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柴油機配氣相位和氣門(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)機在工作時(shí)，使空氣和燃料按照一定的規律進(jìn)入和排出汽缸的時(shí)間以及閥門(mén)的偏移量。 這個(gè)規律是由凸輪軸控制的，而凸輪軸是驅動(dòng)汽缸內閥門(mén)工作的部件，其規律則是通過(guò)柴油機控制系統調整來(lái)實(shí)現的。合理的配氣相位是根據發(fā)動(dòng)機結構形式、轉速等因素通過(guò)反復試驗而確定的，結構不同，配氣相位也不同；發(fā)動(dòng)機轉速不同，配氣相位也不同。在發(fā)動(dòng)機運行過(guò)程中，配氣相位的調整將對發(fā)動(dòng)機的性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。因此。在進(jìn)行柴油機維護和調整時(shí)需要對配氣相位的狀態(tài)進(jìn)行全面的檢測和調整，以保證柴油發(fā)電機組的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟性。
一、配氣相位標記和類(lèi)型
1、配氣相位控制的意義
通過(guò)調整配氣相位可以調整發(fā)動(dòng)機的進(jìn)、排氣效果，從而改善發(fā)動(dòng)機的燃燒效率，增強發(fā)動(dòng)機的輸出功率。因此，配氣相位的優(yōu)化不僅能夠提升柴油發(fā)電機的動(dòng)力性能，同時(shí)還能夠有效地降低柴油發(fā)電機的燃油消耗。
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，兩種不同的相位調整方式對發(fā)動(dòng)機的曲軸角度有不同的影響。具體來(lái)說(shuō)，相位提高代表著(zhù)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。不同的調整方式會(huì )導致不同的發(fā)動(dòng)機輸出特性，需要根據柴油發(fā)電機實(shí)際情況進(jìn)行靈活的調整。
4、相位標記
原理上柴油發(fā)電機的進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣等過(guò)程都是在活塞到達上止點(diǎn)和到達下止點(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)啟的延續時(shí)間，通常用相對于上、下止點(diǎn)時(shí)的曲軸轉角來(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。
配氣相位要根據柴油發(fā)電機的使用工況和常用轉速來(lái)確定。不同的柴油發(fā)電機，其配氣相位是不同的。配氣相位的數值要通過(guò)試驗確定。為保證配氣相位的準確，在曲軸與凸輪軸驅動(dòng)機構之間通常設有專(zhuān)門(mén)的記號，在裝配過(guò)程中必須按照相關(guān)說(shuō)明書(shū)的要求將記號對準，不得隨意改動(dòng)。
二、配氣相位原理
配氣相位是用曲軸轉角表示的進(jìn)、排氣門(mén)的開(kāi)閉時(shí)刻和開(kāi)啟持續時(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°的曲軸轉角，因此一個(gè)四行程循環(huán)就是720°曲軸轉角。發(fā)動(dòng)機的換氣控制是通過(guò)氣門(mén)來(lái)實(shí)現的，氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間根據曲軸轉角以度(°)為單位說(shuō)明。進(jìn)、排氣門(mén)開(kāi)啟行程的曲軸轉角都大于180°，進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)的配氣相位如圖2所示。
1、進(jìn)氣門(mén)的配氣相位
● 進(jìn)氣提前角 α
（1）定義：
在排氣沖程接近終了，活塞到達上止點(diǎn)之前，進(jìn)氣門(mén)便開(kāi)始開(kāi)啟。從進(jìn)氣門(mén)開(kāi)始開(kāi)啟到上止點(diǎn)所對應的曲軸轉角稱(chēng)為進(jìn)氣提前角（或早開(kāi)角）。進(jìn)氣提前角用α表示，α一般為10°~30°。
（2）目的：
進(jìn)氣門(mén)早開(kāi)，使得活塞到達上止點(diǎn)開(kāi)始向下運動(dòng)時(shí)，因進(jìn)氣門(mén)已有一定開(kāi)度，所以可較快地獲得較大的進(jìn)氣通道截面，減少進(jìn)氣阻力。
● 進(jìn)氣遲后角 β
（1）定義：
在進(jìn)氣沖程下止點(diǎn)過(guò)后，活塞重又上行一段，進(jìn)氣門(mén)才關(guān)閉。從下止點(diǎn)到進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉所對應的曲軸轉角稱(chēng)為進(jìn)氣遲后角（或晚關(guān)角）。進(jìn)氣遲后角用β表示，β一般為40°~80°。
（2）目的：
① 利用壓力差繼續進(jìn)氣：活塞到達下止點(diǎn)時(shí)，由于進(jìn)氣阻力的影響，氣缸內的壓力仍低于大氣壓，進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)，利用壓力差可繼續進(jìn)氣。
② 利用進(jìn)氣慣性繼續進(jìn)氣：活塞到達下止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣氣流還有相當大的慣性，進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)，仍能繼續進(jìn)氣。
