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簡述柴油機配氣機構(gòu)工作過程和相位圖 |
摘要:配氣機構(gòu)與進排氣系統(tǒng)的功用是按柴油機的工作循環(huán)和著火順序,定時地開啟和關(guān)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(fā)動機配氣機構(gòu)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(gòu)。柴油機對配氣機構(gòu)及進排氣系統(tǒng)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小;另外,要工作可靠,使用壽命長和便于調(diào)整。本節(jié)著重講述四沖程柴油機的氣門式配氣機構(gòu)及其進排氣系統(tǒng)。
一、 配氣機構(gòu)工作過程
氣門式配氣機構(gòu)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(gòu)的結(jié)構(gòu)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(cè)置式
氣門布置在氣缸側(cè)面的稱為側(cè)置式氣門配氣機構(gòu);采用側(cè)置式氣門配氣機構(gòu)布置的燃燒室橫向面積大,結(jié)構(gòu)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(gòu)。其結(jié)構(gòu)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(gòu)。頂置式氣門配氣機構(gòu)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(qū)動氣門,使機構(gòu)較為復雜,整個系統(tǒng)的剛性較差。
頂置式氣門配氣機構(gòu)工作過程如下:
凸輪軸由曲軸通過齒輪驅(qū)動。當柴油機工作時,凸輪軸即隨曲軸轉(zhuǎn)動,對于四沖程柴油機而言,凸輪軸的轉(zhuǎn)速為曲軸轉(zhuǎn)速的1/2,即曲軸轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)完成一個工作循環(huán),而凸輪軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),使進、排氣門各開啟一次。當凸輪軸轉(zhuǎn)到凸起部分與挺柱相接觸時,挺柱開始升起。通過推桿和調(diào)整螺釘使搖臂繞搖臂軸轉(zhuǎn)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(nèi)、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(zhuǎn)過挺柱平面以后,挺柱及推桿隨凸輪的轉(zhuǎn)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(guān)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(cè)置氣門式配氣機構(gòu) |
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(diào)整螺釘;13-推桿;14-挺柱;15-凸輪軸 圖2 柴油機頂置式氣門結(jié)構(gòu) |
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(gòu)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(gòu)
對于轉(zhuǎn)速較高的發(fā)動機,為了減小氣門傳動機構(gòu)的往復運動質(zhì)量,通常將凸輪軸位置移至氣缸體上部(相當于整個發(fā)動機的中部),由凸輪軸經(jīng)過挺柱直接驅(qū)動搖臂,而省去推桿,由搖臂驅(qū)動氣門,這種結(jié)構(gòu)稱為凸輪軸中置式配氣機構(gòu),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(gòu)
凸輪軸由曲軸通過正時齒輪驅(qū)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(jié)構(gòu)稱為凸輪軸下置式配氣機構(gòu),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(gòu) |
圖4 下置式和中置式凸輪軸配氣機構(gòu) |
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(qū)動凸輪軸,在鏈條側(cè)面有張緊機構(gòu)和鏈條導板,利用張緊機構(gòu)可以調(diào)整鏈條的張力。
