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怎样灵活运用四冲程发动机的做功循环表与配气相位
作者：曹 翌
[关键词]配合 运用 基础理论 实践
在近十年的发动机构造教学过程中，学生对发动机两大机构（曲柄连杆机构和配气机构）基础理论的理解与运用特别模糊，没能明确两大机构的配合关系。这个作为发动机原理上一对非常基本也是非常重要的关系，对学生以后从事专业的学习与工作的影响都很大，必须使学生对这对关系深刻理解。
对于汽车维修行业从业人员来说，在实际工作过程中，怎样运用四冲程发动机的做功循环表与配气相位的关系来分析问题，得出故障原因并最后解决问题，这在工作过程中是一个非常关键的问题。
那么要怎么样才能真正理解掌握这个基础理论呢？笔者认为主要从以下几个方面进行教与学，才能做到融会贯通。
（一）作功循环表与配气相位的关系
如下表及图所示。以六缸发动机为例，列出其作功循环表（表1）与配气相位（图1）进行分析：
表1
从作功循环表上首先要以每缸的工作循环为基础，掌握每缸的工作循环是由作功——排气——进气——压缩——作功这样的一个周而复始的工作循环。这是一个理论的工作循环。
从配气相位图上必须理解：由于在实际工作中，由于进、排气速度、惯性及气缸燃烧室形状等因素的影响。发动机在进、排气冲程时进排气门都是提前打开和延迟关闭的，目的就是利用延长进、排气时间来实现进排气的彻底性。从图1可以看到进气门的提前开启角是α角，是指活塞从进气门开始打开的时刻到活塞运动到上止点时曲轴所转过的角度，进气门的延迟关闭角是β角，是指活塞从下止点到进气门完全关闭时刻曲轴所转过的角度；排气门的提前开启角是γ角，是指塞从排气门开始打开的时刻到活塞运动到下止点时曲轴所转过的角度，排气门的延迟关闭角是δ角，是指活塞从上止点到进气门完全关闭时刻曲轴所转过的角度。从图上还可以看到进、排气门存在同时打开的时间段（α+δ）——称为重叠角。在这里要注意的是根据做功循环表知道，从进气冲程到排气冲程中间相隔了压缩和作功两个冲程，所以（β+γ）并不是进排气门同时打开的时间段。
为了理解配气相位图，以一缸为例，将α、δ、β、γ这四个角度移到做功循环表上，这时我们可以很直观地看到，进气冲程和排气冲程时曲轴的转角都比理论上的曲轴转角大了，并且很明显的看到了重叠角（α+δ）。
通过以上论述，我们可以看到曲柄连杆机构与本气机构的配合关系，如果这两个关系出现了变化，发动机的工作是不能正常的。
（二）维修实例
去年9月份，我接到一辆用户的金杯旅行车，车主反映发动机加速无力。此车配置的是绵阳4Y多点电喷发动机。这种发动机电控系统采用了德尔福电控系统，属于闭环控制多点燃油喷射，采用无分电器式的直接点火和三元催化器后处理技术。
1．该系统的特点。①对发动机的供油和怠速采用闭环控制系统能够消除系统及相关机械零件的制造误差，提高整车的综合一致性，还可消除车辆在实际使用后由于磨损等原因造成的误差。②系统将发动机的四个缸分为1—4、2—3两组，分别进行供油和点火的控制。该分组控制能使系统的结构得到简化，从而降低零部件及制造加工的成本。③该系统的曲轴位置传感器是一磁电式脉冲转速传感器。4Y多点发动机曲轴位置传感器装于曲轴前端，用以确定曲轴实时的旋转位置和转速。④4Y电喷发动机的点火提前角是由发动机ECM控制的。ECM控制点火线圈的初级电流接通或断开，从而产生高压火花，并控制点火正时。发动机ECM在进行点火提前角自动控制时，需要三个基本输入信号，即发动机负荷信号、发动机转速信号和曲轴位置信号。最前者可以通过进气管压力传感器及节气门位置传感器测得，后两者可以通过曲轴位置传感器测得。