下止點(diǎn)過(guò)后，隨著(zhù)活塞的上行，氣缸內壓力逐漸增大，進(jìn)氣氣流速度也逐漸減小，至流速等于零時(shí)，進(jìn)氣門(mén)便關(guān)閉的β角最適宜。若β過(guò)大便會(huì )將進(jìn)入氣缸內的氣體重新又壓回進(jìn)氣管。由上可見(jiàn)，進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟持續時(shí)間內的曲軸轉角，即進(jìn)氣持續角為α+180°+β。
2、排氣門(mén)的配氣相位
● 排氣提前角 γ
（1）定義：
在作功行程的后期，活塞到達下止點(diǎn)前，排氣門(mén)便開(kāi)始開(kāi)啟。從排氣門(mén)開(kāi)始開(kāi)啟到下止點(diǎn)所對應的曲軸轉角稱(chēng)為排氣提前角（或早開(kāi)角）。排氣提前角用γ表示，γ一般為40°~80°。
（2）目的：
① 減少排氣消耗的功率：提前排氣，等活塞到達下止點(diǎn)時(shí)，氣缸內只剩約110kPa~120kPa的壓力，使排氣沖程所消耗的功率大為減小。
② 高溫廢氣的早排，還可以防止發(fā)動(dòng)機過(guò)熱。
● 排氣遲后角 δ
（1）定義：
在活塞越過(guò)上止點(diǎn)后，排氣門(mén)才關(guān)閉。從上止點(diǎn)到排氣門(mén)關(guān)閉所對應的曲軸轉角稱(chēng)為排氣遲后角（或晚關(guān)角）。排氣遲后角用δ表示，δ一般為10°~30°。
（2）目的：
利用慣性繼續排氣：活塞到達上止點(diǎn)時(shí)，廢氣氣流有一定的慣性，利用慣性可繼續排氣。所以排氣門(mén)適當晚關(guān)可使廢氣排得較干凈。
由此可見(jiàn)，氣門(mén)開(kāi)啟持續時(shí)間內的曲軸轉角，即排氣持續角為γ+180°+δ。
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圖1 柴油機配氣相位圖 |
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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)機中一個(gè)非常重要的參數，它可以影響到發(fā)動(dòng)機的性能和燃油效率。在設計發(fā)動(dòng)機時(shí)，需要通過(guò)計算來(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，進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟，氣體可以在缸內自由流動(dòng)。氣門(mén)重疊角的大小直接影響到發(fā)動(dòng)機的性能和燃油效率，當柴油發(fā)電機小負荷運轉時(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，對于非增壓柴油機，在這一階段，廢氣在慣性作用下繼續排出氣缸。進(jìn)氣門(mén)提前開(kāi)啟可為下一階段作準備，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，在某些情況下，在這一階段中，因為廢氣的慣性向外流動(dòng)，對進(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 柴油機配氣相位各角度參數
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α
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進(jìn)氣提前角
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10°~30°
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β
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進(jìn)氣遲后角
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40°~80°
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γ
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排氣提前角
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40°~80°
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δ
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排氣遲后角
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10°~30°
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ɑ+δ
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氣門(mén)重疊角
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20°～60°
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2、氣門(mén)重疊角的計算方法
氣門(mén)重疊角的計算方法可以通過(guò)以下公式來(lái)計算：
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)際應用中，可以通過(guò)測量進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間、直徑和半徑來(lái)計算氣門(mén)重疊角。此外，還可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機模擬軟件來(lái)計算氣門(mén)重疊角，以確定最優(yōu)的氣門(mén)重疊角大小。
