叙述柴油机配气机构作业程序和相位图

摘要：配气系统与进排烟装置的功能是按柴油机的作业循环和着火顺序，定时地开启和关闭各缸的进排气门，以保证新鲜空气适时充入汽缸，并将燃烧后的废气即时排出。发动机配气机构的规格有：气门式、气孔式和气孔-气门式三种型号。四冲程柴油机普遍选取气门式配气系统。柴油机对配气装置及进排烟装置的要求是：进入汽缸的新鲜空气要尽可能多，排气要尽可能充分；进、排气门的开闭时刻要准确，开闭时的振动和噪音要尽量小；另外，要作业可靠，使用时限长和便于调整。本节着重简述四冲程柴油机的气门式配气机构及其进排气系统。

      气门式配气机构由气门组（气门、气门导管、气门座及气门弹簧等）和气门传动组（推杆、摇臂、凸轮轴和正时齿轮等）结构。

      柴油机配气装置的组成形式较多，按照气门相对于汽缸的位置不一样可分为两种形式：

       气门布置在汽缸侧面的称为侧置式气门配气机构；选择侧置式气门配气装置布置的燃烧室横向面积大，构成不紧凑，而高度又受气流和气门运动的限制无法太小，所以当压缩比大于7.5时，燃烧室就很难规划。对于柴油机，因为压缩比不能偏低，故而广泛选取顶置式气门配气机构。其构造组成如图1所示。

      气门设计在气缸顶部的称为顶置式气门配气系统。顶置式气门配气系统如图2所示，由凸轮轴、挺柱、推杆、气门摇臂和气门等零件结构。进、排气门都规划在气缸盖上，气门头部朝下，尾部朝上。如凸轮轴为了传动方便而靠近曲轴，则凸轮与气门之间的距离就较长。中间必须通过挺柱、推杆、摇臂等一系列零件才能驱动气门，使机构较为复杂，整个机构的刚性较差。

      凸轮轴由曲轴通过齿轮驱动。当柴油机工作时，凸轮轴即随主轴转动，对于四冲程柴油机而言，凸轮轴的转速为主轴转速的1/2，即主轴转两转完成一个工作循环，而凸轮轴转一转，使进、排烟门各开启一次。当凸轮轴转到凸起部分与挺柱相接触时，挺柱开始升起。通过推杆和调节螺钉使摇臂绕摇臂轴转动，摇臂的另一端即压下气门，使气门开启。在压下气门的同时，内、外两个气门弹簧也受到压缩。当凸轮轴凸起部分的较高点转过挺柱平面以后，挺柱及推杆随凸轮的转动而下落，被压紧的气门弹簧通过气门弹簧座和气门锁片，将气门向上抬起，最后压紧在气门座上，使气门关闭。气门弹簧在装配时就有一定的预紧力，以保证气门与气门座贴合紧密而不致漏气。

1-气缸盖；2-气门导管；3-气门；4-气门主弹簧；5-气门副弹簧；6-气门弹簧座；7-锁片；8-气门室罩；9-摇臂轴；10-气门摇臂；11-锁紧螺母；12-调整螺钉；13-推杆；14-挺柱；15-凸轮轴

       按凸轮轴的规划位置可分为上置凸轮轴式、中置凸轮轴式和下置凸轮轴式。

      上置凸轮轴式配气系统的凸轮轴安装在气缸盖上，它一般有两种形式：一种是单凸轮轴式，如图3（a）所示；另一种是双凸轮轴式，如图3（b）所示。

      对于速度偏高的发动机，为了减少气门传动装置的往复运动品质，通常将凸轮轴位置移至气缸体上部(相当于整个发动机的中部)，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，而省去推杆，由摇臂驱动气门，这种构成称为凸轮轴中置式配气系统，如图4（a）所示。这种办法如仍采取齿轮传动，需要加中间齿轮(隋轮)。

      凸轮轴由曲轴通过正时齿轮驱动，通常将凸轮轴设计在油底壳从底部偏向中部的位置，目的是尽可能缩短凸轮轴与主轴之间的距离，此种结构称为凸轮轴下置式配气系统，如图4（b）所示。这种措施传动大概，通常都采取齿轮传动。

