汽车发动机技术基础-配气机构

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。
采用液压挺柱的配气机构不需要留气门间隙。
轿车发动机由于转速较快，每分钟转速可达5000转以上，为保 证进排气效率，采用顶置式气门装置，
但是，如果采用下置式或者中置式的凸轮轴，由于气门与凸轮 轴的距离较远需要气门挺杆和挺柱等辅助零件，造成气门传动机件 较多，结构复杂，发动机体积大，而且在高速运转下还容易产生噪 声，而采用顶置式凸轮轴则可以改变这种现象。
久性不如齿轮传动。
形带近传年动齿来，高噪带速声传汽小车、动发工动 作机可上靠广、泛成采本用低齿形皮带来代替传动链，齿
一当般气发缸动直机径都较采大用，每 活缸塞两平个均气速门度，较即高一时个，进每气缸门一和进一一个排排的气气门门
的特结多结别构采构是就用。进不每4为气能缸、了门保四改的证个5气善直良气换径好门门气。的结式， 但 换 构在是气。可由质即能于量两的燃。个条烧因进件室此气下尺，门，寸在和应的很两尽限多个量制新排加，型气大气汽门气门车。门直发的径动直最机径大上，
凸轮轴下置，中置的配气机构大多采用圆柱形正时齿轮传动，
一般从曲齿轴到轮凸传轮轴动只需一对正时齿轮传动，若齿轮直径过大，可
增加一个中间齿轮。为了啮合平稳，减小噪声，正时齿轮多用斜齿。 小齿轮钢制，大齿轮用铸铁或胶木，装配时有正时记号对齐
凸轮轴
曲轴
链轮链传动轮适传用于动凸轮轴上置的配气机构，但其工作可靠性和耐
气门间隙
摇臂
气门杆
气门
间隙
进气门 0.25~0.30mm
排气门 0.30~0.35mm
作用：给热膨胀留有 余地 保证气门密封
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。
因为现代SOHC引擎已经成为主流，气门也 从8V进展到16V（6缸为24V），如此众多的气门 单靠一支凸轮轴控制，此凸轮轴负荷太大，故使 用两轴，可以降低负荷并且减少磨擦受力。
二、配气相位
配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时 间，通常用环形图表示-配气相位图
理论上的配气相位
摇臂轴
推杆 挺柱
1、凸轮轴
n
作用：
驱动和控制各缸气门的开启和关闭，使其符合发动机的 工作顺序、配气相位和气门开度的变化规律等要求。
n
工作条件：
承受气门间歇性开启的冲击载荷。
n
材料：
优质钢、合金铸铁、球墨铸铁
凸轮
驱动分电器的螺旋齿轮
凸轮轴轴颈
凸轮
n 工作条件：
承受气门弹簧的张力，间歇性的冲 击载荷。
b. 进气门附近有降压作用，有利于进气。
10°~30 ° 40°~80 ° 40°~80 ° 10°~30 °
气门重叠角α+δ=20°～60°
三、配气机构的组件
(一)、气门组
气门组实物图
1、气门
n 功用：控制进、排气管的开闭 n 工作条件： A、进气门570K~670K，排气门1050K~1200K。 B、头部承受气体压力、气门弹簧力等， C、冷却和润滑条件差， D、被气缸中燃烧生成物中的物质所腐蚀。 n 性能：
四行程发动机都采用气门式配气机构。
2．充气效率
新鲜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hv 表示。hv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。
hv总小于1（0.8~0.9） 进气终了压力↓ ，温度↓， hv ↑
过盈配合
3、气门座
气门座与气门头部密封锥面配合密封气缸，气门头部的热量亦 经过气门座外传。气门座可以在缸盖或缸体上直接镗出，也可以采 用镶嵌式结构。镶嵌式结构气门座都采用较好的材料（合金铸铁、 奥氏体钢等）单独制作。
铝合金气缸盖为何气门 座都要镶嵌气门座圈
气门座
4、气门弹簧
n 功用：保证气门的回位。 n 材料：高锰碳钢、铬钒钢
n 凸轮性能：
表面有良好的耐磨性，足够的刚度。
凸轮与挺柱线接 触，接触压力大，
磨损快。
凸轮的轮廓
n 凸轮轮廓与气门的运动规律
