在用柴油機(jī)配氣相位優(yōu)化調(diào)整機(jī)理分析

孫吉樹

(延邊大學(xué)工學(xué)院 吉林 延吉 133002)

一般柴油機(jī)出廠時都規(guī)定了配氣相位的主要調(diào)整數(shù)據(jù)，對新機(jī)而言，按這些數(shù)據(jù)調(diào)整可達(dá)到發(fā)動機(jī)最佳技術(shù)狀態(tài)。隨著使用時間的增加，柴油機(jī)零件會不斷磨損，但只要在極限范圍內(nèi)均可照常使用，可是若仍按出廠數(shù)據(jù)調(diào)整則不可能達(dá)到該機(jī)的最佳技術(shù)狀態(tài)。此外，由于制造誤差，調(diào)整不當(dāng)?shù)仍蚓赡苡绊懗橛蜋C(jī)的技術(shù)狀態(tài)。優(yōu)化調(diào)整技術(shù)是經(jīng)過多年的經(jīng)驗摸索出來的一種能根據(jù)運行中發(fā)動機(jī)的不同磨損情況和工況進(jìn)行針對性調(diào)整的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，通過優(yōu)化調(diào)整，可使其達(dá)到最佳技術(shù)狀態(tài)，提高功率，降低油耗。本文分析了影響柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)的主要可調(diào)參數(shù)之一——配氣相位的優(yōu)化調(diào)整機(jī)理和方法。

1 配氣相位的調(diào)整機(jī)理

通過對大量運行中的柴油機(jī)的配氣相位測定表明，使用中柴油機(jī)配氣相位大多數(shù)偏離出廠規(guī)定值，而且差距較大。

對某地區(qū)二百余臺在用s195柴油機(jī)測取數(shù)據(jù)表明，若以進(jìn)氣門開啟延續(xù)角230～250°CA為合格標(biāo)準(zhǔn)，合格的僅占31.3%；進(jìn)氣門開啟延續(xù)角大于250°CA的占9.25%；進(jìn)氣門開啟延續(xù)角小于230°CA的占59.5%。由此可見，氣門開啟延續(xù)角過小是問題的主要方面。排氣門開啟延續(xù)角測取數(shù)據(jù)分布情況基本上也類似，開啟延續(xù)角過小是問題的主要方面。

從檢測結(jié)果來看，70%以上的在用柴油機(jī)氣門開啟延續(xù)角嚴(yán)重不足，其原因有三點：一是氣門間隙過大；二是凸輪磨損；三是凸輪制造誤差。

1.1 配氣相位和“時間——斷面”對換氣性能的影響

發(fā)動機(jī)排氣和進(jìn)氣過程的整個階段稱換氣過程,換氣過程的完善程度是決定發(fā)動機(jī)性能的一個重要因素。顯然，氣門開啟面積愈大，開啟時間愈長，其換氣能力愈強(qiáng)，常用所謂氣門開啟的“時間——斷面”作為配氣機(jī)構(gòu)換氣能力的基本參數(shù)。從氣門與坐孔結(jié)構(gòu)分析出，具有密封錐面（錐角為γ）的氣門通道斷面f是截錐體的側(cè)表面積，即

由上式可知，在氣門尺寸一定時，氣門通道斷面積f與氣門升程h有直接關(guān)系，因氣門的運動是凸輪控制的，其升程是不斷變化的，所以f也是隨時間t、曲軸轉(zhuǎn)角φ不斷變化的。氣門開啟的“時間——斷面”可用積分式表達(dá)：

氣門開啟“時間——斷面”愈大，則換氣愈好。為了獲得較大的“時間——斷面”和好的換氣效果，選擇合適的氣門開啟時間是很重要的。

下面分析柴油機(jī)的燃燒過程。柴油機(jī)采用缸內(nèi)噴射混合氣形成方式，在壓縮接近終了才把柴油噴入氣缸，直接在氣缸內(nèi)部形成混合氣，并經(jīng)過冷焰、藍(lán)焰和熱焰等階段物理化學(xué)變化反應(yīng)自行發(fā)火燃燒。由于混合氣形成時間極短，只不過占15～35°CA，當(dāng)1500rpm工作時只有1.7～4.0ms。因而造成混合氣在燃燒室各處是很不均勻的，且噴入需延續(xù)時間，故缸內(nèi)混合氣成分也隨時間變化?；旌蠚鉂馓幦剂弦蛉毖趺昂跓?，但此時α=1.2～1.3左右，這說明混合氣成分的不均勻性導(dǎo)致部分混合氣在燃燒時是氧不足。增大空氣輸入對發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)惡化的主要原因之一是配氣相位的變化所致。

1.2 氣門間隙對換氣性能的影響

氣門間隙增大使氣門開啟延遲、關(guān)閉提前，反之相反。對某地區(qū)s195機(jī)二百余臺檢測結(jié)果顯示進(jìn)氣門間隙（標(biāo)準(zhǔn)值為0.35mm）符合標(biāo)準(zhǔn)的僅占13.06%，間隙過大的機(jī)占54.8%，排氣門間隙（標(biāo)準(zhǔn)值為0.45mm）符合標(biāo)準(zhǔn)的僅占20.72%，間隙過大的機(jī)占60.36%。

