配气机构交流材料

2014-6-29
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配气机构简介
一、配气机构简介
1.1 配气机构概述及组成
功用：配气机构是进、排气的控制机构，它按照气缸的工作顺序和工作过程的要 求，定时地开闭进、排气门，向气缸供给可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油 机）并及时排出废气。
另外，当进、排气门关闭时，保证气缸密封、进饱排净，四行程发动机都采用气 门式配气机构。 组成：配气机构由气门组和气门传动组组成 气门组包括：气门、气门座、气门导管、气门弹簧、锁片、卡簧。 气门传动组包括：凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门间隙调整螺钉等
摇臂
弹簧座
锁片
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液压挺住的功用：消除了配气机构的间隙，减小了各零件的冲击载荷和噪声 提高发动机高速时的性能。
工作原理：机油经2、3、4、7进入低 压油腔（柱塞11上方），并经5进入高 压油腔。凸轮作用，挺柱9及柱塞下移， 高压油腔油压升高，使5压紧在柱塞座 上，两油腔完全分离；由于液体的不可 压缩，挺柱与油缸成为一个刚体，气门 被打开。气门关闭后，在弹簧力作用下， 挺柱上移，高压腔压力下降，凸轮与挺 柱之间始终无间隙。 在气门受热时，可通过减少补油量或泄 露来自动改变挺柱的高度。因此，无需 气门间隙存在。
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1.3 专业术语
1.3.1 充气效率： 空气或可燃混合气被吸入气缸愈多，则发动机可能发出的功率愈大。新鲜空气 或可燃混合气充满气缸的程度，用充气效率Φc表示。Φc越高，表明进入气缸的新 气越多，可燃混合气燃烧时可能放出的热量也就越大，发动机的功率越大。 充气效率表示燃气或空气充满气缸的程度，即进气行程中，实际进入气缸内的 新气质量与进气系统进口状态下充满气缸工作容积的新气质量之比。
为何排气门间 隙大于进气门 间隙？
气门杆
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气门间隙过大与过小的危害： 间隙过大：进、排气门开启迟后，缩短了进排气时间，降低了气门的开启高度，改变 了正常的配气相位，使发动机因进气不足，排气不净而功率下降；此外，还使配气机 构零件的撞击增加，磨损加快。 无间隙或间隙过小：发动机工作后，零件受热膨胀，将气门推开，使气门关闭不严， 造成漏气，功率下降，并使气门的密封表面严重积碳或烧坏，甚至气门撞击活塞。
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气门组 弹簧座 气门锁片 气门油封
气门传动组 液力挺柱 凸轮轴正时齿轮 凸轮
齿Baidu Nhomakorabea带
张紧轮 气门弹簧 气门
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曲轴正时齿轮
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气门锁片的功用：在气门弹簧力的作用下把弹簧座和气门杆锁住，使弹簧力作用到 气门杆上。
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1.4.3装配要求:
1. 凸轮轴的轴向布置取决于内燃机的总布置。支撑轴颈数对气门机构刚度 有明显影响，多数内燃机用全支撑凸轮轴(每缸之间都有凸轮轴支撑轴颈)。
2.凸轮轴各凸轮的相位角的位置决定于各缸的点火顺序和配气正时。后者 一般是经过热力学开发部门计算出气门开启和关闭对应的曲轴转角及 1mm气门升程所对应的曲轴转角，然后由设计部门根据这些数据结合发动 机的具体结构尺寸再一次计算，得到凸轮的相位角度。 3.装配间隙的要求：包括凸轮轴轴颈与缸盖及轴承盖等配合时的配合间隙 和考虑在运转过程中，由于运动和润滑所需的凸轮轴与发动机其它相邻部 件之间所需的间隙。
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1.4.4 关键设计参数的确定
1.轴颈直径，根据凸轮轴的材料及承受的作用力，依据CAE计算出轴颈的最小直径 2.第一轴颈长度尺寸，由缸盖上与之配合的孔决定 3.曲拐中心(给缸盖螺栓让装配位置)的位置尺寸，由缸盖螺栓的位置决定 4.凸轮轴前端的油道尺寸，由相位转换器正常工作时需要的润滑油流量、压力决定的 5.凸轮轴长度，由缸盖的长度确认 6.凸轮外形尺寸，它主要有四个参数：基圆半径、凸轮型线、基本工作段作用角和气 门最大升程。 根据开发机型对发动机性能的目标值，热力学开发确定基本工作段作用角和气门最 大升程，然后在根据数据库选择相适应的型线。
