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新聞主題 |
柴油機配氣相位和氣門重疊角的原理、影響及意義 |
摘要：配氣相位指的是一個發(fā)動機在工作時，使空氣和燃料按照一定的規(guī)律進入和排出汽缸的時間以及閥門的偏移量。 這個規(guī)律是由凸輪軸控制的，而凸輪軸是驅(qū)動汽缸內(nèi)閥門工作的部件，其規(guī)律則是通過柴油機控制系統(tǒng)調(diào)整來實現(xiàn)的。合理的配氣相位是根據(jù)發(fā)動機結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)速等因素通過反復試驗而確定的，結(jié)構(gòu)不同，配氣相位也不同；發(fā)動機轉(zhuǎn)速不同，配氣相位也不同。在發(fā)動機運行過程中，配氣相位的調(diào)整將對發(fā)動機的性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。因此。在進行柴油機維護和調(diào)整時需要對配氣相位的狀態(tài)進行全面的檢測和調(diào)整，以保證柴油發(fā)電機組的動力性能和燃油經(jīng)濟性。
一、配氣相位標記和類型
1、配氣相位控制的意義
通過調(diào)整配氣相位可以調(diào)整發(fā)動機的進、排氣效果，從而改善發(fā)動機的燃燒效率，增強發(fā)動機的輸出功率。因此，配氣相位的優(yōu)化不僅能夠提升柴油發(fā)電機的動力性能，同時還能夠有效地降低柴油發(fā)電機的燃油消耗。
2、配氣相位的類型
常見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)整方式對發(fā)動機的曲軸角度有不同的影響。具體來說，相位提高代表著凸輪軸在正時會提前若干度工作，但進、排氣門的每次打開時間不會改變；而相位延遲則是凸輪軸在正時會延后若干度工作，此時進、排氣門的每次打開時間同樣不會改變。不同的調(diào)整方式會導致不同的發(fā)動機輸出特性，需要根據(jù)柴油發(fā)電機實際情況進行靈活的調(diào)整。
4、相位標記
原理上柴油發(fā)電機的進氣、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(guān)閉。柴油發(fā)電機的進、排氣門開始開啟和關(guān)閉終了的時刻以及開啟的延續(xù)時間，通常用相對于上、下止點時的曲軸轉(zhuǎn)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(guān)系的環(huán)形圖，稱配氣相位（正時）圖。
配氣相位要根據(jù)柴油發(fā)電機的使用工況和常用轉(zhuǎn)速來確定。不同的柴油發(fā)電機，其配氣相位是不同的。配氣相位的數(shù)值要通過試驗確定。為保證配氣相位的準確，在曲軸與凸輪軸驅(qū)動機構(gòu)之間通常設(shè)有專門的記號，在裝配過程中必須按照相關(guān)說明書的要求將記號對準，不得隨意改動。
二、配氣相位原理
配氣相位是用曲軸轉(zhuǎn)角表示的進、排氣門的開閉時刻和開啟持續(xù)時間，通常用環(huán)形圖（如圖1所示）表示。由于一個行程需要180°的曲軸轉(zhuǎn)角，因此一個四行程循環(huán)就是720°曲軸轉(zhuǎn)角。發(fā)動機的換氣控制是通過氣門來實現(xiàn)的，氣門開啟和關(guān)閉時間根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角以度(°)為單位說明。進、排氣門開啟行程的曲軸轉(zhuǎn)角都大于180°，進氣門和排氣門的配氣相位如圖2所示。
1、進氣門的配氣相位
● 進氣提前角 α
（1）定義：
在排氣沖程接近終了，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(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為進氣提前角（或早開角）。進氣提前角用α表示，α一般為10°~30°。
（2）目的：
進氣門早開，使得活塞到達上止點開始向下運動時，因進氣門已有一定開度，所以可較快地獲得較大的進氣通道截面，減少進氣阻力。
● 進氣遲后角 β
（1）定義：
在進氣沖程下止點過后，活塞重又上行一段，進氣門才關(guān)閉。從下止點到進氣門關(guān)閉所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為進氣遲后角（或晚關(guān)角）。進氣遲后角用β表示，β一般為40°~80°。
（2）目的：
① 利用壓力差繼續(xù)進氣：活塞到達下止點時，由于進氣阻力的影響，氣缸內(nèi)的壓力仍低于大氣壓，進氣門晚關(guān)，利用壓力差可繼續(xù)進氣。
② 利用進氣慣性繼續(xù)進氣：活塞到達下止點時，進氣氣流還有相當大的慣性，進氣門晚關(guān)，仍能繼續(xù)進氣。
下止點過后，隨著活塞的上行，氣缸內(nèi)壓力逐漸增大，進氣氣流速度也逐漸減小，至流速等于零時，進氣門便關(guān)閉的β角最適宜。若β過大便會將進入氣缸內(nèi)的氣體重新又壓回進氣管。由上可見，進氣門開啟持續(xù)時間內(nèi)的曲軸轉(zhuǎn)角，即進氣持續(xù)角為α+180°+β。