缓冲结束点
气门升程最大时刻
气门开启点
气门关闭点
消除气门 间隙阶段
出现气门 间隙阶段
凸轮的位移曲线
扬程
同名凸轮的相对角位置
同一气缸的进、排气凸轮的相对角位置是与相应的配 气相位相对应的。
气门位于气缸体侧面称为气门侧置式配气机构，因为它的进、
排气门在气同侧门，侧压缩置比式受到限制，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。
气门位于气缸盖上称为气门顶置式配气机构，其特点，进气阻
力小，燃气烧室门结顶构紧置凑式，气流搅动大，有好的抗爆性和高速性，因
而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。
OHC over head camshaft SOHC single ~ DOHC double~
OHC是凸轮轴直接装置在气缸头上，经由皮带 或练条带动、驱动气门，它是现代引擎的主流，省 略了很多繁杂机件，工作效率大幅提高。
DOHC则是SOHC引擎的最佳演化，使用两根凸 轮轴分别控制进排气。
为什么两根凸轮轴？
锥面的作用？
气门头部的结构形式
平顶式
结构简单，制造方便，吸热面积小，质量也较小，进、 排气门都可采用。
适用于排气门，因为其强度高，排气阻力小，废气的清
凸顶式
除效果好，但球形的受势面积大，质量和惯性力大加工
（球面顶） 较复杂。
凹顶式
凹顶头部与杆部的过渡部分具有一定的流线形，可以减 少进气阻力，但其顶部受热面积大，故适用于进气门，
锥形套筒
为了使气门头部温度 均匀，防止局部过热引起 的变形和清除气门座积炭， 可设法使气门在工作中相 对气门座缓慢旋转。气门 缓慢旋转时在密封锥面上 产生轻微的摩擦力，有阻 止沉积物形成的自洁作用。
锁片
(二)、气门驱动组
功用：定时驱动气门开闭，并保证气门有足够的开度和适当的气门 间隙。
摇臂
凸轮轴
凸轮轴正 时齿轮
点火顺序： 1—2—4—3
四缸发动机凸轮投影
凸轮轴的轴向定位：
n 作用：
为了防止凸轮轴在工作中产生轴向窜动和承受斜齿轮产生 的轴向力。
气缸体
凸轮轴颈
窜动量
止推板
隔圈（调节环） 正时齿轮
凸轮轴的 轴向间隙
利用调节环控制轴向窜动
凸轮轴的驱动
n A、齿轮传动：应用在下置凸 轮轴发动机。采用斜齿齿轮。
强度和刚度大、耐热、耐腐蚀、耐磨
进气门570K~670K（铬钢 或铬镍钢） 排气门 1050K~1200K（硅铬钢）
A、气门头部
一个具有圆锥斜面的圆盘，气门锥角一般为450，也有300，气门头 边缘应保持一定厚度，一般为1-3 mm，以防工作中冲击损坏和被高 温烧蚀。气门密封锥面与气门座配对研磨。
尽管如此，人们衡量利弊还是喜欢采用顶置式凸轮轴。轿车发 动机按照顶置凸轮轴的数目，分为单顶置凸轮轴(SOHC)和双顶置 凸轮轴(DOHC)，由于中高档轿车发动机一般是多气门及V型气缸排 列，需采用双凸轮轴分别控制进排气门，因此双顶置凸轮轴被不少 名牌发动机所采用。
现在，顶置式凸轮轴有多种驱动气门的形式，有用摇臂过渡驱 动式，也有直接驱动式，其中直接驱动式对凸轮轴和气门弹簧的设 计要求相对较低，往复运动的惯量最少，特别适用于高速运转的轿 车发动机上。
主要凸缺点轮：轴气门下和置凸轮式轴相距较远，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。
凸摇轮臂轴，中省凸置去,推凸轮杆轮轴，轴位中于置气缸式体的中部,由凸轮轴经过挺柱直接驱动
1、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，往凸复运轮动轴质量上大置大减式小。
2、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，
一般不能超过气缸直径的一半。
配气机构
作者：刘步丰 配音：李荣华 2004年春
1．功用：
一、概述
配气机构是进、排气管道的控制机构，它按照气缸的工作顺序
和工作过程的要求，准时地开闭进、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。