4、按每缸的氣門數(shù)目
按每缸的氣門數(shù)目可分為二氣門、三氣門、四氣門和五氣門機構(gòu)。
一般發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)就不能滿足發(fā)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(jié)構(gòu)。
圖5 三氣門配氣機構(gòu)布置示意圖 |
圖6 每缸四氣門配氣機構(gòu)布置圖 |
二、配氣相位原理與調(diào)整
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(guān)閉。柴油機的進、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,如圖7所示。
在四沖程發(fā)動機的簡單工作循環(huán)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(nèi)即曲軸轉(zhuǎn)180°完成的,即氣門開關(guān)時刻是在活塞的上、下止點處。但實際情況并非如此。由于發(fā)動機轉(zhuǎn)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(fā)動機性能,實際發(fā)動機的氣門開啟和關(guān)閉并不恰好在活塞的上、下止點,而是適當?shù)靥崆昂蜏螅匝娱L進、排氣的時間。也就是說,氣門開啟過程中曲軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)閉。從下止點到進氣門關(guān)閉所對應的曲軸轉(zhuǎn)角稱為進氣滯后角(或晚關(guān)角),用β表示,β一般為4°~8°。進氣門晚關(guān),是因為活塞到達下止點時,由于進氣阻力的影響,汽缸內(nèi)的壓力仍低于大氣壓,且氣流還有相當大的慣性,仍能繼續(xù)進氣。下止點過后,隨著活塞的上行,汽缸內(nèi)壓力逐漸增大,進氣氣流速度也逐漸減小,至流速等于0時,進氣門便關(guān)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(xù)時間內(nèi)的曲軸轉(zhuǎn)角,即進氣持續(xù)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(zhuǎn)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?shù)卦玳_,汽缸內(nèi)還有0.3~0.5MPa的壓力,做功作用已經(jīng)不大,但利用此壓力可使汽缸內(nèi)的廢氣迅速地自由排出,待活塞到達下止點時,汽缸內(nèi)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(fā)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(guān)閉。從上止點到排氣門關(guān)閉所對應的曲軸轉(zhuǎn)角稱為排氣滯后角(或晚關(guān)角),用δ表示,δ一般為10°~30°。由于活塞到達上止點時,汽缸內(nèi)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(guān)可使廢氣排得較干凈。
由上可見,排氣門開啟持續(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(guān),就出現(xiàn)了一段進、排氣門同時開啟的現(xiàn)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(guān)角的和α+δ,稱為氣門疊開角。
由于進氣門關(guān)閉時,活塞距下止點已較遠,其速度已相當大。因而晚關(guān)角的變化對汽缸內(nèi)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(fā)動機性能的影響最大。因此,一般發(fā)動機當配氣相位變滯后,影響發(fā)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(fā)動機,由于結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)速各不相同,因而配氣相位也不相同。合理的配氣相位應根據(jù)發(fā)動機性能要求,通過反復試驗確定。
4、配氣相位的調(diào)整
配氣相位要根據(jù)柴油機的使用工況和常用轉(zhuǎn)速來確定。不同的柴油機,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。
(1)將凸輪皮帶輪上的標記對準齒形皮帶防護罩上的標記;