2、排氣門的配氣相位
● 排氣提前角 γ
（1）定義：
在作功行程的后期，活塞到達下止點前，排氣門便開始開啟。從排氣門開始開啟到下止點所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為排氣提前角（或早開角）。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，等活塞到達下止點時，氣缸內(nèi)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)動機過熱。
● 排氣遲后角 δ
（1）定義：
在活塞越過上止點后，排氣門才關(guān)閉。從上止點到排氣門關(guān)閉所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為排氣遲后角（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(xù)排氣：活塞到達上止點時，廢氣氣流有一定的慣性，利用慣性可繼續(xù)排氣。所以排氣門適當晚關(guān)可使廢氣排得較干凈。
由此可見，氣門開啟持續(xù)時間內(nèi)的曲軸轉(zhuǎn)角，即排氣持續(xù)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 進氣和排氣相位圖解
三、氣門重疊角
氣門重疊角是發(fā)動機中一個非常重要的參數(shù)，它可以影響到發(fā)動機的性能和燃油效率。在設(shè)計發(fā)動機時，需要通過計算來確定氣門重疊角的大小。一般而言，氣門重疊角為20°~60°(CA)，參數(shù)可見表1，相位可見圖3。
1、氣門重疊角的概念
氣門重疊角是指在發(fā)動機工作過程中，進氣門和排氣門同時開啟的時間間隔。在這個時間間隔內(nèi)，進氣門和排氣門同時開啟，氣體可以在缸內(nèi)自由流動。氣門重疊角的大小直接影響到發(fā)動機的性能和燃油效率，當柴油發(fā)電機小負荷運轉(zhuǎn)時，由于進氣壓力較低， 要求氣門重疊角減小，否則會出現(xiàn)廢氣倒流，使進氣量減少。
在上止點附近，進、排氣門同時開啟稱氣門重疊。在圖4上，點2為進氣門開啟點，點3為排氣門關(guān)閉終了時刻，對于非增壓柴油機，在這一階段，廢氣在慣性作用下繼續(xù)排出氣缸。進氣門提前開啟可為下一階段作準備，即在抽吸進氣開始時，由于氣門提前開啟，已經(jīng)存在有一定的流動截面，使進氣阻力減小，進氣量增加。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，對進氣管中氣體有一種“抽吸”作用，會使換氣品質(zhì)提高。
表1 柴油機配氣相位各角度參數(shù)
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α
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進氣提前角
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10°~30°
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β
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進氣遲后角
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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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氣門重疊角
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20°～60°
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2、氣門重疊角的計算方法
氣門重疊角的計算方法可以通過以下公式來計算：
ΔL = [（L1 × D1） ÷ （2 × 3.14 × R1）] + [（L2 × D2） ÷ （2 × 3.14 × R2）]
其中，ΔL為氣門重疊角，L1為進氣門開啟時間，D1為進氣門直徑，R1為進氣門半徑，L2為排氣門開啟時間，D2為排氣門直徑，R2為排氣門半徑。
在實際應(yīng)用中，可以通過測量進氣門和排氣門的開啟時間、直徑和半徑來計算氣門重疊角。此外，還可以通過發(fā)動機模擬軟件來計算氣門重疊角，以確定最優(yōu)的氣門重疊角大小。
3、氣門重疊角的應(yīng)用
（1）氣門重疊角的大小對發(fā)動機的性能和燃油效率有著重要的影響。在發(fā)動機設(shè)計中，需要通過計算來確定最優(yōu)的氣門重疊角大小。在高性能發(fā)動機中，氣門重疊角通常較大，可以提高發(fā)動機的進氣效率和排氣效率，從而提高發(fā)動機的性能。而在低功率發(fā)動機中，氣門重疊角通常較小，可以提高發(fā)動機的燃油效率。