      按曲轴与凸轮轴之间的传动程序可分为齿轮传动式和链条传动式。

      为了使齿轮啮合平顺，减少噪声和磨损，配对正时齿轮多用斜齿并用不同材料制成。为了保证配气正时，齿轮上都有正时记号，装配时必须使记号对齐。

      正时齿轮通过链条驱动凸轮轴，在链条侧面有张紧装置和链条导板，利用张紧装置可以调节链条的张力。

      按每缸的气门数目可分为二气门、三气门、四气门和五气门机构。

       一般发动机采取较多的是每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门。这种构成在可能的要素下应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径，以改进气缸的换气性能。但是，因为受到燃烧室尺寸的限制，从理论上讲，较大气门直径一般不超过汽缸直径的一半。当气缸直径较大、活塞平均转速偏高时，每缸一进一排的气门组成就不能满足发动机对换气的要点。这就要采取每缸三气门（如图5所示）、四气门（如图6所示）的组成。

      原理上柴油机的进气、压缩、做功和排烟等程序，都是在活塞到达上止点和到达下止点时开始或完成。但是为了进气更充分、排气更干净，进、排烟门要提早打开柴油发电机故障符号、延长关闭。柴油机的进、排气门开始开启和关闭终了的时刻以及开启的延续时间，通常用相对于上、下止点时的主轴转角来表示，称为配气相位或配气定期。表示每缸进、排烟配气相位（正时）关系的环形图，称配气相位（正时）图，如图7所示。

       在四冲程发动机的简易工作循环中，为了方便，曾把进、排烟流程都看作是在活塞的一个行程内即主轴转180°完成的，即气门开关时刻是在活塞的上、下止点处。但实际情况并非如此。由于发动机转速很高，一个行程的时间极短，这样短的时间难以做到进气充分，排烟干净。为了改进换气步骤，提升发动机性能，实际发动机的气门开启和关闭并不恰好在活塞的上、下止点，而是适当地提前和滞后，以延迟进、排烟的时间。也就是说，气门开启过程中主轴转角都大于180°。

      在排烟行程接近终了，活塞到达上止点之前，进气门便开始开启。从进气门开始开启到上止点所对应的主轴转角称为进气提前角（或早开角），用α表示，一般为10°～30°。进气门提前开启的目的，是为了保证进气行程开始时进气门已开大，新鲜气体能顺利地充入汽缸。

      在进气行程下止点过后，活塞重又上行一段，进气门才关闭。从下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角称为进气滞后角（或晚关角），用β表示，β通常为4°～8°。进气门晚关，是由于活塞到达下止点时，由于进气阻力的影响，汽缸内的压力仍低于大气压，且气流还有相当大的惯性，仍能继续进气。下止点过后，随着活塞的上行，汽缸内压力逐渐增大，进气气流转速也逐渐减少，至流速等于0时，进气门便关闭的β角较适宜。β过大便会将进入汽缸的气体重新又压回进气管。

      由上可见，进气门开启连续时间内的曲轴转角，即进气连续角为α+180°+β，其配气相位如图8（a）所示。

      在做功行程的后期，活塞到达下止点前，排气门便开始开启。从排烟门开始开启到下止点所对应的主轴转角称为排烟提前角（或早开角），用y表示，γ通常为40°～80°。排烟门恰当地早开，气缸内还有0.3～0.5MPa的压力，做功功用已经不大，但利用此压力可使汽缸内的废气迅速地自由排出，待活塞到达下止点时，汽缸内只剩0.11～0.12MPa的压力，使排气行程所消耗的功率大为降低。此外，高温废气的早排，还可预防发动机发烫。但y角若过量，则将得不偿失。

       在活塞越过上止点后，排烟门才关闭。从上止点到排烟门关闭所对应的曲轴转角称为排烟滞后角（或晚关角），用δ表示，δ一般为10°～30°。因为活塞到达上止点时，气缸内的压力仍高于大气压，且废气气流有一定的惯性，所以排气门适当晚关可使废气排得较干净。

       由上可见，排烟门开启连续时间内的曲轴转角，即排烟持续角为y+180°+δ，其配气相位如图8（b）所示。

      因为进气门早开和排烟门晚关，就发生了一段进、排烟门同时开启的现状，称为气门迭开。同时开启的角度，即进气门早开角与排气门晚关角的和α+δ，称为气门迭开角。

      因为进气门关闭时，活塞距下止点已较远，其转速已相当大。因而晚关角的变化对气缸内的容积及充量的影响较大。在配气相位的4个角中，进气滞后角的大小，对发动机性能的危害较大。因此，一般发动机当配气相位变滞后，影响发动机性能较大的进气滞后角变大，而这正是高速时所要点的，于是对高速稍有利但低速性能变坏；反之，配气相位变早时，进气滞后角变小，对低速稍有利而高速性能变坏。

      对于不同发动机，因为构造形式、速度各不相同，因而配气相位也不相同。合理的配气相位应根据发动机性能要求，通过反复试验确定。

      配气相位要根据柴油机的使用工况和主用速度来确定。不一样的柴油机，其配气相位是不一样的。配气相位的数值要通过试验确定。为保证配气相位的正确，在主轴与凸轮轴驱动机构之间一般设有专门的记号，在装配流程中必须按照相关使用手册的要求将记号对准，不得随意改动。

