项目三 配气机构

项目三配气机构
教学目标：
【知识目标】
●本项目同学们将学习配气机构，希望同学们对配气机构的组成，功用，零部件总成。

●希望同学们能够描述气门组的组成及结构、气门传动组的功用、类型、组成。

●了解配气相位与可变气门正时技术
【重点内容】
1．配气机构的组成，功用，零部件总成。

2．气门组的组成及结构、气门传动组的功用、类型、组成。

【任务导入】
配气机构按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和各缸的点火次序的要求.定时开启和关闭各气缸的进、排气门.使可姗混合气及时进人气缸，废气及时从气缸排出。

新鲜空气或可染混合气被吸入气缸越多，则发动机可能发出的功率越大，新鲜混合气或空气充满气缸的程度，用充气效率来表示。

充气效率越高，表明进入气缸内的新鲜空气或可染混合气质量越多，燃烧混合气可能发出的热量越大，发动机的功率越大。

任务一概述
基础知识：
一、配气机构的功用：
图3-1 发动机配气机构
功用：
发动机配气机构的作用是根据发动机工作次序和各缸工作循环的要求，定时开启和关闭进、排气门, 在进气行程使可燃混合气( 汽油机)或空气( 柴油机) 进入气缸, 在排气行程将燃烧后的废气排出气缸。

二、配气机构的组成：
发动机的配气机构由气门组和气门传动组组成。

气门组的功用是封闭进、排气道。

气门传动组的作用是使进、排气门按规定的时刻开闭，且保证有足够的开度，满足发动机的工况要求。

气门组
图3-2 气门组结构
1-气门锁片2-汽门弹簧座3-气门弹簧4-气门油封5-气门弹簧垫6-气门导管
7-气门8-气门座9-汽缸盖
二、配气机构的工作过程：
图3-3配气机构工作原理图
a ) 气门开启 b) 气门关闭
1—凸轮轴2—挺柱 3 —推杆4—摇臂轴支座 5—摇臂 6—气门
发动机工作时曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴旋转, 当凸轮的凸起部分顶起挺柱时, 挺柱推动推杆一起上行, 作用于摇臂上的推动力驱使摇臂绕轴转动, 摇臂的另一端压缩气门弹簧使气门下行,打开气门,如图3 - 3a 所示。

随着凸轮轴的继续转动, 当凸轮的凸起部分离开挺柱时, 气门便在气门弹簧弹力的作用下上行,关闭气门, 如图3 - 3b 所示。

任务二气门组
气门组的构造
气门组包括气门、气门导管、气门座、气门弹簧、气门弹簧座、气门油封、气门锁片及气门座圈等。

1）气门：
分为进气门和排气门。

其功用是密封进、排气道。

使可燃混合气或新鲜空气进入汽缸，排出燃烧以后的废气。

气门是配气机构的核心零件。

配气机构大部分零件及发动机上的许多配件，都是以它为中心进行工作的。

气门由气门头部与气门杆两部分构成。

（a） (b) (c) 图3-3 气门结构图图3-4 气门顶部的形状
1-气门密封锥面 2-气门杆 3-气门端面 a-平顶式 b-凹顶式 c-凸顶式
4-气门头部
工作条件：气门头部的工作温度很高,进气门的温度可达550℃,排气门可达800℃以上。