下面分析氣門間隙與配氣相位的關(guān)系。最佳配氣相位，由凸輪的形狀、位置及配氣機(jī)構(gòu)的正確裝配關(guān)系給予保證。使用中零件磨損變形、裝配關(guān)系和氣門間隙的變化均會使配氣相位和“時間——斷面”發(fā)生改變，造成柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)的惡化，需調(diào)整。但如按出廠說明書方法調(diào)整，就是把氣門間隙調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)值對柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)改善效果不明顯。這是因凸輪連桿等配氣機(jī)構(gòu)零件磨損后，仍以氣門間隙為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，則不能保證配齊正適合合適的“時間——斷面”。筆者認(rèn)為，可采用以進(jìn)氣延遲角和排氣提前角為基準(zhǔn)，通過改變氣門間隙，使配氣相位“收縮”（即減小各配氣相位角）或“膨脹”（即增大配氣相位角）的方法來調(diào)整。

從凸輪幾何形狀可分析出，氣門間隙增大，致使氣門開啟時間延遲，關(guān)閉時間提前，凸輪有效升程減小，使之氣門開啟“時間——斷面”減小，氣流阻力增大，換氣質(zhì)量變差。反之，相反，使之換氣較充分。氣門間隙小有利于換氣，但要保證受熱膨脹余量。

1.3 凸輪磨損對換氣性能的影響

凸輪磨損后，若仍把氣門間隙調(diào)整到規(guī)定值，就難達(dá)到所需的配氣相位。凸輪外廓幾何分析中可得出，凸輪發(fā)生磨損，可考慮適當(dāng)減小氣門間隙，以得到較好換氣效果。

1.4 凸輪外形制造誤差對換氣性能的影響

凸輪外廓加工比較困難，易出現(xiàn)凸輪外廓“肥瘦”不一。在相同的條件下，采用“肥”的凸輪，則氣門開啟延續(xù)角增大；反之，相反。對兩個制造廠的10臺新柴油機(jī)檢測發(fā)現(xiàn)，凸輪多數(shù)偏“瘦”。

2 配氣相位的優(yōu)化調(diào)整

不論是氣門間隙過大或凸輪磨損、還是凸輪外形制造誤差，均通過優(yōu)化調(diào)整使配氣相位得到一定的程度的彌補(bǔ)，也就是通過改變氣門間隙來滿足配氣相位的相應(yīng)要求。如氣門開啟延續(xù)角過小，可適當(dāng)減小氣門間隙，盡量使配氣相位接近設(shè)計。要求為了調(diào)整方便，不必測量凸輪磨損程度，直接調(diào)整氣門間隙即可。調(diào)整可選三種方案。

2.1 以進(jìn)、排氣門開啟角為標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)整方案

以s195為例，調(diào)整時將飛輪轉(zhuǎn)至排氣門上止點前17°CA，將進(jìn)氣門間隙調(diào)至“零”，至于進(jìn)氣門關(guān)閉角則不作為考慮因素，一般會在下止點后43°CA附近關(guān)閉；同理將飛輪轉(zhuǎn)至做功行程下止點前43°CA將排氣門間隙調(diào)至“零”，保證排氣門在下止點前43°CA準(zhǔn)時開啟，氣門關(guān)閉角一般在上止點后17°CA附近。用此方法調(diào)整比較方便，氣門開啟延續(xù)角基本能保證，氣門開啟升程大致符合要求。

2.2 進(jìn)氣門以遲關(guān)角，排氣門以提前角為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整的方案

按此方法調(diào)整對凸輪外形磨損不大的柴油機(jī)具有較好效果。

2.3 以進(jìn)、排氣門開啟角為標(biāo)準(zhǔn)、適當(dāng)兼顧關(guān)閉角的方案

凸輪外形磨損較大的柴油機(jī)較適合此方法。因凸輪外形磨損較嚴(yán)重時，不能保證氣門開啟延續(xù)角，若以開啟角為標(biāo)準(zhǔn)，則關(guān)閉角相差太大；若以關(guān)閉角為標(biāo)準(zhǔn)，則開啟角相差太大。因此不得不采用兩者兼顧的方法。

為了驗證配氣相位優(yōu)化調(diào)整的效果，筆者對一臺柴油機(jī)進(jìn)行了配氣相位調(diào)整試驗，結(jié)果如下表：

表1 配氣相位調(diào)整試驗

從表中分析出，在用的柴油機(jī)，當(dāng)氣門間隙調(diào)整到使用說明書所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值時，配氣相位雖有改善，但與最佳配氣相位相差還是較大，換氣不很充分，功率油耗不理想。當(dāng)調(diào)到標(biāo)準(zhǔn)值以下時，且分別按進(jìn)氣延遲角和排氣提前角為基準(zhǔn)調(diào)整，配氣相位接近最佳，能較好地恢復(fù)到原來的換氣質(zhì)量，能保證發(fā)動機(jī)動力性能和經(jīng)濟(jì)性能充分發(fā)揮出來。上表調(diào)整結(jié)果中可看出，優(yōu)化調(diào)整的配氣相位比標(biāo)準(zhǔn)值時，功率提高5.38%，油耗下降6.87%，效果顯著。

3 結(jié)語

對農(nóng)村在用磨損程度不同的柴油機(jī)，通過優(yōu)化調(diào)整，可提高技術(shù)狀態(tài)，比使用說明書調(diào)整方法，功率可提高功率5%以上，油耗降低4%以上，是行之有效的技術(shù)。

［1］奚文斌，何勇.S195柴油機(jī)優(yōu)化調(diào)整節(jié)能與檢測[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社.

［2］孫吉樹.單缸柴油機(jī)部分技術(shù)參數(shù)的經(jīng)驗調(diào)整法[J].延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)學(xué)報，2004（3）.

［3］戴巍有.不可忽視 S195 柴油機(jī)的三大調(diào)整[J].安徽農(nóng)機(jī)，2008（1）.