第三章 配气机构

第三章配气机构3.1 概述 (2)3.2 配气相位 (5)3.3 配气机构的零件和组件 (8)3.4 可变进气系统 (21)学习目标：1.掌握配气机构的组成及各零部件的结构特点；2.掌握配气相位、气门间隙；3.掌握凸轮轴的结构特点；4.掌握可变进气系统的结构类型特点。

学习方法：介绍发动机配气机构的结构及组成，通过实物教学和多媒体课件动态演示相结合，并和汽车拆装与调整实践教学相辅相承，使学生掌握各零部件的结构特点和安装要求。

学习内容：§3.1 概述§3.2 配气相位§3.3 配气机构的零件和组件§3.4 用配气相位图分析可调间隙的气门§3.5 可变进气系统学习重点：1.配气相位；2.气门间隙；3.凸轮轴的结构特点；4.可变进气系统的结构类型。

作业习题：1.影响充气效率的因素主要有哪些？2.配气机构的功用是什么？3.如何从一根凸轮轴上找出各缸的进排气凸轮和该发动机的发火顺序？4.气门弹簧起什么作用，为什么在装配气门弹簧时要预先压缩？5.挺柱的类型主要有哪些，液压挺柱有哪些优点？6.可变进气系统主要有哪几种型式？3.1 概述配气机构的功用就是根据每一气缸内所进行的工作循环和点火顺序的要求，定时打开和关闭各缸的进排气门，使新气及时进入气缸和废气及时排出气缸，使换气过程最佳。

好的配气机构应使发动机在各种工况下工作时获得最佳的进气量，以保证发动机在各种工况下工作时发出最好的性能。

发动机在全负荷下工作时，需获得最大功率和扭矩，这就要求在此工况下，配气机构应保证获得最大进气充量。

吸入的进气越多，发动机发出的功率和扭矩越大。

进气充满气缸的程度，常用充气效率 ( 也称充气系数 ) η v 表示。

即：ηv =M/Mo式中M －进气过程中，实际充入气缸的进气量；Mo －在进气状态下充满气缸工作容积的进气量。

一般情况下发动机充气效率η v 总是小于 l 的。

η v 的大致范围是：四冲程汽油机 0.7 ～ 0.85 ；四冲程非增压柴油机 0.75 ～ 0.90 ；四冲程增压柴油机 0.90 ～ 1.05 。

从不同的角度，气门式配气机构有多种分类方法：3.1.1 按照气门的布置形式分：侧置气门、混合气门和顶置气门式配气机构前两种布置形式在轿车发动机中已被淘汰，现代轿车发动机已全都采用顶置气门布置形式。

货车和客车也大多采用这种型式。

3.1.2 按照凸轮轴的布置位置分：凸轮轴下置式，凸轮轴中置式，和凸轮轴上置式三者都可用于气门顶置式配气机构。

凸轮轴下置和中置的配气机构中的凸轮轴位于曲轴箱中部。

当发动机转速较高时，为了减小气门传动机构的往复运动质量，可将凸轮轴位置移到气缸体的上部，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，而省去推杆，这种结构称为凸轮轴中置式配气机构。

凸轮轴上置式配气机构中的凸轮轴布置在气缸盖上，这种结构中，凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门，没有挺柱、推杆，使往复运动质量大大减小。

因此它适用于高速发动机。

但由于凸轮轴离曲轴中心线更远，因此正时传动机构更为复杂，而且拆装气缸盖也比较困难。

缸径较小的柴油机的凸轮轴上置时给安装喷油器也带来困难。

上置凸轮轴的另一种型式是凸轮轴直接驱动气门，如图 3-3 所示。

这种配气机构的往复运动质量最小，对凸轮轴和气门弹簧设计的要求也最低，因此特别适用于高速强化发动机。

这在国外的高速汽车发动机上得到广泛的应用。

3.1.3 按曲轴和凸轮轴的传动方式分：齿轮传动式、链条传动式和齿带传动式三种型式（1）齿轮传动：在下置凸轮轴驱动的顶置气门布置中，通常采用曲轴正时齿轮直接或通过中间轮带动凸轮轴转动的形式。