还承受气体压力、气门弹簧及气门传动组零件惯性力的作用, 密封面承受很大的落座冲击力，冷却和气门杆润滑条件均较差, 头部与具有腐蚀介质的燃气接触。

所以导致气门使用的时间相对要短一些；故障相对多一些，因此气门必须具有良好的高温力学性能和耐磨性。

气门杆尾部加工有环形槽,用以安装气门弹簧锁片,装配时,锁片凸起镶嵌在杆部凹槽中,可靠地锁紧气门弹簧座。

2）气门座与气门锥角：
进、排气道口与气门密封锥面直接贴合的部位称为气门座。

其功用是与气门头部一起对燃烧室起密封作用,同时接受气门头部传来的热量,起到对气门散热的作用。

图3-5 气门干涉角图3-6 气门座锥角
1-气门 2-气门座
气门座的锥角由三部分组成,其中45°(30°)的锥面与气门密封锥面贴合。

要求密封锥面的贴合宽度b1 为1～ 2.5 mm,以保证一定的座合压力,使密封可靠,同时又有一定的导热面积。

有些发动机的气门锥角比气门座锥角小0.5°～ 1°,该角称为密封干涉角，密封干涉角有利于磨合期加速磨合。

磨合期结束,干涉角逐渐消失,恢复了全锥面接触。

在安装气门前，还应采用与气门配对研磨的方法，以保证贴合得更紧密、可靠。

3）气门导管：
图3-7 气门导管示意图
1-气门座2-汽缸盖3-气门导管4-气门弹簧
气门导管的功用是对气门的运动导向，保证气门作直线往复运动，使气门与气门座或气门座圈能正确贴合。

此外，还将气门杆接受的热量部分地传给气缸盖。

气门导管的工作温度较高，而且润滑条件较差，靠配气机构工作时飞溅起来的机油来润滑气门杆和气门导管孔。

在以一定的过盈将气门导管压入气缸盖上的气门导管座孔之后，再精铰气门导管孔，以保证气门导管与气门杆的正确配合间隙。

4）气门弹簧：
（a）（b）（c）（d）
图3-8 气门弹簧
a-等距弹簧 b-双气门弹簧 c-变螺距弹簧 d-锥形弹簧
气门弹簧的功用是保证气门关闭时能紧密地与气门座或气门座圈贴合，并克服在气门开启时配气机构产生的惯性力，使传动件始终受凸轮控制而不相互脱离。

气门弹簧分为等距弹簧、变螺距气门弹簧、双气门弹簧、锥形弹簧等。

随着发动机转速的提高,弹簧产生共振而折断的可能性增加。

为了防止弹簧共振可采用变螺距的圆柱弹簧。

目前,很多发动机采用同心安装的内、外两根旋向相反的弹簧,不但防止共振,而且当一根弹簧折断时,另一根还能继续维持工作,不致使气门落入气缸中。

不等距的气门弹簧在安装时,螺距小的一端应朝向气门头部。

5）气门油封
图3-9 气门油封
现代的汽车发动机几乎全是顶置气门。

在对气门杆和气门导管润滑的同时，一部分机油也随之进入气缸内（进气门）或排气管（排气门）燃烧掉。

造成机油消耗过多；排放严重的后果。

在导管上部安装气门油封那是必不可小的。

气门油封要做到既要保证气门杆的润滑，又要保证机油在此消耗的少。

6）气门的固定
（a）（b）
图3-10 气门的固定
a-锁片式b-锁销式
气门杆的尾部用以固定气门弹簧座，其结构随弹簧座的固定方式不同而异,采用锥形锁片式或锁销式固定。

7）气门旋转机构
当气门工作时，如能产生缓慢的旋转运动，可使气门头部周向温度分布比较均匀，从而减小气门头部的热变形。

同时气门旋转时，在密封锥面上产生轻微的摩擦力，能够清除锥面上的沉积物。

工作页：学习任务一：配气机构的认知及气门组构造
基础问题
1）配气机构的功用
2)指出图中各零件的名称：
3）标出下图中三个角的度数
图4-11 气门座角度
拓展知识与信息收集：
1）桑塔纳2000GSI型AJR发动机的气门数是进气门：（）排气门：（）。

2）丰田卡罗拉1ZR-FE发动机的气门数是进气门：（）排气门：（）。

3）进气门与排气门的异同点：
4）气门油封的种类：
任务二气门传动组
基础知识：
气门传动组的结构
气门传动组的功用就是按工作要求，依靠曲轴的动力，开启及关闭气门。

