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配气机构工作原理

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配气机构工作原理

    任务二 配气机构工作原理

    【任务目标】

    1.掌握配气机构工作原理。

    2.基本理解配气相位的含义。

    3.根据凸轮轴能说出该发动机的点火顺序。

    【任务分析】

    通过学习和掌握常规发动机配气机构的工作原理,进一步了解配气相位的真正含义,根据配气相位的知识,推导凸轮的相对位置,并了解现代新型的配气相位技术。

    【相关理论】

    一、常规发动机配气机构的工作原理

    配气机构的工作原理就是指发动机工作时,其机构的工作过程。下面以凸轮轴下置式配气机构为例进行说明。

    配气机构在工作时分为气门关闭、气门打开过程、气门关闭过程三个阶段(图3-19)。

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    图3-19 配气机构工作示意图

    (一)气门关闭

    发动机工作时,曲轴正时齿轮带着凸轮轴正时齿轮运行,使凸轮轴转动。当凸轮轴上的凸轮基圆部分与挺柱接触时,挺柱不升高,气门在气门弹簧的作用下始终处于关闭状态。

    (二)气门打开过程

    当凸轮轴转动至凸轮凸起部分时,与凸轮接触的挺柱被顶起,挺柱通过推杆把力传给摇臂短臂端,摇臂绕摇臂轴摆动,使摇臂的长臂端下压气门,并克服气门弹簧力使气门打开。

    凸轮凸起的高度越大,气门打开的程度就越大,当挺柱与凸轮的接触点到达凸轮最高点时,气门开度最大。由凸轮的外形我们可以看出,气门的打开过程是由小到大,最后到达最大开度的。

    (三)气门的关闭过程

    当凸轮轴继续转动,凸轮凸起部分将由最高点逐渐减小,挺柱在气门弹簧的作用下也将逐渐下落,气门的开度逐渐减小,这一过程就是气门逐渐关闭的过程。当凸轮轴转回到凸轮的基圆部分时,气门又处于完全关闭状态。

    图3-20是挺柱与凸轮在不同接触点时的高度差,这个高度差反应在气门上就是气门的开度。

    img63

    

    图3-20 凸轮轴转动与挺柱移动示意图

    二、配气相位

    (一)定义

    配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间,通常用环形图表示配气相位图(图3-21)。

    img64

    

    图3-21 配气相位

    (二)理论上的配气相位分析

    理论上讲进、压、功、排各占180º,也就是说进、排气门都是在上、下止点开闭,持续时间为曲轴转角180º。但实践证明,这样的配气相位是不能满足发动机对进、排气门的要求的。其原因有三:

    (1)气门的开、闭有个过程。开启的时候气门总是由小→大,关闭的时候总是由大→小。

    (2)气体惯性的影响。随着活塞的运动,同样造成进气不足、排气不净。

    (3)发动机速度的要求。实际发动机曲轴转速很高,活塞每一行程历时都很短。当转速为5 600r/min时,一个行程只有60/(5 600×2)=0.005 4s,就是转速为1 500r/min,一个行程也只有0.02s,这样短的进气或排气过程,使发动机进气不足,排气不净。

    可见,理论上的配气相位不能满足发动机进饱排净的要求,那么,实际的配气相位又是怎样满足这个要求的呢?下面我们进行分析。

    (三)实际的配气相位分析

    为了使进气充足,排气干净,除了从结构上进行改进外(如增大进、排气管道),还可以从配气相位上想点办法,让气门早开晚闭,以延长进、排气时间。

    (1)进气门早开:增大了进气行程开始时气门的开启高度,减小进气阻力,增加进气量。

    (2)进气门晚关:延长了进气时间,在大气压和气体惯性力的作用下,增加进气量。

    (3)排气门早开:借助气缸内的高压自行排气,大大减小了排气阻力,使排气干净。

    (4)排气门晚关:延长了排气时间,在废气压力和废气惯性力的作用下,使排气干净。

    (四)气门重叠

    由于进气门早开,排气门晚关,势必造成在同一时间内两个气门同时开启。把两个气门同时开启时间相当的曲轴转角叫做气门重叠角。

    在这段时间内,可燃混合气和废气是不会乱串的,因为:进、排气流各自有自己的流动方向和流动惯性,而重叠时间又很短,不至于混乱,即吸入的可燃混合气不会随同废气排出,废气也不会经进气门倒流入进气管,而只能从排气门排出;进气门附近有降压作用,有利于进气。