这种驱动方式传动简单可靠、噪声小，广泛用在下置凸轮轴的传动中。

（2）链传动：链传动一般用在顶置凸轮轴布置形式中，为了不致脱链和工作时链条具有适度的张力，一般装有导链板和张紧轮等装置。

链传动的主要缺点是寿命差，噪声较大，结构质量也较大，优点是布置容易。

若传动距离较长时，可用两级链传动。

（3）齿带传动：现代高速轿车用汽油机和柴油机，广泛采用齿型带传动的形式，噪声小、工作可靠、成本低。

3.1.4 按每气缸气门数目分：二气门式、四气门式等一般发动机都采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门的结构。

为了进一步改善气缸的换气，在可能的条件下，应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径。

但是，由于燃烧室尺寸的限制，气门直径最大一般不能超过气缸直径的一半。

当气缸直径较大，活塞平均速度较高时，每缸一进一排的气门结构就不能保证良好的换气质量。

因此，在很多新型汽车发动机上多采用每缸四气门的结构，即两个进气门和两个排气门。

如 12V150Z 型柴油机就是这种型式。

采用这种型式后，进气门总的通过断面较大，充气效率较高，排气门的直径可适当减小，使其工作温度相应降低，提高了工作可靠性。

组成为气门顶置凸轮轴下置式配气机构。

它由气门组和气门传动组两部分组成。

气门组包括气门 3 、气门导管 2 、气门弹簧 4 和 5 、弹簧座 6 、锁片 7 等零件。

气门传动组包括摇臂轴 9 、摇臂 10 、推杆 13 、挺柱 14 、凸轮轴 15 和正时齿轮等零件。

发动机工作时，曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴旋转。

当凸轮轴转到凸轮的凸起部分顶起挺柱时，通过推杆和调整螺钉 12 使摇臂绕摇臂轴摆动，压缩气门弹簧，使气门离座，即气门开启。

当凸轮凸起部分离开挺柱后，气门便在气门弹簧力作用下上升而落座，即气门关闭。

3.2 配气相位在前述四冲程发动机的简单工作循环中，为了方便，曾把进、排气过程都看做是在活塞的一个行程内即曲轴转180°完成的，即气门开关时刻是在活塞的上下止点处。

但实际情况并非如此。

由于发动机转速很高，一个行程的时间极短，例如上海桑塔纳轿车发动机，在最大功率时的转速为 5600r／min ，一个行程历时仅为 60／(5600 × 2) ＝ 0.0054s 。

再加上用凸轮驱动气门开启需要一个过程，气门全开的时间就更短了，这样短的时间难以做到进气充分，排气干净。

为了改善换气过程，提高发动机性能，实际发动机的气门开启和关闭并不恰好在活塞的上下止点，而是适当地提前和滞后，以延长进、排气的时间。

也就是说，气门开启过程中曲轴转角都大于 180°。

用曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻和开启持续时间，称为配气相位。

配气相位的各个角度可用配气相位图来表示，如图3-2-1 。

3.2.1 进气门的配气相位（1）进气提前角在排气行程接近终了，活塞到达上止点之前，进气门便开始开启。

从进气门开始开启到上止点所对应的曲轴转角称为进气提前角 ( 或早开角 ) ，用α表示，一般为 10°-30°。

进气门提前开启的目的，是为了保证进气行程开始时进气门已开大，新鲜气体能顺利地充入气缸。

（2）进气迟后角在进气行程下止点过后，活塞重又上行一段，进气门才关闭。

从下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角称为进气迟后角 ( 或晚关角 ) ，用β表示，β一般为 40°-80°。

