解惑柴油发电机配气机构工作流程和相位图

摘要：配气装置与进排烟装置的功用是按柴油发电机的工作循环和着火顺序，定时地开启和关闭各缸的进排烟门，以保证新鲜空气适时充入气缸，并将燃烧后的废气即时排出。发电机配气机构的类别有：气门式、气孔式和气孔-气门式三种类别。四冲程柴油发电机普遍采用气门式配气装置。柴油发电机对配气系统及进排烟装置的要求是：进入气缸的新鲜空气要尽可能多，排烟要尽可能充分；进、排气门的开闭时刻要正确，开闭时的振动和噪声要尽量小；另外，要作业可靠，使用年限长和便于调节。本节着重分述四冲程柴油发电机的气门式配气系统及其进排烟装置。

      气门式配气系统由气门组（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）构成。

      柴油发电机配气系统的组成形式较多，按照气门相对于汽缸的位置不一样可分为两种形式：

       气门部署在汽缸侧面的称为侧置式气门配气机构；采用侧置式气门配气机构部署的燃烧室横向面积大，组成不紧凑，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，燃烧室就很难布置。对于柴油发电机，因为压缩比无法过低，故而广泛采用顶置式气门配气系统。其结构结构如图1所示。

      气门布置在汽缸顶部的称为顶置式气门配气机构。顶置式气门配气装置如图2所示，由凸轮轴、挺柱、推杆、气门摇臂和气门等零件结构。进、排烟门都部署在气缸盖上，气门头部朝下，尾部朝上。如凸轮轴为了传动方便而靠近主轴，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，使装置较为复杂，整个装置的刚性较差。

      凸轮轴由主轴通过齿轮驱动。当柴油发电机工作时，凸轮轴即随主轴转动，对于四冲程柴油发电机而言，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-汽缸盖；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-调节螺钉；13-推杆；14-挺柱；15-凸轮轴

       按凸轮轴的布置位置可分为上置凸轮轴式、中置凸轮轴式和下置凸轮轴式。

      上置凸轮轴式配气机构的凸轮轴安装在汽缸盖上，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。

      对于转速较高的发电机，为了减轻气门传动机构的往复运动品质，通常将凸轮轴位置移至汽缸体上部(相当于整个发电机的中部)，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，这种组成称为凸轮轴中置式配气装置，如图4（a）所示。这种方案如仍采用齿轮传动，需要加中间齿轮(隋轮)。

      凸轮轴由主轴通过正时齿轮驱动，通常将凸轮轴部署在机油盘从底部偏向中部的位置，目的是尽可能缩短凸轮轴与曲轴之间的距离，此种结构称为凸轮轴下置式配气系统，如图4（b）所示。这种措施传动简易，一般都采用齿轮传动。

      按主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，减小噪音和磨损，配对正时齿轮多用斜齿并用不一样材料制成。为了保证配气正时，齿轮上都有正时记号，安装时必须使记号对齐。

      正时齿轮通过链条驱动凸轮轴，在链条侧面有张紧系统和链条导板，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、四气门和五气门装置。

       一般发电机采用较多的是每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门。这种构造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，以改良气缸的换气性能。但是，由于受到燃烧室尺寸的限制，从理论上讲，较大气门直径通常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构造就不能满足发电机对换气的要求。这就要采用每缸三气门（如图5所示）、四气门（如图6所示）的构成。

      机理康明斯油机的进气、压缩、做功和排烟等过程，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、排烟更干净，进、排气门要提早打开、增长关闭。柴油发电机的进、排烟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、下止点时的曲轴转角来表示，称为配气相位或配气定时。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。

       在四冲程发电机的大概作业循环中，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曲轴转180°完成的，即气门开关时刻是在活塞的上、下止点处。但实际情形并非如此。由于发电机速度很高，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。为了改善换气步骤，提高发电机性能，实际发电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，以增长进、排烟的时间。也就是说，气门开启流程中主轴转角都大于180°。

      在排气行程接近终了，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，通常为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主轴转角称为进气滞后角（或晚关角），用β表示，β一般为4°～8°。进气门晚关，是因为活塞到达下止点时，因为进气阻力的危害，气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过度便会将进入汽缸的气体重新又压回进气管。