2．故障分析检查。根据发动机加速无力的原因检查结果如下：①对空气滤清器进行检查，滤芯清洁，通气顺畅，没有堵塞情况。②对节气门进行检查，节气门开闭自如，没任何阻滞并能开到最大位置。③油路进行检修。更换汽油滤清器，清洗节气门阀体及喷油嘴，检查油管无泄漏现象，装复试车，情况无变化。④供油压力检查。对供油系统压后接入燃油压力表，打开点火开关，压力值为300KP，属正常范围值。启动发动机，观察压力值为240KP，仍属正常范围值，表明供油系统压力良好，系统中的燃油泵良好，油路畅通。⑤对排气系统进行检查去掉三元催化器，启动发动机，发动机转速无变化，证实排气系统畅通无阻。⑥对点火系统检查。逐一拨下高压分缸线，放人一个火花塞并搭铁，启动发动机，火花塞电极跳火。⑦进行点火正时检查。用一根导线将故障检测插座内的TE1和E1两插孔短接，关闭空调器、前照灯等所有附属设备，接着将发动机怠速调整至700r/min，用正时灯照射曲轴皮带轮，查看点火提前角，显示在正常范围内。
3．故障判断及排除。根据以上分析和检查，初步判断故障应在配气相位。于是进一步核对配气相位，拆开发动机盖进行了检查，发现气门间隙没问题，测量正时轮与曲轴位置传感器间隙为1.1mm，属正常范围值，传动链、正时点等位置正确。
考虑到该发动机的点火提前角是根据曲轴位置传感器输出的脉冲电信号进行判断的。如果此信号出现偏差，发动机电控单元根据此信号发出点火和喷油的指令，也就无法保证点火正时的准确性。此时估计正时轮与曲轴的机械连接可能出现偏差，从而导致本气相位的不正确，使到发动机加速无力。
于是开始对发动机机械部分进行检查，在拆下正时皮带轮时感到无阻力就能取下，进一步检查，发现曲轴正时轮上的半圆键严重磨损，与键槽的配合松旷，如图2所示。
至此，可判定引起故障的原因是由于这个键配合出现松旷导致发动机四个缸点火时刻整体延迟而出现的，并随着磨损增大（空隙的增大）而呈现故障更严重。特别值得注意的是：在手动转动曲轴检查时，一般是感觉不到的，但当磨损严重（空隙明显增大）和发动机频繁加速与减速时，由于机件惯性的影响，会出现“气喘”现象甚至熄火。
这是由于半圆键的磨损，使曲轴与正时轮的相对位置出现了改变，而在发动机加速时，正时轮相对曲轴转动滞后一个角度λ。但曲轴位置传感器是根据正时轮的位置来判断曲轴的位置的，这样导致了曲轴位置传感器对曲轴的位置判断错误，从而给电控单元（ECU）一个不准确的电讯号，而电控单元根据此讯号发出点火和喷油指令，从而出现了配气相位不正确，点火延迟了一个λ角度，最终导致发动机加速无力的故障现象。经更换损坏的半圆键及正时皮带轮装复试车，一切正常。
（三）形成原理的理论分析
上面所举故障的形成原因已很清晰，如表2所示。A——点火时刻1表示正常点火时刻点，B——点火时刻2表示延迟的点火时刻点。
将图2中由于磨损所出现的λ角标注到做功循环表中，很容易看到点火时刻出现了延迟情况，延迟的角度就是λ。这就是由于点火过迟造成的发动机加速无力、放炮等故障的一个理论表达方法。
通过以上分析，笔者认为要灵活运用四冲程发动机的做功循环表与配气相位必须将两者有机结合起来，一是透彻地理解将曲柄连杆机构与配气机构的机械传动关系，二是将做功循环表与配气相位图中的相关要素有机结合起来。然后在这个基础上将理论与实际联系进行分析，以达到理论为实践服务的目的，从而最终解决问题。