2.2 配气机构对整机布置装配的影响
2.2.1 气门与缸盖中性面的角度和同一缸内凸轮的间距 1. 根据AVL的标准进气门与缸盖中性面成25º 夹角,排气门成22º 角,柴油发动机, 进 气门与缸盖成3º 夹角,排气门成2º 夹角. 2.根据缸径及气门的数量， 由右图经验值可以起初步 得出气门的直径及各气门 间的间隙。 还需综合考虑： 1）气门与气缸壁的壁距： 建议螺旋进气道大于1.5， 切向进气道大于1，排气道 大于1.2 2）缸盖鼻梁区壁厚：排气 间＞7，进排间＞4.5，进 进间＞3. 3）缸盖螺栓、喷油器等间 隙避让
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2.2.2 液压挺柱和气门的位置
根据液压挺住与气门的相对位置不同，主要有三种型式：直接驱动结构、液压挺住 靠近缸盖中心和气门靠近缸盖中心。
直接驱动结构型
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液压挺住靠近缸盖中心型
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气门靠近缸盖中心型
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1.2.2 按照凸轮轴的布置位置，分为： （1） 凸轮轴下置式 主要缺点是气门和凸轮轴相距较远，因而气门传动另件较 多，结构较复杂，发动机高度也有所增加。
（2） 凸轮轴中置 凸轮轴位于气缸体的中部由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇 臂，省去推杆，这种结构称为凸轮轴中置配气机构。 凸 轮轴上置,凸轮轴布置在气缸盖上。
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目录
一、配气机构简介 1.1 配气机构概述及组成 1.2 配气机构分类 1.3 专业术语 1.4 凸轮轴的设计 二、正向设计配气机构时总布置关注点 2.1 凸轮轴的包角及气门升程对整机性能的影响 2.2 配气机构对整机布置装配的影响 三、配气机构的前沿技术介绍 3.1 有凸轮轴驱动的可变配气相位机构 3.2 无凸轮轴驱动的可变配气相位机构 3.2 VVT 技术 3.3 VVL技术 3.4 停缸技术
直接驱动结构：采用顶置凸轮轴，气门由凸轮轴通过液压挺住直接驱动；优点： 减少了摇臂机构，降低成本及摩擦损失，无需通过摇臂传动，减少传动力矩； 缺点：液压挺住与凸轮轴接触为平面结构，容易造成局部磨损。 液压挺住靠近缸盖中心型：采用顶置凸轮轴驱动摇臂,进、排气门在两侧.液压挺 柱保证气门与摇臂之间无间隙.优点是结构紧凑,配气噪声减小;但由于凸轮轴位 于摇臂的中间驱动滚轴,使得驱动气门机构的力矩增大了,同时由于液压挺柱的采 用,使成本增加,经济性降低. 气门靠近缸盖中心型与液压挺住靠近缸盖中心型的差别是液压挺杆与气门的位 置互换了,是因为柴油发动机的燃烧室要求决定的,此时进气门的倾角为3º ,排气 门的倾角为2º . 选择气门与液压挺住布置型式时考虑的因素： 1.气门的升程 2.气门结构的布置空间
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1.3.3 配气相位 配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开闭时刻和开启的持续时间。通常 用环形配气相位图来表示。
进气提前角 一般α=10°～30° 进气延迟角 一般β=40°～80° 所以进气过程曲轴转角为230°～290°
排气提前角 一般γ=40°～80° 进气延迟角 一般δ=10°～30° 所以排气过程曲轴转角为230°～290° 气门重叠角α+δ=20°～60°
Φc=M/M0 新气：可燃混合气或新鲜空气 进口状态：指大气温度和大气压力下
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分析：（1）Φc↑，M↑，燃烧热量↑，发动机功↑； （2）Φc总是小于1（相对于自然吸气发动机） （注：根据公式PV=mRT，一方面由于进气系统对气流阻力造成进气终了时气缸内压 力降低，即P↓；另一方面上一循环残余废气又使进入的新鲜气体温度上升，即T↑； 对于容积一定的气缸来说， V一定、 P↓、T↑ 、m↓ 一般Φc=0.80~0.90，应该想办法提高充气效率。) （3）对增压机型来说，由于增压的作用，进气压力比大气压大，在某些工况 下可能存在充气效率大于1的情况，特别是稀薄燃烧和分层燃烧技术的运用
