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）。

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。

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）。

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。

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］________________