探究氣門間隙大小對柴油機運行的影響

南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 王恒 劉玉謙 張闖闖

前言

柴油機工作一段時間后，由于工作中的振動及配氣機構(gòu)零件的自然磨損，一些重要參數(shù)會因磨損、松動、變形而發(fā)生變化。農(nóng)機實訓(xùn)室有一臺江蘇750P 拖拉機用于教學(xué)，以此為例，探究氣門間隙大小對柴油機工作性能影響，掌握氣門間隙的調(diào)整方法。

1 理論分析[1]

1.1 配氣機構(gòu)概述

配氣機構(gòu)是控制發(fā)動機進氣和排氣的裝置，它是除了曲柄連桿機構(gòu)之外的另一個主要機構(gòu)。由氣門組零件和氣門驅(qū)動組零件組成。

氣門組主要由氣門口（座圈）、氣門、導(dǎo)管、油封、彈簧、彈簧座、鎖片（豆瓣銷）等組成，驅(qū)動組主要由凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂軸、搖臂和氣門間隙調(diào)整螺釘?shù)冉M成。典型的配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 典型的配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

1.2 配氣定時

發(fā)動機的換氣控制通過氣門實現(xiàn)，氣門打開和關(guān)閉時間根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)動角度以度(°)表示。由于每沖程需要180°曲軸轉(zhuǎn)角度，因此四沖程循環(huán)為720°曲軸角度。

為了使發(fā)動機充分進氣和排氣，改善發(fā)動機的氣體交換過程，適當(dāng)早開晚關(guān)氣門，從而延長進、排氣時間。因此，進氣門和排氣門開啟過程的曲軸轉(zhuǎn)角大于180°。

進氣門和排氣門的打開和關(guān)閉時間以曲軸轉(zhuǎn)動角度表示稱為氣門正時，也叫配氣定時。它通常用環(huán)形圖表示，稱為配氣相位圖,如圖2 所示。

圖2 配氣相位圖

進氣門在TDC 之前早開，目的是為了確保進氣門在進氣沖程開始時已完全打開，在進氣沖程的BDC 之后，活塞再次上升,進氣才關(guān)閉（晚關(guān)）。新鮮氣體可以盡可能多的加注到氣缸中。

排氣門在BDC 之前開始打開，此時做功沖程接近終了，氣缸內(nèi)殘余0.3～0.5 MPa 的壓力,工作效果不大,但利用該壓力，能讓廢氣盡快排出，直到上行越過TDC才關(guān)閉。減輕了活塞上行時的氣體阻力，并可以早點釋放高溫廢氣，有利于發(fā)動機運行。

由于進氣門提前打開，排氣門推遲關(guān)閉，氣提前角和排氣遲后角之和（α＋δ），稱為氣門重疊角。氣門適當(dāng)疊開可以讓新鮮氣體填充真空,并有助于排出廢氣。

1.3 氣門間隙

如圖3 所示，當(dāng)凸輪軸凸輪的圓柱面(基圓)接觸挺桿時，氣門關(guān)閉。如果此時凸輪基圓與氣門之間沒有間隙,則在冷態(tài)時氣門可以關(guān)閉嚴(yán)密,但當(dāng)發(fā)動機起動后溫度升高,氣門及傳動件加熱，膨脹和伸出時,氣門會被推開,氣門不會關(guān)閉嚴(yán)密。因此,凸輪基圓表面和氣門桿端面之間應(yīng)留有供機械零件熱膨脹的間隙,以確保氣門緊密關(guān)閉,該間隙稱為氣門間隙,如圖3 中Δ 所示。氣門間隙的可以用塞尺測量。

圖3 氣門間隙Δ 及其調(diào)整裝置

2 調(diào)整氣門間隙所需的技能知識[4]

2.1 調(diào)整氣門間隙之前需要達到的四點明確

調(diào)整氣門間隙雖然使用工具比較簡單，一般只需要一把擰鎖緊螺母的扳手，一把“一字型”螺絲刀，一把塞尺。操作時看上去簡單，勞動強度也不大。但是要做好這項工作，一是要明確進氣門和排氣門；二是要明確知道該發(fā)動機的點火順序；三是要明確找到發(fā)動機第1缸的壓縮上止點位置；四是要明確可調(diào)氣門。

下面以這臺江蘇750P 拖拉機的四缸柴油發(fā)動機為例，對達到以上四點的方法進行說明。

2.1.1 明確進氣門和排氣門的方法

（1）可以通過查閱廠家配套維修保養(yǎng)資料確認。

（2）打開氣門室罩，對照實物觀察，進氣歧管對應(yīng)的是進氣道和進氣門，排氣歧管對應(yīng)的是排氣道和排氣門。

（3）轉(zhuǎn)動曲軸觀察氣門，根據(jù)疊開時的動作確認，先動的是排氣門，接著動的是進氣門。

2.1.2 明確發(fā)動機的點火順序的方法

直列四缸發(fā)動機都可以有兩種點火順序，怎樣明確該發(fā)動機是哪一種工作順序，有三種方法。

（1）可以通過查閱廠家配套維修保養(yǎng)資料確認。

（2）在1 缸壓縮上止點時，繼續(xù)轉(zhuǎn)動曲軸觀察2、3缸排氣門動作，如果2 缸排氣門點頭，那么點火順序就是1-3-4-2，如果是3 缸排氣門點頭，那么點火順序就是1-2-4-3。

