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃油效率，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于進(jìn)氣壓力較低， 要求氣門(mén)重疊角減小，否則會(huì)出現(xiàn)廢氣倒流，使進(jìn)氣量減少。

      在上止點(diǎn)附近，進(jìn)、排氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟稱(chēng)氣門(mén)重疊。在圖4上，點(diǎn)2為進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟點(diǎn)，點(diǎn)3為排氣門(mén)關(guān)閉終了時(shí)刻，對(duì)于非增壓柴油機(jī)，在這一階段，廢氣在慣性作用下繼續(xù)排出氣缸。進(jìn)氣門(mén)提前開(kāi)啟可為下一階段作準(zhǔn)備，即在抽吸進(jìn)氣開(kāi)始時(shí)，由于氣門(mén)提前開(kāi)啟，已經(jīng)存在有一定的流動(dòng)截面，使進(jìn)氣阻力減小，進(jìn)氣量增加。如果配氣相位安排得當(dāng)，在某些情況下，在這一階段中，因?yàn)閺U氣的慣性向外流動(dòng)，對(duì)進(jìn)氣管中氣體有一種“抽吸”作用，會(huì)使換氣品質(zhì)提高。

 

 表1    柴油機(jī)配氣相位各角度參數(shù)

2、氣門(mén)重疊角的計(jì)算方法

      氣門(mén)重疊角的計(jì)算方法可以通過(guò)以下公式來(lái)計(jì)算：

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

其中，ΔL為氣門(mén)重疊角，L₁為進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)間，D₁為進(jìn)氣門(mén)直徑，R₁為進(jìn)氣門(mén)半徑，L₂為排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)間，D₂為排氣門(mén)直徑，R₂為排氣門(mén)半徑。

      在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)測(cè)量進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間、直徑和半徑來(lái)計(jì)算氣門(mén)重疊角。此外，還可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)模擬軟件來(lái)計(jì)算氣門(mén)重疊角，以確定最優(yōu)的氣門(mén)重疊角大小。

3、氣門(mén)重疊角的應(yīng)用

（1）氣門(mén)重疊角的大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃油效率有著重要的影響。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定最優(yōu)的氣門(mén)重疊角大小。在高性能發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣門(mén)重疊角通常較大，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率和排氣效率，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。而在低功率發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣門(mén)重疊角通常較小，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率。

（2）在發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)校中，可以通過(guò)調(diào)整氣門(mén)重疊角來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃油效率。通過(guò)增加氣門(mén)重疊角，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率和排氣效率，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。而通過(guò)減小氣門(mén)重疊角，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率。

      氣門(mén)重疊角是發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)非常重要的參數(shù)，它可以影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃油效率。在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定最優(yōu)的氣門(mén)重疊角大小。通過(guò)調(diào)整氣門(mén)重疊角，可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃油效率，從而實(shí)現(xiàn)最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

 

圖3  氣門(mén)重疊角示意圖

圖4  柴油機(jī)換氣過(guò)程曲線圖

 

四、配氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的影響

 

1、進(jìn)氣提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的影響

      進(jìn)氣門(mén)提前開(kāi)啟，新鮮充量的真正吸入還是要等到氣缸內(nèi)殘余廢氣膨脹，壓力降至低于進(jìn)氣壓力后才開(kāi)始?；钊谟缮现裹c(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)一定角度后速度增加，而此時(shí)氣門(mén)開(kāi)啟還不夠充分，缸內(nèi)的壓力迅速降低，這為新鮮充量的順利流人創(chuàng)造了條件。隨著進(jìn)氣門(mén)流通面積的加大，以及較高的進(jìn)氣流速，進(jìn)入氣缸的新鮮充量不斷增加，再加上燃燒室表面和殘余廢氣對(duì)新鮮充量的加熱作用，氣缸壓力逐漸升高。進(jìn)氣階段結(jié)束后，活塞由上止點(diǎn)開(kāi)始下行。初期，由于氣缸內(nèi)殘余廢氣壓力仍高于大氣壓力，新氣不能充入氣缸，只有當(dāng)殘余廢氣膨脹到壓力低于大氣壓力后，新氣才被吸入氣缸。由于氣門(mén)提前開(kāi)啟，此時(shí)進(jìn)氣通道截面已經(jīng)開(kāi)啟較大，保證大量新氣進(jìn)入氣缸。這樣就使得有足夠的混合氣。