应用 凸轮轴下置 、中置式配 气机构 凸轮轴上置 式配气机构 凸轮轴上置 式配气机构
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齿轮传动
链条传动 齿形带传动
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1.2.4、按照每缸气门数目分 二气门、四气门、五气门、八气门等等。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。为了改善换气，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个气门结构。即两个进气门 和两个排气门。
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1.2 气门机构的分类 1.2.1 根据气门的安装位置的不同，分为： （1）气门顶置式 气门位于气缸盖上称为气门顶置式配气机构，由凸轮、挺柱、 推杆、摇臂、气门和气门弹簧等组成。其特点，进气阻力小， 燃烧室结构紧凑，气流搅动大，能达到较高的压缩比，目前国 产的汽车发动机都采用气门顶置式配气机构。 （2）气门侧置式 气门位于气缸体侧面称为气门侧置式配气机构，由凸轮、 挺柱、气门和气门弹簧等组成。省去了推杆、摇臂等另件， 简化了结构。因为它的进、排气门在气缸的一侧，压缩比受 到限制，进排气门阻力较大，发动机的动力性和高速性均较 差，逐渐被淘汰。
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由图的数据可知：在凸轮型线类型及进 气凸轮包角及升程一定的情况下，在一 定范围内，排气凸轮升程越高，泵气损 失越小，低端扭矩越好，而高速性能越 差；因此，在型线类型一定的情况下， 需根据实际需要确定排气凸轮的包角及 升程。
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1.3.2 气门间隙
气门间隙是指气门完全关闭时，气门杆尾端与摇臂或挺柱之间的间隙。 （注：凸轮的凸起部分不顶挺柱）它的作用是补偿气门受热后的膨胀量。 不同机型，气门间隙的大小不同，根据实验确定，一般冷态时，排气门 间隙大于进气门间隙，进气门间隙约为0.25～0.3mm，排气门间隙约为0.3～ 0.35mm。 摇臂 气门间隙
1.2.3、按照曲轴和凸轮轴的传动方式，分为 （1）齿轮传动（2） 链条传动（3）齿形带传动
传动方式
传动路线 曲轴正时齿轮（钢）→凸轮轴 正时齿轮（铸铁或胶木） 曲轴→链条→凸轮轴正时齿轮 曲轴→齿形皮带→凸轮轴正时 齿轮
特点 工作可靠，啮合平稳 、噪声小 可靠性、耐久性略差 ，噪声大，造价高 成本低，但工作性能 好
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1.4 凸轮轴的设计简介 凸轮轴的作用是实时地驱动进、排气门的开启与关闭，并保证气门有合适的升程。 1.4.1 凸轮轴工作环境: 凸轮与从动件在高接触应力下循环工作， 因此要有足够的抗接触疲劳和抗擦伤 能力。发动机的最高爆发压力是一个必须要考虑的影响应力水平的参数；另外机油的 润滑和机油温度以及发动机所处的环境温度也是凸轮轴工作环境所要考虑的因素。 1.4.2 材料： 优质钢、合金铸铁、球墨铸铁
缓冲结束点 气门开启点 消除气门间隙阶段 气门升程最大时刻 气门关闭点 出现气门间隙阶段
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正向设计配气机构时总布置关注点
二、正向设计配气机构时总布置关注点
2.1 凸轮轴的包角及气门升程对整机性能的影响
由图的数据可知：在凸轮型线类型及排气凸轮包角及升程一定的情况下，进气包角由 190°—205°且气门升程随之增加时，扭矩及充气效率降低；由此推之，在凸轮轴型 线类型确定的情况下，存在最优进气凸轮轴包角及升程，可通过热力学计算求的。
（3） 凸轮轴上置 凸轮轴上置有两种结构，一是凸轮轴直接通过摇臂来驱 动气门，这样既无挺柱，又无推杆，往复运动质量大大 减小，此结构适于高速发动机。另一种是凸轮轴直接驱 动气门或带液力挺柱的气门，此种配气机构的往复运动 质量更小，特别适应于高速发动机。
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