注意事项：进行皮带拆装修复作业后，必须对皮带和配气相位进行调整，同时保证皮带张紧度符合要点。

      尽管不同发动机配气相位是根据试验而取得的较佳配气相位，从而成为设计凸轮型线及确定各汽缸进、排烟凸轮在凸轮轴上相对位置的依据。但实际上当配气凸轮轴设计已定，则发动机的配气相位也就确定下来了，在发动机运行过程中是无法改变的。然而，发动机速度的高低对进柴油发电机多久保养一次、排气流动以及气缸内的燃烧步骤是有危害的。转速高时，进气气流流速高，惯性能量大，所以希望进气门早些打开，晚些关闭，尽量多进一些混合气或空气；反之，在发动机转速低时，进气流速低，流动惯性能量小，如果进气门过早开启，因为此时活塞正在上行排气，很容易把新鲜气体挤出汽缸，使进气反而少了，发动机作业更趋不稳定。因此，在低转速时，希望发动机进气门稍晚些开启。另外，在发动机速度不同时，对配气相位的要求是不一样的。如果凸轮型线所规定的配气相位实用于高速，那么在低速度时，性能就不会太好；反之亦然。为了取得平衡，通常凸轮型线布置时，配气相位既要照顾到高速，又要兼顾低速，所以是一个折中的配气措施，很难达到真正的较佳配气相位。

      发动机作业时，气门、推杆、挺柱等零件因温度升高而伸长。如果在室温下安装时，气门和各传动零件（摇臂、推杆、挺柱）及凸轮轴之间紧密接触，则在热态下，气门势必关闭不严，造成气缸漏气。为保证气门的密封性，必须在气门与传动件之间留出适当的间隙，我们习惯称之为“气门间隙”，并有“冷间隙”与“热间隙”之分。

      气门传动组（气门与挺柱或气门与摇臂之间）在常温下安装时必须留有适当的间隙，以补偿气门及各传动零件的热膨胀，此间隙称为气门的冷间隙；在发动机正常运行时（热状态下），也需要一定的气门间隙，保证凸轮不作用于气门时，气门能完全密闭。发动机在热态下的气门间隙称为气门的热间隙。

      在柴油机操作过程中，因为零件的磨损与变形，气门间隙会逐渐增大，促使进、排烟门迟开、早关，致使进、排气的时间变短，进气不足，排烟不净，导致柴油机的动力性与经济性下降，同时使各零件之间的撞击与磨损加剧，噪音增大；若气门间隙过小，则会导致气门密封不严而漏气，导致柴油机动力不足，油耗增加，甚至烧坏气门零件。

      因此，在操作程序中，应定期验看和调整气门间隙。柴油机的气门间隙一般由制造厂给出柴油发电机常见故障，各机型都有详细规定，气门间隙调整机构所在位置如图9所示。在常温下（冷间隙），通常进气门间隙在0.20～0.35mm之间，排气门间隙在0.30～0.40mm范围内。有的发动机只规定了冷间隙，此时的冷间隙数值能保证发动机在热机状态下仍有一定的气门间隙。有的发动机则分别规定了冷间隙和热间隙。安装时应将气门间隙调节到规定数值。

      调节发动机气门间隙较好在冷机状态下，气门完全关闭时进行。因为在热机状态下，因为柴油机工作时间的长短不一样，其机温也有所差别，气门间隙的大小不良把握。调整时，首先转动曲轴使要调节缸的活塞恰益处于压缩冲程上止点位置，此时，进、排烟门处于完全关闭状态，然后用旋具和厚薄规调节该缸的进、排烟门间隙，调整完毕后按同样方法依次调节其他缸。

     调节气门间隙的方法如图10所示，先松开调整螺钉的锁紧螺母，再旋转调节螺钉，用规定数值的厚薄规插入气门杆与摇臂之间进行检测，使气门间隙符合规定，调整好后再将锁紧螺母拧紧，复查一次，直至气门间隙在规定的范围内。

      配气装置能够通过流动的气体来控制各种机械的运动，能够精确控制机械的动作，可以实现快速、精准的使用动作。通过控制气体的压力和流量，可以实现机械系统的灵活控制，它可以使机械装置可以随时进行调节，以满足不同的作业需求。总之，通过配气机构可以有效提高机械系统、工业机械的运转可靠性和灵活性，减少保养成本，不仅能够节省成本，而且能够更好地提高生产效率。