发动机链传动式配气机构设计

摘要
配气机构作为内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。

随着内燃机高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。

配气凸轮型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。

模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段。

关键词：内燃机；配气机构；凸轮型线；
I
ABSTRACT
The valve train is one of the most important mechanisms in a internal combustion engine, whether the performances are good or bad, that affecting the power performance, economic performance, emissions performance of the engine, as well as affecting the reliability and wear performances of the whole engine. Along with the requests of the engine’s high power, super-speed, people demand a higher index. That is, when the engine runs under a high speed, it can still work steadily and dependably, which demand that the valve train system should have a high performance. Cam profile is the hard core of the valve train, which design is one of the important ways to carry out valve train optimal design. Simulation calculation and experimentation research are two important ways to carry out research and development on valve train of internal-combustion engine.
Key words:Internal combustion engine; Valve train; Cam profile;
II
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第1章绪论 (1)
1.1 概述 (2)
1.2 配气机构的研究历程 (3)
1.3配气机构优化设计的目的及意义 (3)
1.4配气机构采用的新技术 (4)
1.4.1顶置凸轮轴技术 (4)
1.4.2 多气门技术 (5)
1.4.3 可变气门正时配气机构 (6)
1.5本章小结 (6)
第2章配气机构的总体布置 (7)
2.1 气门的布置形式 (7)
2.2 凸轮轴的布置形式 (7)
2.3 凸轮轴的传动方式 (7)
2.4 每缸气门数及其排列方式 (7)
2.5 气门间隙 (8)
2.6 本章小结 (8)
第3章配气正时的工作原理 (9)
3.1配气正时的介绍 (9)
3.2工作原理 (9)
3.3本章小结 (10)
第4章配气机构的零件及组件 (11)
4.1 气门组 (11)
4.1.1 气门 (11)
4.1.2 气门座圈 (16)
4.1.3 气门导管 (16)
4.1.4 弹簧设计计算 (17)
4.2 气门传动组 (22)
4.2.1 凸轮轴 (22)
III
4.2.2 凸轮型线设计 (22)
4.2.3 缓冲段设计 (24)
4.2.4 凸轮轴进排气凸轮角度设计 (25)
4.2.5 基本段设计 (25)
4.2.6 曲轴正时链轮与凸轮轴正时链轮 (27)
4.2.7 挺柱 (27)
第5章正时链设计方法 (28)
5.1汽车链服役条件及失效形式 (28)
5.1.1汽车链的服役条件 (28)
5.1.2汽车链的失效形式 (28)
5.2汽车链的选择 (29)
5.3汽车链传动系统设计 (30)
5.4本章小结 (34)
结论 (34)
致谢 (35)
参考文献 (36)
附录三维建模过程及部分渲染图片 (38)
IV
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第1章绪论
1.1 概述
配气机构是发动机的重要组成部分。

它的功能是实现换气过程，即根据气缸的工作次序，定时地开启和关闭进、排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排除燃烧废气。

一台内燃机的经济性能是否优越，动力性是否足够大，工作是否可靠，噪音与振动能否控制在较低的限度，常常与其配气机构设计是否合理有密切关系。

配气机构设计的优劣不仅影响发动机的结构紧凑性和制造、使用的成本，而且还决定了高速运转时柴油机的工作可靠性、耐久性。

配气机构设计的好坏对柴油机的性能指标有着很重要的影响。

配气机构的功用是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭进、排气门，使新鲜充量得以及时进入气缸，而废气得以及时从气缸排出。

新鲜充量充满气缸的程度用充量系数 c来表示。

充量系数越高，表明进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量越多，发动机发出的功率越大。

压力越高，温度越低，则一定容积的气体质量越大，因此充量系数越高。

由于在实际工作中，压力，温度都有不利因素，所以充量系数总是小于1，一般在0.8—0.9。

就配气机构而言，主要是要求其结构有利于减小进气和排气的阻力，而且进、排气门的开启时刻和持续开启时间比较适当，使进气和排气都尽可能充分。

一般说来，设计合理的配气机构应具有良好的换气性能，进气充分，排气彻底，即具有较大的时间-断面值，泵气损失小，配气正时恰当。

与此同时，配气机构还应具有良好的动力性能，工作时运动平稳，振动和噪音较小，不发生强烈的冲击磨损等现象，这就要求配气机构的从动件具有良好的运动加速度变化规律，以及不太大的正、负加速度值。