在整个发动机的发展过程中，它的结构形式及种类是比较多的。

配气机构的分类：
（一）按凸轮轴布置形式的不同：
1.凸轮轴下置式，
2.凸轮轴中置式，
3.凸轮轴上置式，
（a）（b） (c)
图3-
现代小型汽车基本采用凸轮轴上置式（顶置式），凸轮轴下置式、中置式已淘汰。

图3-31凸轮轴中置式布置形式图3-32凸轮轴上置式布置形式
1-挺柱2-推杆3-摇臂轴4-凸轮轴1-凸轮轴2-摇臂轴3-曲轴
5-曲轴6-正时链7链条张紧轮4-张紧器5-正时带
凸轮轴上置式配气机构（OHC）
去掉了推杆，把凸轮轴从缸体移到了缸盖的顶部。

发动机发生了一次小革命，OHC（Over head camshfit）发动机面世了。

发动机的性能得到了进一步的提高。

凸轮轴的驱动一般用链条或皮带传动。

它又分为单顶置式和双顶置式两种。

1）、单凸轮轴上置式配气机构（SOHC）
凸轮轴装在缸盖顶部后，它的布置空间加大了。

它可以通过多种形式的摇臂开启气门。

也可以直接驱动气门（AJR发动机）为了改善进气及排气性能，把所有的进气门放在一侧，进气门放在一侧。

使气门与气缸的轴线有一定的倾斜。

为了进一步的提高进气及排气性能。

又研究出多气门技术。

这样单一的一根凸轮轴，就不可能完成了。

2）、双凸轮轴上置式配气机构（DOHC）
就是在一列气缸盖的顶部，装有两根凸轮轴；一根控制进气门，一根控制排气门。

当今许多先进型号的发动机多用这种结构形式。

如丰田1ZZ、1ZR发动机。

（a）（b）
图3-33 凸轮轴上置式配气机构类型
A-单凸轮轴上置式配气机构（SOHC）B-双凸轮轴上置式配气机构（DOHC）
（二）按曲轴驱动凸轮轴的方式分类
（1）齿轮传动
（2）链传动
（3）同步带传动
对于凸轮轴上置式的配气机构,现在广泛采用同步带与同步链传动。

图3-34带传动结构图图3-35链传动结构图1-凸轮轴正时同步带轮 2-张紧轮 3-张紧轮支架 1-凸轮轴正时链轮 2-张紧器4-曲轴正时同步带轮 5-张紧器 6-张紧轮 7-同步带 3-链条 4-曲轴正时链轮（二）按驱动气门的方式分类
（1）凸轮轴-摇臂式
（2）凸轮轴-挺柱式
（a）（b）
图3-36 气门驱动方式
a- 凸轮轴-摇臂式b-凸轮轴-挺柱式
由于气门排列和气门驱动形式的不同，上置式凸轮轴有分为凸轮轴-摇臂式，凸轮轴-挺柱式。

丰田卡罗拉轿车采用的是顶置双凸轮轴-挺柱式的配气机构。

凸轮轴
图3-39 凸轮轴示意图
1-凸轮2-凸轮轴轴颈
凸轮轴是凸轮轴是发动机上的一个非常主要的零部件，由发动机曲轴驱动的，用来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、配气相位及气门开度的变化规律等要求，从而提高燃料的利用率，降低尾气的排放。

此外，有些汽油机还利用凸轮轴来驱动分电器、机油泵和机械式汽油泵。

（1）凸轮轴工作条件及材料
凸轮轴承受气门开闭周期性的冲击载荷。

凸轮与挺柱、摇臂之间的接触应力很大，相对滑动速度也很高，因此要求凸轮轴有较强的抗冲击性，凸轮与轴颈支撑表面有较好的耐磨性。

（2）凸轮轴构造
凸轮轴是通过凸轮轴轴颈支承在凸轮轴轴承孔内的。

进、排气门开启和关闭的时刻、持续时间以及开闭的速度等分别由凸轮轴上的进、排气凸轮控制。

气门的开闭时刻及其升程变化规律, 主要取决于控制气门的凸轮外部轮廓曲线。

图3-40 凸轮轮廓形状
A：气门开启
B：气门关闭
C：气门完全开启
AC：气门逐渐开启
CB：气门逐渐关闭
BA：气门处于关闭状态
（3）进排气凸轮判定
图3-41 同一汽缸进、排气凸轮
辨别进、排气凸轮如图所示,凸轮轴逆时针转动,按照先排气后进气的规律,即可分辨出如图所注的进、排气凸轮;若凸轮轴顺时针转动,则进、排气凸轮的位置与前者正好相反:位于右下方的是排气凸轮,位于正上方的是进气凸轮。