（2）在發(fā)動機的調(diào)校中，可以通過調(diào)整氣門重疊角來改變發(fā)動機的性能和燃油效率。通過增加氣門重疊角，可以提高發(fā)動機的進氣效率和排氣效率，從而提高發(fā)動機的性能。而通過減小氣門重疊角，可以提高發(fā)動機的燃油效率。
氣門重疊角是發(fā)動機中一個非常重要的參數(shù)，它可以影響到發(fā)動機的性能和燃油效率。在設(shè)計發(fā)動機時，需要通過計算來確定最優(yōu)的氣門重疊角大小。通過調(diào)整氣門重疊角，可以改變發(fā)動機的性能和燃油效率，從而實現(xiàn)最佳的發(fā)動機性能。
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圖3 氣門重疊角示意圖 |
圖4 柴油機換氣過程曲線圖 |
四、配氣相位對發(fā)動機工況的影響
1、進氣提前角對發(fā)動機工作的影響
進氣門提前開啟，新鮮充量的真正吸入還是要等到氣缸內(nèi)殘余廢氣膨脹，壓力降至低于進氣壓力后才開始。活塞在由上止點向下運動一定角度后速度增加，而此時氣門開啟還不夠充分，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。隨著進氣門流通面積的加大，以及較高的進氣流速，進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。進氣階段結(jié)束后，活塞由上止點開始下行。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。由于氣門提前開啟，此時進氣通道截面已經(jīng)開啟較大，保證大量新氣進入氣缸。這樣就使得有足夠的混合氣。
2、進氣遲閉角對發(fā)動機工作的影響
活塞到達下止點時，進氣門并未馬上關(guān)閉，而是推遲到下止點后某一曲軸轉(zhuǎn)角才關(guān)閉，這個滯后角度稱為進氣門遲閉角。在這段曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，活塞雖然已經(jīng)上行，但進氣系統(tǒng)向缸內(nèi)充氣的氣流速度依然較高，進氣門遲閉正是利用了在進氣過程中形成的氣流慣性，實現(xiàn)向氣缸的過后充氣，增加缸內(nèi)充氣量。這樣，有可能使得進氣過程終了時，缸內(nèi)壓力等于或略高于進氣管壓力。發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時進氣流速高，慣性大，進氣門遲閉角應(yīng)相應(yīng)增大一些。為了利用這種高速進氣流的慣性，增加充氣量，減少功耗，就使得氣缸在活塞運行到下止點后才完全關(guān)閉進氣門。盡管利用過后充氣可以有效地增加進入氣缸的空氣量，但過大的進氣門遲閉角，會使得在低速時發(fā)生缸內(nèi)氣流倒流進入進氣管的現(xiàn)象，也會影響有效壓縮比，從而影響壓縮終了溫度，使發(fā)動機的冷起動困難。因此，合理的配氣相位是十分重要的。
3、排氣提前角對發(fā)動機工作的影響
由于受配氣機構(gòu)及其運動規(guī)律的限制，排氣門不可能瞬時完全打開，氣門開啟有一個過程，其流通截面只能逐漸增加到最大；在排氣門開啟的最初一段時間內(nèi)，排氣流通截面積很小，廢氣排出的流量小。如果排氣門剛好在膨脹行程的下止點才開始打開，氣門升程小，排氣流通截面積小，排氣不暢，氣缸壓力下降遲緩，活塞在向上止點運動強制排氣時，將大大增加排氣沖程的活塞推出功。
發(fā)動機的轉(zhuǎn)速對排氣損失影響如圖5、圖6所示。發(fā)動機的轉(zhuǎn)速增加，相同的排氣提前角所對應(yīng)的排氣時間就變短，通過排氣門排出的廢氣量減少，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)動機轉(zhuǎn)速增高時排氣損失總體上呈現(xiàn)增加的趨勢，所以排氣提前角應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的增加而適當加大。
4、排氣遲閉角對發(fā)動機工作的影響
發(fā)動機的排氣門也不是在活塞的排氣上止點關(guān)閉的，而是有一個滯后角。一方面可以避免因排氣流動截面積過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(nèi)的殘余廢氣量增加；另一方面還可以利用排氣管內(nèi)氣體流動的慣性從氣缸內(nèi)抽吸一部分廢氣，實現(xiàn)過后排氣。
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圖5 柴油機轉(zhuǎn)速不變時排氣提前角的影響 |
圖6 柴油機排氣提前角不變時轉(zhuǎn)速的影響 |
總結(jié)：
綜上所述，發(fā)動機在換氣過程中，若能夠做到排氣徹底、進氣充分，則可以提高充氣系數(shù)，增大發(fā)動機的輸出功率。而配氣相位的調(diào)整可以延長柴油發(fā)電機進排氣時間，即氣門的開啟和關(guān)閉時刻并不正好是活塞處于上止點和下止點的時刻，而是分別提前或延遲一定的曲軸轉(zhuǎn)角，以改善進、排氣狀況，從而提高發(fā)動機動力性。
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