例如，对气门通过能力的要求，实际上可理解为是对由凸轮外形所决定的气门位移规律的要求。

显然，气门开闭迅速就能增大时面值，但这将导致气门机构运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、振动加剧，机构动力特性变差。

因此，对气门通过能力的要求与对机构动力特性的要求之间存在一定矛盾，应视所设计发动机的特点，如发动机工作转速、性能要求、
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配气机构系统刚度大小等，在凸轮外形设计中兼顾解决。

配气机构的结构形式是多种多样的，四行程发动机广泛地采用气门式配气机构。

气门式配气机构可从不同角度分类。

按气门的布置形式不同，主要有气门顶置式和气门侧置式；顶置气门式的配气机构又可根据凸轮轴的布置位置及凸轮轴数目的不同分为凸轮轴下置式、凸轮轴中置式和凸轮轴上置式。

侧置气门式配气机构的进、排气门设置在气缸体的一侧。

气门不但是气体流动的通道，而且是燃烧室的组成部分，这种燃烧室只适应于早期低压缩比内燃机。

它不紧凑，单位燃烧室体积的表面积大，燃烧室散热面积大，热损失多。

此外，进、排气道由于气门侧置拐弯增多，进、排气阻力大，但结构简单，目前只用于廉价小功率汽油机。

为减少进、排气流通阻力，改进换气性能，将低压缩比燃烧室变为高压缩比燃烧室，以提高燃烧热效率和降低热损失;将气门从气缸体上移到气缸盖上，因而出现了顶置气门式的配气机构，大大的改善了内燃机的动力型和经济性而广泛采用在现代内燃机上。

1.2 配气机构的研究历程
作为发动机的重要组成部件，配气机构的研究内容从最初单纯的凸轮经验设计，发展到常将配气机构传动链当作完全刚性物体只进行运动学计算，再发展到了整个配气机构的运动学与动力学的综合研究。

国外自20世纪初就有许多学者开始进行这方面的深入研究；相比而言，国内则起步较迟，20 世纪70 年代起才开始全面研究凸轮设计与动力学分析，研究的重点放在凸轮型线设计、多质量动力学研究方面。

电子计算机的采用和测试技术的发展为配气机构动力学的研究开辟了新途径。

利用电子计算机进行多方案的选择, 并预测配气机构动力学的性能已经成为有效而节省的手段。

目前，国际上已有各种配气凸轮设计软件，国内也出现了一些类似的软件，这些软件在速度与计算精度上都有所提高。

1.3配气机构优化设计的目的及意义
目前，随着人们生活水平的提高，汽车、摩托车日益成为人们生活当中重要交通工具，对机械产品的需求量是越来越大，产品质量要求是越来越高。

同时，随着科学技术的发展，机械产品与设备也日益向高速、高效、
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精密、轻量化和自动化方向发展。

产品的结构也日趋复杂，对其工作性能的要求也越来越高，为使产品能够安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的静动态特性。

同时，设备在工作时产生的振动和噪声，会损害操作者的身心健康，污染环境。

因此必须对机械产品进行动态分析和动态设计，以满足机械结构静、动态特性与低振动、低噪声的要求。

这一切都要求工程师在设计阶段就能精确的预测出产品或工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场等技术参数进行分析计算。