如此逐缸判断。

（4）凸轮轴轴颈。

凸轮轴轴颈用以安装固定凸轮轴, 它有两种支承方式。

①全支承: 对应每个气缸间设有一道轴颈, 支承点多, 刚度好,能有效的防止凸轮轴变形。

②非全支承: 每隔两个或多个气缸设置一个轴颈, 工艺简单,成本低, 但凸轮轴的刚度差。

（5）凸轮轴轴承
上置式凸轮轴的轴承多由上、下两片轴瓦对合而成，装入剖分式轴承座孔内。

轴承材料多与主轴承相同，在低碳钢钢背上浇敷减摩合金层。

也有的凸轮轴轴承采用粉末冶金衬套或青铜衬套。

挺柱
挺柱的作用是将凸轮轴凸轮的推动力传给推杆, 并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。

（1）普通挺柱
常见的普通挺柱形状有菌形、筒形和滚轮式三种, 其结构形式如图3-51 所示。

图3-51 普通挺柱
（2）液力挺柱
图
目前越来越多的发动机(尤其是轿车发动机)采用了长度随温度轻微变化的液力挺柱，而不采用预留气门间隙的方法。

具有以下优点:
1) 能自动补偿气门间隙, 取消了调整气门间隙的零件, 使结构大为简化。

2) 不需调整气门间隙, 大大简化使用和维修过程。

3) 消除了由气门间隙引起的冲击和噪声, 减轻了气门传动组件之间的摩擦。

液压挺柱的构造。

如图3-53 所示, 液压挺柱由挺柱体、液压缸、柱塞、单向球阀、单向阀弹簧和柱塞回位弹簧等部件组成。

图3-53 液压挺柱
1—卡夹2 —柱塞3—挺柱体4—液压缸5—球6—单向阀罩7—单向阀弹簧8—柱塞弹簧摇臂
图3-56 摇臂组件
1—摇臂轴2—支座3—摇臂4—锁紧螺母 5—定位弹簧6—气门间隙调整螺钉7—衬套摇臂的功用是将推杆和凸轮传来的运动和作用力，改变方向传给气门使其开启。

摇臂在摆动过程中承受很大的弯矩，因此应有足够的强度和刚度以及较小的质量。

摇臂由锻钢、可锻铸球、球墨铸铁或铝合金制造。

摇臂是一个双臂杠杆，以摇臂轴为支点，两臂不等长。

短臂端加工有螺纹孔，用来拧入气门间隙调整螺钉。

长臂端加工成圆弧面，是推动气门的工作面。

气门间隙
图3—38气门间隙图
1- 气门间隙调整螺栓 2-凸轮轴 3- 气门
当配气凸轮的圆柱面(基圆)部分与挺柱接触时气门处于关闭状态。

如果此时从凸轮基圆到气门之间没有间隙,冷态时气门尚可关闭严密,但当发动机起动后温度升高,气门及传动件受热膨胀伸长,便会把气门顶开,使气门关闭不严。

为此,应于冷态时在凸轮基圆面到气门杆端面之间留有供机件热膨胀用的间隙,以确保气门关闭严密,此间隙称为气门间隙,即图4 - 14 中Δ。

气门间隙的大小因机型而异。

进气门间隙为0.25～0.30 mm 排气门间隙为0.30～0.35 mm
任务三配气相位
配气相位：
发动机进、排气门实际的开启与关闭时刻与开启持续的时间,称为配气相位。