2、進(jìn)氣遲閉角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的影響

      活塞到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣門(mén)并未馬上關(guān)閉，而是推遲到下止點(diǎn)后某一曲軸轉(zhuǎn)角才關(guān)閉，這個(gè)滯后角度稱(chēng)為進(jìn)氣門(mén)遲閉角。在這段曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，活塞雖然已經(jīng)上行，但進(jìn)氣系統(tǒng)向缸內(nèi)充氣的氣流速度依然較高，進(jìn)氣門(mén)遲閉正是利用了在進(jìn)氣過(guò)程中形成的氣流慣性，實(shí)現(xiàn)向氣缸的過(guò)后充氣，增加缸內(nèi)充氣量。這樣，有可能使得進(jìn)氣過(guò)程終了時(shí)，缸內(nèi)壓力等于或略高于進(jìn)氣管壓力。發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)氣流速高，慣性大，進(jìn)氣門(mén)遲閉角應(yīng)相應(yīng)增大一些。為了利用這種高速進(jìn)氣流的慣性，增加充氣量，減少功耗，就使得氣缸在活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)后才完全關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)。盡管利用過(guò)后充氣可以有效地增加進(jìn)入氣缸的空氣量，但過(guò)大的進(jìn)氣門(mén)遲閉角，會(huì)使得在低速時(shí)發(fā)生缸內(nèi)氣流倒流進(jìn)入進(jìn)氣管的現(xiàn)象，也會(huì)影響有效壓縮比，從而影響壓縮終了溫度，使發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)困難。因此，合理的配氣相位是十分重要的。

3、排氣提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的影響

      由于受配氣機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的限制，排氣門(mén)不可能瞬時(shí)完全打開(kāi)，氣門(mén)開(kāi)啟有一個(gè)過(guò)程，其流通截面只能逐漸增加到最大；在排氣門(mén)開(kāi)啟的最初一段時(shí)間內(nèi)，排氣流通截面積很小，廢氣排出的流量小。如果排氣門(mén)剛好在膨脹行程的下止點(diǎn)才開(kāi)始打開(kāi)，氣門(mén)升程小，排氣流通截面積小，排氣不暢，氣缸壓力下降遲緩，活塞在向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)制排氣時(shí)，將大大增加排氣沖程的活塞推出功。

      發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)排氣損失影響如圖5、圖6所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，相同的排氣提前角所對(duì)應(yīng)的排氣時(shí)間就變短，通過(guò)排氣門(mén)排出的廢氣量減少，膨脹損失減少，但卻使得缸內(nèi)壓力水平提高，因而活塞推出功大大增加。一般而言，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增高時(shí)排氣損失總體上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，所以排氣提前角應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的增加而適當(dāng)加大。

4、排氣遲閉角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的影響

      發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣門(mén)也不是在活塞的排氣上止點(diǎn)關(guān)閉的，而是有一個(gè)滯后角。一方面可以避免因排氣流動(dòng)截面積過(guò)早減小而造成的排氣阻力的增加，使活塞強(qiáng)制排氣所消耗的推出功與缸內(nèi)的殘余廢氣量增加；另一方面還可以利用排氣管內(nèi)氣體流動(dòng)的慣性從氣缸內(nèi)抽吸一部分廢氣，實(shí)現(xiàn)過(guò)后排氣。

 

圖5  柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)排氣提前角的影響

圖6  柴油機(jī)排氣提前角不變時(shí)轉(zhuǎn)速的影響

 

總結(jié)：

      綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)在換氣過(guò)程中，若能夠做到排氣徹底、進(jìn)氣充分，則可以提高充氣系數(shù)，增大發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。而配氣相位的調(diào)整可以延長(zhǎng)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)排氣時(shí)間，即氣門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)刻并不正好是活塞處于上止點(diǎn)和下止點(diǎn)的時(shí)刻，而是分別提前或延遲一定的曲軸轉(zhuǎn)角，以改善進(jìn)、排氣狀況，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性。

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