为了在工程应用中节约成本、提高设计效率、缩短设计周期，很多厂家已经把前期的软件模拟作为检验设计成败的一个关键步骤。

发动机在车辆中是动力部件，其性能直接影响车辆在使用中的工作状况和可靠性。

发动机的发展向着大功率轻重量的方向发展，使得其刚度不断减少，从而加剧了发动机的振动和结构噪声，这类振动将直接影响发动机的寿命。

因此对发动机必须进行动态设计与分析，把动态特性作为设计的重要目标。

配气机构是发动机的重要组成部分，发动机配气机构，经常处在高温、高压下工作，因此气门机构是发动机最容易发生故障的零部件之一。

而配气机构性能的好坏, 直接影响到发动机的经济性、可靠性, 并对发动机噪声与振动产生直接影响。

1.4配气机构采用的新技术
配气机构的作用是根据内燃机工况的需要适时适度地开闭进排气门，对气缸进行换气。

目前广泛采用的是气门—凸轮式配气机构，它具有保证气缸密封性的优点。

气门—凸轮式配气机构按气门布置分侧置气门和顶置气门机构。

现代发动机配气机构采用的技术主要有以下三方面：顶置凸轮轴技术，多气门技术，可变配气定时及气门升程技术。

1.4.1顶置凸轮轴技术
顶置气门配气机构，内燃机的充气系数较高，燃烧室比较紧凑，内燃机有较好的性能指标，是侧置气门机构所不能达到的，故侧置气门机构已被淘汰。

顶置气门配气机构又由凸轮轴的放置位置分成凸轮轴下置型和顶置凸轮轴型。

绝大部分发动机采用凸轮轴下置型，但这种机构高速运转时产生
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较大的惯性力和振动及噪声，消耗较大的动力。

目前的趋向是把凸轮轴放在气门上方，省去了推杆、挺柱，称顶置凸轮轴型(OHC)；还有些机构将顶置凸轮轴放在气门室罩里，凸轮直接作用于气门上，这种机构省去了摇臂，高速时气门工作良好，零件惯性力极小，工作平稳。

顶置凸轮轴型(OHC)又可分成SHOC型和DHOC型。

前者只用一根凸轮轴来驱动进、排气门；而后者采用两根凸轮轴来分别驱动进、排气门。

这种结构适用于进、排气门呈V形排列的内燃机。

凸轮轴的传动类型有三种：正时齿轮传动、正时链轮传动和驱动带传动。

其中，正时齿轮传动主要用于要求长寿命和大载荷的内燃机，如船用、商用车和赛车内燃机；正时链轮传动，广泛应用于轿车内燃机，一般来说，它比正时齿轮传动机构噪音小；驱动带传动或齿形带传动是最新出现的传动方式，主要用于顶置凸轮轴内燃机上。

1.4.2 多气门技术
配气机构的最新发展是改善燃料经济性，其关键在于如何提供更多的新鲜空气，多气门内燃机很早就己经出现了，但仅用于赛车，目的是减轻排气门的热负荷和机械负荷，但并未能在内燃机制造业得到推广。

意大利布加奇公司首先创出具有四个排气门和一个进气门的内燃机。

促进多气门内燃机产量迅速提高的原因在于自动控制技术的快速发展和生产的工艺水平越来越高，可以充分发挥多气门配气方案的优越性，保证内燃机在整个负荷和速度范围内形成最佳混合气，并适时适度送入气缸。

多气门内燃机优点很明显，如用两个进气门取代一个进气门，流通截面加大30%左右，可大大改进充气系数。

因此，多气门内燃机可以提高功率。

四气门内燃机曲轴在中低转速范围内，扭矩一般比二气门内燃机大10%—15%，高转速范围内大10%—20%。

多气门内燃机不仅可以提高内燃机功率，还可以降低燃油消耗，减少排污。

据分析，四气门内燃机燃油消耗比二气门内燃机燃油消耗低%6—8%。

多气门内燃机的优越性是二气门内燃机无法比拟的。

因而，世界各国的内燃机制造业都将生产转向多气门内燃机的制造。

船用内燃机则多为四气门配气机构，如PA6，620等船用机。

由于新的设计技术和加工技术的应用，不仅研制新内燃机时间短、投产快，而且生产周期也短。

90年代日本多气门内燃机有了很大的发展，几乎所有
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的新内燃机系列都是多气门内燃机。