通常用气门开启与关闭时相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转角来表示配气相位。

图3-37 发动机配气相位图
理论配气相位：
进气门当曲拐处于上止点时开启,在曲拐转到下止点时关闭
排气门当曲拐处于下止点时开启,上止点时关闭。

进、排气时间各占180°曲轴转角。

气门开启的时间短，导致发动机进气不足，排气不净,发动机功率得不到应有的发挥。

【发动机5000r/min时，一个行程的时间为0.005s.】
实际配气相位：
发动机都采用了延长进、排气时间的方法即气门的开启和关闭并不正好是曲拐处在上下止点的时刻,而是分别提早和延迟一定的曲轴转角,俗称气门的早开迟闭。

1.进气门的配气相位
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, 用α表示, 一般α为10°～30°。

进气门早开, 使得活塞到达上止点开始向下运动时, 进气门已有一定开度, 有利于提高充气量。

进气迟后角：在进气行程下止点过后, 活塞又上行一段, 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, 用β表示,一般β为40°～80°。

活塞到达下止点时, 由于进气阻力的影响, 气缸内压力仍低于大气压, 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, 进气气流速度逐惭减小, 至流速等于零时, 进气门关闭最为适宜。

若β角过大, 会出现进入气缸的气体被重新压回进气管内。

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。

2. 排气门的配气相位
排气提前角
在作功行程的后期, 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, 用γ表示, 一般γ为40°～ 80°。

适当的排气门早开, 气缸内还有大约300～500kPa 的压力, 作功作用已经不大, 可利用此压力使气缸内的废气
迅速地自由排出。

等活塞到达下止点时, 气缸内只剩约110～120kPa 的压力, 使排气行程所消耗的功率大为减少。

此外, 高温废气的早排, 还可以防止发动机过热, 但角度一定要适当, 否则功率损失过大。

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, 用δ表示, 一般δ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, 且废气气流具有一定的惯性, 所以排气门适当晚关可以将废气排得更加彻底。

由此
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. 气门重叠及气门重叠角
由于进气门在曲拐转到距上止点位置为α角时打开,排气门在曲拐转过上止点位置δ角时关闭,所以出现了在一段时间内进、排气门同时开启的现象,这种现象称为气门重叠。

进、排气门同时开启过程对应的曲轴转角称为气门重叠角。

气门重叠角为α + δ。

4.可变配气相位简介
新型发动机为了提高燃烧效率、提高大负荷高转速时的功率性能, 装备了可变配气相位及气门升程系统。

常见的有丰田的VVT-I与本田的VECT
VVT-I与VECT
图3-
图3
VTEC系统全称是可变气门正时和升程电子控制系统，是本田公司在1989年推出了自行研制的“可变气门正时和气门升程电子控制系统”，英文全“Variable Valve Timing and Valve Lift Electronic Control System”，缩写就是“VTEC”，是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程等两种不同情况的气门控制系统.
组成：
VTEC控制系统由控制部分、执行部分和传感器组成。

其中控制部分包括发动机控制单元ECU 和VTEC电磁阀；执行部分包括凸轮、摇臂和各个活塞等；传感器包括发动机转速传感器、车速传感器和冷却液温度传感器。

发动机运转时，控制单元ECU根据各传感器的信号，判断是否需要改变配气相位和气门升程。

工作原理：
VTEC能随发动机转速、负荷、水温等运行参数的变化，而适当地调整配气正时和气门升程，使发动机在高、低速下均能达到最高效率。

+、在VTEC系统中，其进气凸轮轴上分别有三个凸轮面，分别顶动摇臂轴上的三个摇臂，当发动机处于低转速或者低负荷时，三个摇
臂之间无任何连接，左边和右边的摇臂分别顶动两个进气门，使两者具有不同的正时及升程，以形成挤气作用效果。