进气门晚关，是因为活塞到达下止点时，由于进气阻力的影响，气缸内的压力仍低于大气压，且气流还有相当大的惯性，仍能继续进气。

下止点过后，随着活塞的上行，气缸内压力逐渐增大，进气气流速度也逐渐减小，至流速等于零时，进气门便关闭的β角最适宜。

若β过大就会将进入气缸的气体重新又压回进气管。

由上可见，进气门开启持续时间内的曲轴转角，即进气持续角为α +180°+ β。

在前述四冲程发动机的简单工作循环中，为了方便，曾把进、排气过程都看做是在活塞的一个行程内即曲轴转 180°完成的，即气门开关时刻是在活塞的上下止点处。

但实际情况并非如此。

由于发动机转速很高，一个行程的时间极短，再加上用凸轮驱动气门开启需要一个过程，气门全开的时间就更短了，这样短的时间难以做到进气充分，排气干净。

为了改善换气过程，提高发动机性能，实际发动机的气门开启和关闭并不恰好在活塞的上下止点，而是适当地提前和滞后，以延长进、排气的时间。

也就是说，气门开启过程中曲轴转角都大于180°。

用曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻和开启持续时间，称为配气相位。

配气相位的各个角度可用配气相位图来表示，如图 3-2-1 。

3.2.2 排气门的配气相位（1）排气提前角在做功行程的后期，活塞到达下止点前，排气门便开始开启。

从排气门开始开启到下止点所对应的曲轴转角称为排气提前角(或早开角)，用γ表示，γ一般为40°- 80°。

排气门恰当的早开，气缸内还有0.3-0.5MPa的压力，做功作用已经不大，但利用此压力可使气缸内的废气迅速地自由排出，待活塞到达下止点时，气缸内只剩约0.11-0.12MPa的压力，使排气行程所消耗的功率大为减小。

此外，高温废气的早排，还可防止发动机过热。

但γ角若过大，则将得不偿失。

（2）排气迟后角在活塞越过上止点后，排气门才关闭。

从上止点到排气门关闭所对应的曲轴转角称为排气迟后角(或晚关角)，用δ表示。

δ一般为10°-30°。

由于活塞到达上止点时，气缸内的压力仍高于大气压，且废气气流有一定的惯性，所以排气门适当晚关可使废气排得较干净。

由上可见，排气门开启持续时间内的曲轴转角，即排气持续角为γ+180°+δ。

3.2.3 气门的叠开由于进气门早开和排气门晚关，就出现了一段进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开。

同时开启的角度，即进气门早开角与排气门晚关角的和(α+δ)，称为气门叠开角。

由于叠开时气门的开度很小，且新鲜气体和废气流的惯性要保持原来的流动方向，所以只要叠开角适当，就不会产生废气倒排回进气管和新鲜气体随废气排出的问题。

相反，由于废气气流周围有一定的真空度，对排气速度有一定影响，从进气门进入的少量新鲜气体可对此真空度加以填补，还有助于废气的排出。

发动机的结构不同、转速不同，配气相位也就不同。

3.3 配气机构的零件和组件四冲程气门式配气机构一般都由气门组和气门传动组两部分组成。

不同型式的配气机构，气门组结构差异不大，但气门传动组结构差别很大。

3.3.1 气门组气门组包括气门、气门座、气门导管及气门弹簧等零件，如图3-3-1 所示，有的进气门还设有气门旋转机构。

3.3.1.1 气门的工作条件与材料承受热负荷、机械负荷、冲击且冷却润滑困难。

为了保证气门的正常工作，除了在结构上采取措施外，还应当选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。

根据进、排气门工作条件的不同，进气门采用一般合金钢 ( 如 40Cr 、 35CrMo 等 ) 即可，而排气门则要求用高铬耐热钢 ( 如 4Crl0Si2Mo 和 4Cr9Si2 等 ) 制造。

3.3.1.2气门气门是保证发动机工作性能良好和可靠性、耐久性的重要零件之一。