3、氣門(mén)重疊角的應用
（1）氣門(mén)重疊角的大小對發(fā)動(dòng)機的性能和燃油效率有著(zhù)重要的影響。在發(fā)動(dòng)機設計中，需要通過(guò)計算來(lái)確定最優(yōu)的氣門(mén)重疊角大小。在高性能發(fā)動(dòng)機中，氣門(mén)重疊角通常較大，可以提高發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣效率和排氣效率，從而提高發(fā)動(dòng)機的性能。而在低功率發(fā)動(dòng)機中，氣門(mén)重疊角通常較小，可以提高發(fā)動(dòng)機的燃油效率。
（2）在發(fā)動(dòng)機的調校中，可以通過(guò)調整氣門(mén)重疊角來(lái)改變發(fā)動(dòng)機的性能和燃油效率。通過(guò)增加氣門(mén)重疊角，可以提高發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣效率和排氣效率，從而提高發(fā)動(dòng)機的性能。而通過(guò)減小氣門(mén)重疊角，可以提高發(fā)動(dòng)機的燃油效率。
氣門(mén)重疊角是發(fā)動(dòng)機中一個(gè)非常重要的參數，它可以影響到發(fā)動(dòng)機的性能和燃油效率。在設計發(fā)動(dòng)機時(shí)，需要通過(guò)計算來(lái)確定最優(yōu)的氣門(mén)重疊角大小。通過(guò)調整氣門(mén)重疊角，可以改變發(fā)動(dòng)機的性能和燃油效率，從而實(shí)現最佳的發(fā)動(dòng)機性能。
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圖3 氣門(mén)重疊角示意圖 |
圖4 柴油機換氣過(guò)程曲線(xiàn)圖 |
四、配氣相位對發(fā)動(dòng)機工況的影響
1、進(jìn)氣提前角對發(fā)動(dòng)機工作的影響
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(zhù)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新鮮充量的加熱作用，氣缸壓力逐漸升高。進(jìn)氣階段結束后，活塞由上止點(diǎn)開(kāi)始下行。初期，由于氣缸內殘余廢氣壓力仍高于大氣壓力，新氣不能充入氣缸，只有當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)氣遲閉角對發(fā)動(dòng)機工作的影響
活塞到達下止點(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。在這段曲軸轉角內，活塞雖然已經(jīng)上行，但進(jìn)氣系統向缸內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)現向氣缸的過(guò)后充氣，增加缸內充氣量。這樣，有可能使得進(jìn)氣過(guò)程終了時(shí)，缸內壓力等于或略高于進(jìn)氣管壓力。發(fā)動(dòng)機高速運轉時(shí)進(jìn)氣流速高，慣性大，進(jìn)氣門(mén)遲閉角應相應增大一些。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)生缸內氣流倒流進(jìn)入進(jìn)氣管的現象，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、排氣提前角對發(fā)動(dòng)機工作的影響
由于受配氣機構及其運動(dòng)規律的限制，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，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)運動(dòng)強制排氣時(shí)，將大大增加排氣沖程的活塞推出功。
發(fā)動(dòng)機的轉速對排氣損失影響如圖5、圖6所示。發(fā)動(dòng)機的轉速增加，相同的排氣提前角所對應的排氣時(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)機轉速增高時(shí)排氣損失總體上呈現增加的趨勢，所以排氣提前角應隨轉速的增加而適當加大。
4、排氣遲閉角對發(fā)動(dòng)機工作的影響
發(fā)動(dòng)機的排氣門(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，使活塞強制排氣所消耗的推出功與缸內的殘余廢氣量增加；另一方面還可以利用排氣管內氣體流動(dòng)的慣性從氣缸內抽吸一部分廢氣，實(shí)現過(guò)后排氣。
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圖5 柴油機轉速不變時(shí)排氣提前角的影響 |
圖6 柴油機排氣提前角不變時(shí)轉速的影響 |
總結：
綜上所述，發(fā)動(dòng)機在換氣過(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，增大發(fā)動(dòng)機的輸出功率。而配氣相位的調整可以延長(cháng)柴油發(fā)電機進(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角，以改善進(jìn)、排氣狀況，從而提高發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性。
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