美国几大公司于1990—.1991年已开始并正在大量生产多气门内燃机。

多气门配气方式是配气机构发展的大势所趋。

1.4.3 可变气门正时配气机构
常规内燃机配气相位都是按内燃机性能要求，通过试验确定某一转速和负荷条件下较为适合的配气相位，自然只达到一种转速最为有利。

然而为了在更大的曲轴转速范围内提高功率指标，降低燃料消耗，现代多气门内燃机气门开启相位可以改变、升程也可以改变，称作可变气门运动配气机构(VV A)。

通过这套机构对配气过程的调节和控制，低、中转速时，活塞运动速度低，气流动力学特性差，因而要求“缩小”相位重叠角，以减少工作混合气倒流，保证低、中转速时扭矩曲线形状较好，可显著地降低燃油消耗率。

在中高转速时，活塞运动速度快，气流动力学特性好，因而要求“放大”相位重叠角，废气排放彻底，进气量充分可相应增加内燃机扭矩。

显然，采用这一机构，可以提高内燃机性能、降低污染、改善怠速性能。

目前，可变气门正时配气系统，大致可分成两种形式，一种称为可变凸轮相位的配气机构(WT)，另一种称为可变配气正时及气门升程的配气机构(WT&WL)。

当今内燃机配气机构的发展趋向是，在排量不变的前提下，提高内燃机性能指标。

不论是多气门配气机构还是在此基础上演化而来的可变气门运动配气机构，其基本出发点都是，在更大范围内使内燃机动力指标、经济指标和生态指标等达到最优，这是传统配气机构无法完成的。

1.5本章小结
对发动机配气机构整体发展现状进行了综合分析，同时合理的研究了论文的目的及意义，肯定了本次设计的合理性和必要性。

同时为以后的设计及论文的研究打下了基础。

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第2章配气机构的总体布置
2.1 气门的布置形式
气门顶置式配气机构应用广泛，其进气门和排气门都倒挂在气缸顶上。

发动机工作时，曲轴通过定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使摇臂绕摇臂轴摆动，压缩气门弹簧，使气门离座，当凸轮凸起部分离开挺柱后，气门便在气门弹簧的作用下落座，即气门关闭。

四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转两周，各缸的进、排气门各开启一次，此时凸轮轴只旋转一周。

曲轴与凸轮轴转速比为2：1。

在此，选用气门顶置式配气机构。

2.2 凸轮轴的布置形式
凸轮轴位于曲轴箱内的配气机构称为凸轮轴下置式配气机构。

凸轮轴下置式配气机构的主要优点是凸轮轴离曲轴近，可以简单地用一对齿轮传动，缺点是零件多，传动链长，整机机构的刚度差。

在发动机高速时，可能破坏气门的运动规律和气门的定时启闭。

在此，选用凸轮轴下置式配气机构。

2.3 凸轮轴的传动方式
凸轮轴下置、中置的配气机构大多采用圆柱形定时齿轮传动。

一般曲轴与凸轮轴之间的传动只需一对定时齿轮，必要时加装中间齿轮。

为了啮合平稳，减小噪声，定时齿轮多采用斜齿轮。

在中小功率发动机上，曲轴定时齿轮用钢来制造，而凸轮定时齿轮则用铸铁或夹布胶木制造，以减小噪声。

在此，选用齿轮传动。

2.4 每缸气门数及其排列方式
一般发动机都采用每缸量气门，即一进一排的结构。

为了进一步改善气缸的换气，在可能的情况下，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机构就不能保证良好的换气质量。

因此，可采用4气门，甚至5气门的机构，采用这种结构后，进气门总的通过面积较大，充量系数较高，排气门
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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。