排气门晚关：从示功图上还可以看出，活塞到达上止点时，气缸 内废气压力仍然高于外界大气压，加之排气气流的惯性，排气门晚 关可使废气排得更净一些。
气门重叠
把两个气门同时开启时间相当的曲轴转角叫作气门重叠角。
在这段时间内，可燃混合气和废气是 否会乱串呢？
a. 进、排气流各自有自己的流动方向和流动惯性，而重叠时间又 很短，不至于混乱，即吸入的可燃混合气不会随同废气排出， 废气也不会经进气门倒流入进气管，而只能从排气门排出；
在气门关闭时，保证气门与气门 座之间的密封，
在气门开启时，保证气门不因运 动时产生的惯性力而脱离凸轮。
锁片
气门弹簧座 气门弹簧
随着有效圈数的减 少，自然频率提高。
圆柱等螺距弹簧
圆柱形螺旋弹簧
不等距弹簧
双弹簧布置
旋向相反的 两个弹簧
应用车型： 奥迪100，捷达，桑塔纳, 广州标致505
5气门旋转机构
（喇叭顶） 而不宜用于排气门。
气门实物图
进气门
二者大小如何， 为什么？
排气门
B、气门杆
凹槽
较高的加工精度，表面 经过热处理和磨光，保 证同气门导管的配合精 度和耐磨性
气门杆尾部：环形 槽、锁销孔
易断裂处
2、气门导管
功用：①起导向作用，保证气门作直线往复运动。 ②起导热作用，将气门头部传给杆身的热量，通过气缸盖传
理论上讲进、压、功、排各占180°，也就是说进、排气门都 是在上、下止点开闭，延续时间都是曲轴转角180°。
但实际表明，简单配气相位对实际工作是很不适应的，它不能 满足发动机对进、排气门的要求
理论配气的不足
1、气门的开、闭有个过程 开启 总是 由小→大 关闭 总是 由大→小
2、气体惯性的影响同样造成进气不足、排气不净
3、发动机速度的要求 实际发动机曲轴转速很高，活塞每一行程历时都很短，当转速为 5600r/min时一个行程只有60/（5600×2）=0.0054s，就是转速为 1500r/min，一个行程也只有0.02s，这样短的进气或排气过程，使 发动机进气不足，排气不净。
实际的配气相位
为了使进气充足，排气干净，除了从结构上进行改进外（如增 大进、排气管道），还可以从配气相位上想点办法，
出去。
为了保证导向，导管应有一定的长度，气门导管的工作温度也 较高，约500k。气门导管和气门的润滑是靠配气机构飞溅出来的机 油进行润滑的，因此易磨损。为了改善润滑性能，气门导管常用灰 铸铁或球墨铸铁或铁基粉未治金制造
气门导管
气缸盖
卡环：防止气门 导管在使用中脱 落。
伸入深度应适量。锥 度可减少气流阻力。
即气门能否早开晚闭，延长进、排气时间呢
气门早开、晚闭
进气门早开：可使进气一开始就有一个较大的通道面积，可增加 进气量。
进气门晚关：活塞到达进气下止点时，由于进气吸力的存在，气 缸内气体压力仍然低于大气压，在大气压的作用下仍能进气；另外， 此时进气流还有较大的惯性，可以增加进气量。
排气门早开：在作功行程快要结束时，排气门打开，可以利用作 功的余压使废气高速冲出气缸，排气量约占50%。排气门早ห้องสมุดไป่ตู้，势 必造成功率损失，但因气压低，损失并不大，而早开可以减少排气 所消耗的功，又有利于废气的排出，所以总功率仍是提高的。
所以，现代轿车发动机一般都采用了顶置式凸轮轴，将凸轮轴 配置在发动机的上方，缩短了凸轮轴与气门之间的距离，省略了气 门的挺杆和挺柱，将发动机的结构变得更加紧凑。更重要的是，这 种安装方式可以减少整个系统往复运动的质量，提高了传动效率
任何事物都有其两面性，顶置凸轮轴一方面缩短了与气门的距 离，另一方面却拉大了凸轮轴与曲轴之间的距离。由于凸轮轴是由 曲轴带动的，因此两者之间一拉开距离就必须要用链条及链轮做转 动，结构比下置式凸轮轴的齿轮啮合传动复杂得多。
3．配气机构的布置型式
按气门安装位置分 按凸轮轴布置分 按曲轴、凸轮轴传动分 按每缸气门数分
气门顶置式 气门侧置式
凸轮轴下置式 凸轮轴中置式 凸轮轴上置式
齿轮传动 链轮传动 齿带传动
2气门式 4、5气门式
气门间隙
气门间隙：为保证气门关闭严密，通常发动机在 冷态装配时，在气门杆尾端与气门驱动零件（摇臂、 挺柱或凸轮）之间留有适当的间隙。