此时中间的高速摇臂不顶动气门，只是在摇臂轴上做无效的运动。

当转速在不断提高时，发动机的各传感器将监测到的负荷、转速、车速以及水温等参数送到电脑中，电脑对这些信息进行分析处理。

当达到需要变换为高速模式时，电脑就发出一个信号打开VTEC电磁阀，使压力机油进入摇臂轴内顶动活塞，使三只摇臂连接成一体，使两只气门都按高速模式工作。

当发动机转速降低达到气门正时需要再次变换时，电脑再次发出信号，打开VTEC电磁阀压力开头，使压力机油泄出，气门再次回到低速工作模式。

普通的发动机在制造出来后，配气相位和气门升程就固定不变了，无法适应不同转速下发动机对进排气的需求。

因此，传统的发动机设计人员在考虑凸轮轴型线时都采用折衷方案，既要照顾高速也要考虑低速。

但是这种综合考虑的设计方案在某种程度上限制了发动机的性能，已远远不能满足现在车用发动机的要求。

因此，人们希望能够有这样一种发动机，其凸轮型线能够适应任何转速，不论在高速还是低速都能得到最佳的配气相位。

于是，可变配气相位控制机构应运而生。

在可变配气相位控制机构中比较有代表性的便是本田公司的VTEC系统。

VVT-i可变气门控制机构
图3-
VVT中文意思是“可变气门正时”，由于采用电子控制单元（ECU）控制，因此丰田起了一个好听的中文名称叫“智慧型可变气门正时系统”。

该系统主要控制进气门凸轮轴，又多了一个小尾巴“i”，就是英文“intellingence”（智能）的代号。

这些就是“VVT－i”的字面含义了。

VVT—i.系统是丰田公司的智能可变气门正时系统的英文缩写，最新款的丰田轿车的发动机已普遍安装了VVT—i系统。

丰田的VVT—i系统可连续调节气门正时，但不能调气门升程。

它的工作原理是：当发动机由低速向高速转换时，电子计算机就自动地将机油压
向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，这样，在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在60度的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。

工作页：任务三配气相位
基础知识：
1）气门传动组按凸轮轴布置形式可分为
2）请同学们简单绘制配气相位图：
3）在凸轮轮廓图中写出各点与各段的含义：
图4-43 凸轮轮廓
4）为什么有些发动机的配气机构要有气门间隙？
5）配气机构中采用同步带与同步链的优缺点：
拓展知识与信息收集
VTEC的含义是它是公司所独有的。

VVT-I的含义是它是公司所独有的。

请你说出你对可变配气机构的理解？
请你查找宝马公司、奔驰公司采用了什么样式的可变配气机构
项目四冷却系统
教学目标：
【知识目标】
1．了解发动机冷却系统的功用及组成；
2．掌握水冷却系统各零部件的结构及工作过程；
3．了解风冷却系统的结构及工作过程。

【重点内容】
1．水冷却系统的结构及工作过程；
2．风冷却系统的工作过程。

【任务导入】
发动机的冷却必须适度。

若冷却不足, 发动机功率将下降, 润滑油受热而失效, 各机件也可能因高温致使机械强度下降。

若冷却过度, 热量散失过多, 发动机动力性、经济性下降, 机油粘度加大, 运动件间的摩擦阻力加大, 磨损加剧。

任务一概述
●基础知识：
●冷却系功用
发动机冷却系的功用就是使工作中的发动机维持在正常工作温度范围内工作，以使发动机得到适度的冷却。

冷却系组成：
发动机的冷却系统有风冷与水冷之分，以空气为冷却介质的冷却系统称风冷系统；以冷却液为冷却介质的为水冷系统。

汽车发动机，尤其是轿车发动机大都采用水冷系统，只有少数汽车发动机采用风冷系统，其结构如图
图4-1 风冷系统
汽车发动机的水冷系统均为强制循环水冷系统，即利用水泵提高冷却液的压力，强制冷却液在发动机中循环流动。

这种系统包括水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿水桶、发动机机体和气缸盖中的水套以及其它附加装置等，如图7-3所示。

图4-2 桑塔纳2000冷却系组成及冷却路线。