此外，采用四气门后，还可适当减小气门升程，改善配气机构的动力性，多气门的汽油机还有利于改善HC与CO的排放性能。

当每缸用两个气门时，为使结构简化，大多数采用气门沿机体纵向轴线排成一列的方式。

这样，相邻两缸的同名气门就有可能合用一个气道，这样有助于气缸盖冷却均匀。

柴油机的进、排气道一般分置于机体的两侧，以免排气对进气加热。

在此，采用两气门沿凸轮轴轴线成一列的方式。

2.5 气门间隙
发动机工作时，气门将因温度的升高而膨胀。

如果气门及其传动件之间在冷态时无间隙或间隙过小，则在热态下，气门及其传动件的受热膨胀势必引起气门关闭不严，从而使功率下降，严重时不易启动。

气门间隙的大小一般由发动机制造厂根据试验确定。

在冷态时，进气门的间隙一般为0.23—0.3mm，排气门的间隙为0.3—0.35mm。

如果间隙过小，发动机在热态下可能发生漏气，导致功率下降甚至气门烧坏。

如果气门间隙过大，则使传动零件之间以及气门和气门座之间产生撞击声，而且加速磨损，同时也会使得气门开启的持续时间减少，气缸的充气及排气情况变坏。

在此，进气门间隙选0.25mm。

排气门间隙选0.3mm。

2.6 本章小结
本章通过对配气机构的一般基础知识的介绍，对配气机构有了初步的认识，了解其分类，功能，设计要求。

熟悉本章内容，对后文的分析和设计起基础作用。

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第3章配气正时的工作原理
3.1配气正时的介绍
配气正时就是按活塞的工作行程去配置进排气门的开启时间。

进气冲程：活塞从上止点往下止点运动，进气门开、排气关；压缩冲程：活塞从下止点往上止点运动，进排气门关闭；做功冲程，活塞从上止点往下止点运动，进排气门关闭；排气冲程，活塞从下止点往上止点运动，进气门关，排气门开。

3.2工作原理
配气正时就是进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转矩的环形图来表示。

如图3-1：
图3-1 曲轴转矩环形图
在排气行程接近终了，活塞到达上止点之前，即曲轴转到曲拐离上止点的位置还差一个角度α时，进气门便开始开启，直到活塞过了下止点重又上行，即曲轴转到曲拐超过下止点位置以后一个角度β时，进气门才关闭。

这样，整个进气行程持续时间相当于曲轴转角180°+α+β。

α一般
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为10°—30°，β角一般为40°—80°。

同样，做功行程接近终了，活塞到达下止点前，排气门便开始开启，提前开启的角度γ一般为40°—80°。

经过整个排气行程，在活塞越过上止点后，排气门才关闭，排气门关闭的延迟角δ一般为10°—30°。

整个排气过程的持续时间相当于曲轴转角180°+γ+δ。

3.3本章小结
通过对配气正时以及其工作原理的介绍，对配气正时有了进一步的了解，熟悉本章内容后，对后文的分析和设计起基础作用。

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第4章配气机构的零件及组件
4.1 气门组
a)气门组包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧等零件。

气门组应保证气门与气门座严密贴合，在高温、冷却和润滑条件都较差的情况下工作时，能有足够的强度并耐磨、耐腐蚀。

为此，对气门组提出以下设计要求：
b)气门与气门座应密封；
c)气门能沿气门轴心线在导管中作往复直线运动；
d)气门弹簧的两端面应与气门杆的中心线垂直，以保证气门头在气门座上不偏斜；
e)气门弹簧应有足够的弹力和刚度，以保证气门能迅速关闭并严密压紧在气门座上；
f)弹簧座的固定应可靠。