（3）拆下柴油泵上的高壓油管，轉(zhuǎn)動曲軸，看油泵的噴油順序即是該發(fā)動機點火順序。

2.1.3 明確第1 氣缸壓縮的上止點的方法

（1）第1 缸點火判斷法

柴油機第1 缸出油閥油面波動判斷法：找到柴油泵上的高壓油管，拆下第1 缸高壓油管出油閥一端，露出出油閥接口。松開所有其它缸的高壓油管（防止柴油噴入氣缸漏進油底殼中以稀釋機油），同時打開飛輪殼上的觀察孔蓋。慢慢轉(zhuǎn)動曲軸，觀察第1 缸出油閥油面波動的時刻，即第1 缸處于點火位置，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)動曲軸，使指針與飛輪上0°刻度線對齊。此時表示第1 缸在壓縮上止點。

（2）逆推法

打開氣門室罩，轉(zhuǎn)動曲軸,觀察4 缸排氣門還未終了，進氣門點頭的一瞬間，即是第1 氣缸壓縮上止點。

（3）對標(biāo)記法

拆下第1 缸噴油器，用棉球塞住噴油器座孔,然后轉(zhuǎn)動曲軸，當(dāng)棉球被壓縮氣體沖出時，對齊發(fā)動機上第1 氣缸上止點標(biāo)記。

2.1.4 明確可調(diào)氣門的方法

（1）當(dāng)氣缸處于壓縮上止點時，可以調(diào)整氣缸的進排氣門間隙。此方法適用于逐缸調(diào)整。

（2）在調(diào)整氣門間隙時，由于逐缸調(diào)整法效率低，在生產(chǎn)實踐中多使用兩次調(diào)整法，又叫“雙、排、不、進”法，關(guān)鍵能快速確定所有氣門中的可調(diào)氣門。從配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)可以看出：只有當(dāng)挺柱接觸凸輪的基圓時,才能調(diào)整氣門間隙。因此,根據(jù)發(fā)動機的配氣正時、曲軸上曲拐布置和工作順序，可以確定氣門挺柱是否與凸輪的基圓接觸,氣門是否可調(diào)。

以工作順序1-3-4-2 的四缸發(fā)動機為例：

第一遍：氣缸1 位于壓縮上止點時,其進排氣門都與挺柱和凸輪基圓接觸。因此，在氣缸1 用一個“雙”字,表示同時可以調(diào)整進、排兩個氣門的間隙。

氣缸3 處于壓縮沖程，但曲軸的曲柄剛離開“進氣門關(guān)閉”位置，進氣門正在恢復(fù)氣門間隙，且進氣門挺柱還未落到凸輪軸的基圓上，因此進氣門不可調(diào)節(jié),但該缸曲柄遠離“排氣門開啟”和“排氣門關(guān)閉”的位置,排氣門凸輪的基圓與挺柱接觸,因此，在氣缸3 上用一個“排”字，表示排氣門間隙可調(diào)。

氣缸4 位于排氣上止點,進排氣門處于重疊開的狀態(tài),不可調(diào)。因此，在氣缸4 上用一個“不”字，表示進排氣門都不可調(diào)；

氣缸2 處于排氣沖程,排氣門不可調(diào),但曲柄遠離“進氣門開啟”位置,進氣門可調(diào)。因此，在氣缸2 上用一個“進”字，表示進氣門間隙可調(diào)。

在第一遍調(diào)整完之后，轉(zhuǎn)動曲軸一周，把第一遍沒調(diào)整的氣門在第二遍進行調(diào)整。所有氣門間隙兩次調(diào)整完畢。

綜上所述，當(dāng)?shù)? 氣缸處于壓縮上止點時，根據(jù)發(fā)動機1-3-4-2 的工作順序，可調(diào)氣門為：雙（1 缸）、排（3 缸）、不(4 缸)、進（2 缸）。

同樣，當(dāng)曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一周后且第4 氣缸處于壓縮上止點時，可調(diào)氣門變成了：不（1 缸）、進（3 缸）、雙(4缸)、排（2 缸）。

第1 氣缸處在壓縮上止點時“雙排不進”，第4 缸處在壓縮上止點時“不進雙排”。

2.2 調(diào)整氣門間隙的具體操作手法

確定可調(diào)氣門后，可調(diào)整氣門間隙，介紹以下兩種操作方法。

2.2.1 用塞尺測量

先松開氣門間隙調(diào)整螺釘?shù)逆i緊螺母，選好塞尺厚度（要與所調(diào)氣門的規(guī)定間隙值相同），同時用螺絲刀轉(zhuǎn)動調(diào)整螺釘，將塞尺插入氣門桿與搖臂之間，直到塞尺能在間隙里有一點阻力并且可以輕微移動，然后握住螺絲刀，擰緊鎖緊螺母。