    (五)进、排气门的实际开闭时刻和延续时间

    1.实际进气门打开时刻和关闭延续时间

    在排气行程接近终了时,活塞到达上止点前,即曲轴转到离上止点还差一个角度α,进气门便开始开启,进气行程直到活塞越过下止点后β时,进气门才关闭。整个进气过程延续时间相当于曲轴转角180º+α+β(α:进气提前角,一般α=10º~30º,β:进气延迟角,一般β=40º~80º,进气过程中,进气门开启所占的曲轴转角为30º~290º)。

    2.实际排气打开时刻和关闭延续时间

    同样,做功行程接近终了时,活塞在下止点前排气门便开始开启,提前开启的角度γ一般为40º~80º,活塞越过下止点后δ角排气门关闭,δ一般为10º~30º,整个排气过程相当曲轴转角180º+γ+δ( γ:排气提前角,一般γ=40º~80º,δ:进气延迟角,一般δ=10º~30º,排气过程中,排气门开启所占的曲轴转角为230º~290º)。

    气门重叠角α+δ=20º~60º

    从上面的分析,可以看出实际配气相位和理论配气相位相差很大,实际配气相位的气门要早开晚关,主要是为了满足进气充足,排气干净的要求。在具体的发动机上,气门什么时候开、什么时候关,这主要根据各种车型,经过实验的方法确定,并由凸轮轴的形状、位置及配气机构来保证。

    (六)根据配气相位推导凸轮位置的方法

    如何根据配气相位推导凸轮位置?下面举例说明。

    已知:某发动机α=2º,β=44º,γ=34º,δ=2º。试推导凸轮的外形、进排气凸轮的相对位置和气门的重叠角。

    1.进、排气凸轮外形(指凸轮上凸起的两点间的中心夹角)

    分析:由配气相位和凸轮外形图可知,进气凸轮控制进气门,进气门从上止点前2º开始打开,一直到下止点后43º关闭,进气门打开的角度在曲轴上为(2+180+44)º=224º。而曲轴与凸轮轴的传动比是2∶1,即在凸轮轴上,从基圆上凸起A点到E点的中心角为:224º/2=112º,按图3-22中的位置A到C的中心角为112º/2=56º,这也是凸起点到最高点的中心夹角(图3-22)。

    同理可以得到排气凸轮凸起两点间的中心角为:(34+180+2)º/2=108º。

    2.同一个缸进、排气凸轮的相对位置(指两凸轮的顶点间的夹角)

    分析:从凸轮的外形可知,进气凸轮的最高点在凸起点后56º的位置处,排凸轮的最高点在凸起点后54º的位置处。这些在凸轮轴上的角度反应在曲轴上时应是2倍的关系。而从配气相位图中来看,进气门是在上止点前2º开始打开的,从这个点开始,当曲轴转过56º³2=112º,刚好是凸轮的最高点位置对应在曲轴上,也可说成是在进气行程中,活塞由上止点向下运行110º的曲轴角度时,凸轮到达最高点。

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    图3-22 凸轮外形及相对位置

    

    1进气凸轮:2排气凸轮。

    同理可得排气凸轮的最高点是:做功行程的下止点前34º为起点,曲轴转过108º时的位置,即从下止点起曲轴转过108º-34º=74º的位置。

    根据四冲程发动机工作原理可知:从进气上止点后110º起到排气行程下止点后的74º位置,曲轴要转过的角度为:(180-110+180+180+74)º=504º,这个角度对应到凸轮轴上则为252º(这是从凸轮轴转动的工作方向上的角度)。小角为360º-252º=108º,即图中两凸轮最高顶点的中心线的夹角为108º。

    3.进、排气门的重叠角

    进、排气门的重叠角为进气门提前打开角与排气门推迟关闭角之和,即2º+2º=4º。

    【工作页】

    一、填空题

    1.气门的打开和关闭时刻,取决于凸轮的___________位置,而开闭的长短取决于___________。

    2.根据发动机工作原理和配气相位图可知:发动机实际工作时,进气门是在___________行程的后期,_______止点前的一定角度打开的,在___________行程的前期,________止点后一定角度关闭的;而排气门是在___________行程的后期,________止点前一定的角度打开的,在___________行程的前期,________止点后一定角度的位置关闭的。

    3.顶置式配气机构气门是由_________产生下压的力而使气门打开的,其气门的关闭则是由_________产生的力来完成的。

    二、分析题

    已知某发动机的配气相位参数为:α=20º,β=56º,γ=20º,δ=54º。试推导凸轮的外形、进排气凸轮的相对位置和气门的重叠角。并画出凸轮外形图和进、排气凸轮相对位置图。

    通过对任务二的学习,你能给自己和老师一个评价吗?

    1. 老师的讲解生动、形象,态度和蔼可亲吗?   (  )

    2. 工作页是独立完成的吗?给自己一个客观的评价。(  )

    [成绩等级]________________

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