(2)將齒輪皮帶套在齒形皮帶輪上和張緊輪上;
(3)按照順時針方向轉(zhuǎn)動張緊輪齒形皮帶輪;
(4)轉(zhuǎn)動曲軸檢查調(diào)整記號是否正確;
(5)緊固張緊輪螺栓;
(6)轉(zhuǎn)動兩圈檢查調(diào)整正時記號。
注意事項:進行皮帶拆卸修理工作后,必須對皮帶和配氣相位進行調(diào)整,同時保證皮帶張緊度符合要求。
5、可變配氣相位
盡管不同發(fā)動機配氣相位是根據(jù)試驗而取得的最佳配氣相位,從而成為設(shè)計凸輪型線及確定各汽缸進、排氣凸輪在凸輪軸上相對位置的依據(jù)。但實際上當配氣凸輪軸設(shè)計已定,則發(fā)動機的配氣相位也就確定下來了,在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中是不能改變的。然而,發(fā)動機轉(zhuǎn)速的高低對進、排氣流動以及汽缸內(nèi)的燃燒過程是有影響的。轉(zhuǎn)速高時,進氣氣流流速高,慣性能量大,所以希望進氣門早些打開,晚些關(guān)閉,盡量多進一些混合氣或空氣;反之,在發(fā)動機轉(zhuǎn)速低時,進氣流速低,流動慣性能量小,如果進氣門過早開啟,由于此時活塞正在上行排氣,很容易把新鮮氣體擠出汽缸,使進氣反而少了,發(fā)動機工作更趨不穩(wěn)定。因此,在低轉(zhuǎn)速時,希望發(fā)動機進氣門稍晚些開啟。另外,在發(fā)動機轉(zhuǎn)速不同時,對配氣相位的要求是不同的。如果凸輪型線所規(guī)定的配氣相位適用于高速,那么在低轉(zhuǎn)速時,性能就不會太好;反之亦然。為了取得平衡,一般凸輪型線設(shè)計時,配氣相位既要照顧到高速,又要兼顧低速,所以是一個折中的配氣方案,很難達到真正的最佳配氣相位。
圖7 柴油機配氣相位圖 |
圖8 進排氣門配氣相位 |
三、氣門間隙位置與調(diào)整
發(fā)動機工作時,氣門、推桿、挺柱等零件因溫度升高而伸長。如果在室溫下裝配時,氣門和各傳動零件(搖臂、推桿、挺柱)及凸輪軸之間緊密接觸,則在熱態(tài)下,氣門勢必關(guān)閉不嚴,造成氣缸漏氣。為保證氣門的密封性,必須在氣門與傳動件之間留出適當?shù)拈g隙,我們習慣稱之為“氣門間隙”,并有“冷間隙”與“熱間隙”之分。
氣門傳動組(氣門與挺柱或氣門與搖臂之間)在常溫下裝配時必須留有適當?shù)拈g隙,以補償氣門及各傳動零件的熱膨脹,此間隙稱為氣門的冷間隙;在發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時(熱狀態(tài)下),也需要一定的氣門間隙,保證凸輪不作用于氣門時,氣門能完全密閉。發(fā)動機在熱態(tài)下的氣門間隙稱為氣門的熱間隙。
在柴油機使用過程中,由于零件的磨損與變形,氣門間隙會逐漸增大,促使進、排氣門遲開、早關(guān),導致進、排氣的時間變短,進氣不足,排氣不凈,致使柴油機的動力性與經(jīng)濟性下降,同時使各零件之間的撞擊與磨損加劇,噪聲增大;若氣門間隙過小,則會引起氣門密封不嚴而漏氣,導致柴油機功率下降,油耗增加,甚至燒壞氣門零件。
因此,在使用過程中,應定期檢查和調(diào)整氣門間隙。柴油機的氣門間隙一般由制造廠給出,各機型都有具體規(guī)定,氣門間隙調(diào)整裝置所在位置如圖9所示。在常溫下(冷間隙),一般進氣門間隙在0.20~0.35mm之間,排氣門間隙在0.30~0.40mm范圍內(nèi)。有的發(fā)動機只規(guī)定了冷間隙,此時的冷間隙數(shù)值能保證發(fā)動機在熱機狀態(tài)下仍有一定的氣門間隙。有的發(fā)動機則分別規(guī)定了冷間隙和熱間隙。裝配時應將氣門間隙調(diào)整到規(guī)定數(shù)值。
調(diào)整發(fā)動機氣門間隙最好在冷機狀態(tài)下,氣門完全關(guān)閉時進行。因為在熱機狀態(tài)下,由于柴油機工作時間的長短不同,其機溫也有所差別,氣門間隙的大小不好把握。調(diào)整時,首先轉(zhuǎn)動曲軸使要調(diào)整缸的活塞恰好處于壓縮沖程上止點位置,此時,進、排氣門處于完全關(guān)閉狀態(tài),然后用旋具和厚薄規(guī)調(diào)整該缸的進、排氣門間隙,調(diào)整完畢后按同樣方法依次調(diào)整其他缸。
調(diào)整氣門間隙的方法如圖10所示,先松開調(diào)整螺釘?shù)逆i緊螺母,再旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺釘,用規(guī)定數(shù)值的厚薄規(guī)插入氣門桿與搖臂之間進行測量,使氣門間隙符合規(guī)定,調(diào)整好后再將鎖緊螺母擰緊,復查一次,直至氣門間隙在規(guī)定的范圍內(nèi)。
圖9 柴油機氣門間隙調(diào)整位置示意圖 |
圖10 氣門間隙調(diào)整步驟示意圖 |
總結(jié):
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