4.1.1 气门
气门由头部和杆部两部分组成。

头部的工作温度很高，因此，要求气门必须具有足够的强度、刚度、耐热和耐磨能力。

进气门的材料采用40cr，排气门则采用4cr9si2。

气门头顶部的形状选用平顶，平顶气门头结构简单，制造方便，吸热面积小，质量也小，进、排气门都可以采用。

气门密封锥面的锥角，一般做成45°。

气门头的边缘应保持一定的厚度，一般为1~3mm，以防止工作中由于气门座之间的冲击而损坏或被高温气体烧蚀。

为了减少进气阻力，提高气缸的充量系数，多数发动机进气门的头部直径比排气门的大。

在此，气门头的边缘厚度选1mm。

任一气门开度时的气门开启断面积f可以认为就是气门处气体通道的最小断面积。

在常用的气门升程不大的情况下，通常认为这个f就是以气门头部最小直径（一般等于气门喉口直径dh）为小底，直径d/t为大底，h/为斜高的截锥体的测表面积。

气门的作用是专门负责向发动机内输入燃料并排出废气，传统发动机每个汽缸只有一个进气门和一个排气门，这种设计结构相对简单，成本较
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低，维修方便，低速性能较好，缺点是功率很难提高，尤其是高转速时充气效率低、性能较弱。

为了提高进排气效率，现在多采用多气门技术，常见的是每个汽缸布置有4个气门（也有单缸3或5个气门的设计，原理一样，如奥迪A6的发动机），4汽缸一共就是16个气门，我们在汽车资料上经常看到的“16V”就表示发动机共16个气门。

这种多气门结构容易形成紧凑型燃烧室，喷油器布置在中央，这样可以令油气混合气燃烧更迅速、更均匀，各气门的重量和开度适当地减小，使气门开启或闭合的速度更快。

图4-1 气门截面简图
上图示气门口的基本尺寸及其通道断面积：
（4-1）
（4-2）
（4-3）
（4-4） 2/)(''t d dh h f +=πγcos 'h h =Θγγγcos sin 2sin 2''h dh h dh t d +=+=)2sin 2
(cos )2cos sin cos (γγπγγγπh dh h h dh h f +=+=∴
13 式中γ为气门密封锥面的锥角，取γ=45°。

由上式可知，在气门尺寸一定时，气门口通道断面积与气门升程有直接关系。

由于它们都是时间的函数，因此，气门开启“时间值”可以用积分式t t
t fd ⎰1
2（毫米/•秒）表示。

可用丰满系数来评价气门机构的时间断面，丰满系数定义为气门通路的平均断面面积与最大通过断面积之比。

f t t f f t t dt t f m
max
12max )()(21-==⎰φ 时间值与丰满系数用来表示气门的通过能力。

在同一气流速度下，此参数越大，进气量就越大。

通常有：
进气门喉口直径dhi=（0.40——0.45）D=35——39.37mm,取为35 mm
排气门喉口直径dhe= (0.35——0.40)D=30.63——35 mm,取为32mm 进气门头部直径dvi=(0.42——0.50)D=36.75——43.75mm,取为38mm 排气门头部直径dve=(0.37——0.42)D=32.38——36.75mm,取为34mm 进气门直径di=(0.32——0.50)D=28——43.75 mm,取为40mm
排气门直径de=(0.80——0.85)di=28.8——57.8 mm,取为36mm
图4-2 气门相对升程与流量的关系
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图4-3 马赫指数与容积效率
气门相对升程与进气流量间的关系如图3。

因此，一般取进气门升程hi=（0.26——0.28）46=9.36——10.08mm ，取hi=9.5mm ；排气门升程为he=(0.28——0.32)de=8.4——9.6mm,取he=9.5mm 。

气门口的时面值在气口和气门尺寸决定后，主要决定于气门升程曲线的形状，同时也与发动机的配气相位有关。

提高气门的开启速度、加宽配气定时都能够提高气门通过能力。

但是，在气道中的气体流动过程中决定气体通过气门的阻力的大小有一系列的因素。

进气门头部向杆过渡部分的形状、气门座内孔的形状、气道内气门导管处的形状以及气体的流速等都影响气体流动阻力，从而影响气门的实际通过能力。

气门出气体的通过能力可以用进气马赫数与流量系数的比值，即马赫数Z 来评价。

试验表明，当Z>0.6时，充气效率就大大下降，如图4所示。

设计中校核发动机最大转速时的马赫指数，保证Z<0.5-0.6。

ma m i u u d D z 2
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= （4-5） gkRT a = （4-6）
式中D ——气缸直径，D=95mm ；
a ——进气门口处的声速m/s ；。