2.2.2 “0.30 半圈半”法

0.30mm 這個數(shù)值在氣門間隙規(guī)定值當(dāng)中比較常用。在搖臂磨損比較嚴(yán)重的情況下，有的接觸工作面甚至被氣門桿頂出一個凹陷坑，此時普通塞尺就無法測量使用。或者在缺少塞尺的情況下，“0.30 半圈半”法就比較簡單有效。它的意思是根據(jù)多次調(diào)整氣門間隙的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，用螺絲刀在將調(diào)整螺釘調(diào)到底消除了氣門間隙后，再反過來后退半圈的半圈，也就是將螺絲刀往回退90°，此時預(yù)留的間隙就是大約0.30mm。

在此基礎(chǔ)上，可適當(dāng)減小或加大螺絲刀旋轉(zhuǎn)度，使其盡可能接近氣門間隙的規(guī)定值。然后握住螺絲刀，擰緊鎖緊螺母。

3 探究氣門間隙過大、過小對柴油機的影響

3.1 探究氣門間隙過大對柴油機性能的影響。

這臺拖拉機搭載的是東方紅LR4B3-23 柴油發(fā)動機, 通過查閱東方紅LR/YT 系列柴油機使用保養(yǎng)說明書，第40 頁第2.8 項內(nèi)容：“東方紅系列柴油機的氣門排列順序為：從柴油機前部數(shù)，奇數(shù)為進氣門，偶數(shù)為排氣門。進氣門間隙為0.3～0.4mm，排氣門間隙為0.4～0.5mm。”

首先拆下氣門室罩，接著拆掉柴油泵上第1 缸高壓油管，同時松開其它缸的高壓油管螺帽。轉(zhuǎn)動曲軸，注意觀察出油閥口油面波動瞬間，然后繼續(xù)緩慢轉(zhuǎn)動曲軸，使飛輪殼上指針應(yīng)指向飛輪上的0°刻線時停止轉(zhuǎn)動。這臺四缸柴油機做功順序1-3-4-2，按照“雙排不進”方法，可以調(diào)整第1 缸的進排氣兩個氣門，第3缸的排氣門，第4 缸兩個氣門此時都不可調(diào)，第2 缸調(diào)進氣門。也就是從柴油機前部數(shù)，總共8 個氣門，可以調(diào)整第1、第2、第3、第6 四個氣門間隙。我們將1、3 進氣門的間隙設(shè)置成0.50mm, 把2、6 排氣門間隙設(shè)置成0.60mm。設(shè)置完以后，再轉(zhuǎn)動曲軸一周，將其余4 個氣門間隙都按照最大標(biāo)準(zhǔn)值加大0.1mm 設(shè)置。最后裝上第一缸高壓油管，擰緊其余各缸的高壓油管螺帽，裝回氣門室罩。

啟動柴油機，聽到柴油機發(fā)出清脆，有規(guī)律的“噠噠噠噠……”異響聲音，頻率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比。高速時感覺發(fā)動機提速阻滯，油門有堵的感覺。

3.2 探究氣門間隙過小對柴油機性能的影響

按照剛才的操作方法，將氣門間隙按照最小標(biāo)準(zhǔn)值減小0.1mm 設(shè)置。進氣門間隙設(shè)置為0.2mm，排氣門間隙設(shè)置為0.3mm。

啟動柴油機，聽到柴油機發(fā)異響消失了，但加速時感覺柴油機仍然提速不順暢，無力，有受阻的感覺，隨著柴油機升溫，出現(xiàn)發(fā)抖現(xiàn)象。

3.3 恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)

最后，用簡單快捷的兩次調(diào)整法，將氣門間隙恢復(fù)到廠家規(guī)定的進氣門間隙0.3～0.4mm，排氣門間隙0.4～0.5mm。

啟動柴油機，柴油機不僅沒有異響，而且啟動順利，加速靈敏，感覺提速有后勁，各工況過渡銜接順暢，恢復(fù)到了原有的狀態(tài)。

4 總結(jié)[3]

配氣機構(gòu)性能對柴油機有嚴(yán)重影響。如果氣門開度不夠或開閉不及時,則會出現(xiàn)排氣不完全，進氣不足的情況。這些與氣門間隙的大小直接相關(guān)。

如果氣門間隙過大, 傳動部件之間會有沖擊聲,柴油機氣門間隙過大，導(dǎo)致氣門開晚關(guān)早,進氣不足,影響發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。

如果氣門間隙過小，當(dāng)柴油機溫度升高時，會造成氣門封閉不嚴(yán)，嚴(yán)重情況下還會造成氣門與氣門口密封工作面燒蝕，柴油機不能啟動。

上述所有情況都會嚴(yán)重降低發(fā)動機的功率,甚至柴油機無法啟動。因此，柴油機氣門必須留有間隙，以防止金屬工件在柴油機熱態(tài)下因熱膨脹而卡住。氣門間隙不能太大或太小。定時檢查和調(diào)整氣門間隙，使其在制造廠規(guī)定的參數(shù)范圍內(nèi)，對充分發(fā)揮柴油機的動力性和經(jīng)濟性有重要意義。