      由上可见，进气门开启持续时间内的主轴转角，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。从排气门开始开启到下止点所对应的主轴转角称为排气提前角（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，做功用途已经不大，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减轻。此外，发烫废气的早排，还可避免发电机偏热。但y角若过大，则将得不偿失。

       在活塞越过上止点后，排烟门才关闭。从上止点到排气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°。由于活塞到达上止点时，气缸内的压力仍高于大气压，且废气气流有一定的惯性，所以排烟门适当晚关可使废气排得较干净。

       由上可见，排气门开启持续时间内的主轴转角，即排气连续角为y+180°+δ，其配气相位如图8（b）所示。

      由于进气门早开和排气门晚关，就出现了一段进、排气门同时开启的状况，称为气门叠开。同时开启的角度，即进气门早开角与排烟门晚关角的和α+δ，称为气门叠开角。

      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危害较大。在配气相位的4个角中，进气滞后角的大小，对发电机性能的危害较大。因此，通常发电机当配气相位变滞后，影响发电机性能较大的进气滞后角变大，而这正是高速时所要求的，所以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。

      对于不同发电机，由于构成形式、转速各不相同，因而配气相位也不相同。合理的配气相位应根据发电机性能要求，通过反复试验确定。

      配气相位要根据柴油发电机的操作工况和常用转速来确定。不同的柴油发电机，其配气相位是不同的。配气相位的数值要通过试验确定。为保证配气相位的正确，在曲轴与凸轮轴驱动系统之间通常设有专门的记号，在装配步骤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。

技术优化：进行皮带解体修复作业后，必须对皮带和配气相位进行调节，同时保证皮带张紧度符合要求。

      尽管不一样发电机配气相位是根据试验而取得的较佳配气相位，从而成为布置凸轮型线及确定各气缸进、排气凸轮在凸轮轴上相对位置的依据。但实际上当配气凸轮轴布置已定，则发电机的配气相位也就确定下来了，在发电机运行程序中是无法改变的。然而，发电机转速的高低对进、排气流动以及汽缸内的燃烧过程是有危害的。速度高时，进气气流流速高，惯性能量大，故而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，在发电机转速低时，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气缸，使进气反而少了，发电机作业更趋不稳定。因此，在低转速时，希望发电机进气门稍晚些开启。另外，在发电机速度不同时，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适用于高速，那么在低转速时，性能就不会太好；反之亦然。为了取得平衡，通常凸轮型线规划时，配气相位既要照顾到高速，又要兼顾低速，故而是一个折中的配气方案，很难达到真正的较佳配气相位。

      发电机作业时，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，造成汽缸漏气。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，康明斯发电机公司习惯称之为“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）在常温下装配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；在发电机正常运行时（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。发电机在热态下的气门间隙称为气门的热间隙。

      在柴油发电机使用过程中，由于零件的损伤与变形，气门间隙会逐渐增大，促使进、排烟门迟开、早关，引起进、排烟的时间变短，进气不足，排烟不净，导致柴油发电机的动力性与经济性下降，同时使各零件之间的撞击与损伤加剧，噪音增大；若气门间隙过小，则会引起气门密封不严而漏气，引起柴油发电机动力下降，油耗增加，甚至烧坏气门零件。

      因此，在使用流程中，应按期检查和调整气门间隙。柴油发电机的气门间隙通常由制造厂给出，各机型都有主要规定，气门间隙调节系统所在位置如图9所示。在常温下（冷间隙），一般进气门间隙在0.20～0.35mm之间，排烟门间隙在0.30～0.40mm范围内。有的发电机只规定了冷间隙，此时的冷间隙数值能保证发电机在热机状态下仍有一定的气门间隙。有的发电机则分别规定了冷间隙和热间隙。安装时应将气门间隙调整到规定数值。

      调节发电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，因为柴油发电机作业时间的长短不一样，其机温也有所区别，气门间隙的大小不佳把握。调节时，首先转动曲轴使要调整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式依次调节其他缸。

     调节气门间隙的步骤如图10所示，先松开调节螺钉的锁紧螺母，再旋转调整螺钉，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，调节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、精准的操作动作。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整，以满足不同的作业需求。总之，通过配气机构可以高效增强机械装置、工业机械的运转可靠性和灵活性，降低维护成本，不仅能够节省成本，而且能够更好地提升生产效率。