《現(xiàn)代汽車機械基礎(chǔ)》06-1

汽車機械基礎(chǔ)

第六章配氣機構(gòu)

第一節(jié)概述一、功用配氣機構(gòu)是進、排氣管道的控制機構(gòu)，它按照氣缸的工作循環(huán)和發(fā)火次序的要求，適時地開閉進、排氣門，向氣缸供給可燃混合氣（汽油機）或新鮮空氣（柴油機）并及時排出廢氣。另外，當(dāng)進、排氣門關(guān)閉時，保證氣缸密封。四行程發(fā)動機都采用氣門式配氣機構(gòu)。二、充氣效率新鮮空氣或可燃混合氣被吸入氣缸愈多，則發(fā)動機可能發(fā)出的功率愈大。新鮮空氣或可燃混合氣充滿氣缸的程度，用充氣效率表示。充氣效率越高，表明進入氣缸的新氣越多，可燃混合氣燃燒時可能放出的熱量也就越大，發(fā)動機的功率越大。三、形式分類四、氣門的布置形式氣門位于氣缸蓋上稱為氣門頂置式配氣機構(gòu)，由凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂總成、氣門、氣門導(dǎo)管、氣門座和氣門彈簧、彈簧座等組成。其特點，進氣阻力小，燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，氣流攪動大，能達到較高的壓縮比，目前國產(chǎn)的汽車發(fā)動機都采用氣門頂置式配氣機構(gòu)。曲軸與凸輪軸傳動比2：1，即一個工作循環(huán)曲軸轉(zhuǎn)兩圈，凸輪軸轉(zhuǎn)一圈。五、凸輪軸的布置形式凸輪軸下置式，凸輪軸位于氣缸體曲軸箱內(nèi)，主要缺點是氣門和凸輪軸相距較遠(yuǎn)，因而氣門傳動零件較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，發(fā)動機高度也有所增加。凸輪軸中置式，凸輪軸位于氣缸體的上部，由凸輪軸經(jīng)過挺柱直接驅(qū)動搖臂，省去推桿，這種結(jié)構(gòu)稱為凸輪軸中置配氣機構(gòu)。凸輪軸上置式,凸輪軸布置在氣缸蓋上。凸輪軸上置有兩種結(jié)構(gòu)，一是凸輪軸直接通過搖臂來驅(qū)動氣門，這樣既無挺柱，又無推桿，往復(fù)運動質(zhì)量大大減小，此結(jié)構(gòu)適于高速發(fā)動機。另一種是凸輪軸直接驅(qū)動氣門或帶液力挺柱的氣門，此種配氣機構(gòu)的往復(fù)運動質(zhì)量更小，特別適應(yīng)于高速發(fā)動機。六、凸輪軸的傳動方式凸輪軸下置，中置的配氣機構(gòu)大多采用圓柱形正時齒輪傳動，一般從曲軸到凸輪軸只需一對正時齒輪傳動，若齒輪直徑過大，可增加一個中間齒輪。為了嚙合平穩(wěn)，減小噪聲，正時齒輪多用斜齒。（注意正時記號）鏈條與鏈輪的傳動適用于凸輪軸上置的配氣機構(gòu)，但其工作可靠性和耐久性不如齒輪傳動。近年來高速汽車發(fā)動機上廣泛采用齒形皮帶來代替?zhèn)鲃渔?，齒形帶傳動，噪聲小、工作可靠、成本低。四、氣門排列及驅(qū)動裝置一般發(fā)動機都采用每缸兩個氣門，即一個進氣門和一個排氣門的結(jié)構(gòu)。為了改善換氣，在可能的條件下，應(yīng)盡量加大氣門的直徑，特別是進氣門的直徑。但是由于燃燒室尺寸的限制，氣門直徑最大一般不能超過氣缸直徑的一半。當(dāng)氣缸直徑較大，活塞平均速度較高時，每缸一進一排的氣門結(jié)構(gòu)就不能保證良好的換氣質(zhì)量。因此，在很多新型汽車發(fā)動機上多采用每缸四個氣門結(jié)構(gòu)。即兩個進氣門和兩個排氣門。

第二節(jié)配氣機構(gòu)的主要零部件一、氣門組氣門組包括：氣門、氣門導(dǎo)管、氣門座、氣門彈簧、彈簧座、鎖片。氣門組作用、要求:(書105頁)阿克蘇諾貝爾版權(quán)所有1.氣門分類：進氣門、排氣門構(gòu)造：氣門由頭部、桿部組成。功用：控制進、排氣管的開閉工作條件：承受高溫、高壓、沖擊、潤滑困難。要求：足夠的強度、剛度、耐磨、耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊。材料：進氣門采用合金鋼（鉻鋼或鎳鉻等），排氣門采用耐熱合金鋼（硅鉻鋼等）。阿克蘇諾貝爾版權(quán)所有（1）氣門頭部氣門頭頂部形狀有平頂，凸頂（球面頂）和凹頂（喇叭形頂）等平頂：結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、吸熱面積小、質(zhì)量小，進、排氣門均可采用。凸頂：強度高，排氣阻力小，廢氣的清除效果好，但受熱面積大，質(zhì)量和慣性力大，加工較復(fù)雜，適用于排氣門。凹頂：進氣阻力小，但受熱面積更大，適用于進氣門。有的發(fā)動機進氣門頭部直徑比排氣門大，兩氣門一樣大時，排氣門有記號。（2）氣門錐角氣門頭部是一個具有圓錐斜面的圓盤，氣門錐角一般為450（排氣門），也有300（進氣門），氣門頭邊緣應(yīng)保持一定厚度，一般為1-3mm，以防工作中沖擊損壞和被高溫?zé)g。氣門密封錐面與氣門座配對研磨。阿克蘇諾貝爾版權(quán)所有（3）氣門桿氣門桿呈圓柱形，加工精度高，桿身與頭部制成一體，裝在氣門導(dǎo)管內(nèi)起導(dǎo)向、傳熱作用，桿身與頭部采用圓滑過渡連接。氣門桿尾部制有凹槽（錐形槽或環(huán)形槽）用來安裝鎖緊件充鈉排氣門阿克蘇諾貝爾版權(quán)所有（4）氣門旋轉(zhuǎn)機構(gòu)為了使氣門頭部溫度均勻，防止局部過熱引起的變形和清除氣門座積炭，可設(shè)法使氣門在工作中相對氣門座緩慢旋轉(zhuǎn)。氣門緩慢旋轉(zhuǎn)時在密封錐面上產(chǎn)生輕微的摩擦力，有阻止沉積物形成的自潔作用。阿克蘇諾貝爾版權(quán)所有強制旋轉(zhuǎn)機構(gòu)2.氣門導(dǎo)管功用：①起導(dǎo)向作用，保證氣門作直線往復(fù)運動。②起導(dǎo)熱作用，將氣門頭部傳給桿身的熱量，通過氣缸蓋傳出去。為了保證導(dǎo)向，導(dǎo)管應(yīng)有一定的長度，氣門導(dǎo)管的工作溫度也較高，約500k。氣門導(dǎo)管和氣門的潤滑是靠配氣機構(gòu)飛濺出來的機油進行潤滑的，因此易磨損。為了改善潤滑性能，氣門導(dǎo)管常用灰鑄鐵或球墨鑄鐵或鐵基粉未治金制造。導(dǎo)管內(nèi)、外圓面加工后壓入氣缸蓋的氣門導(dǎo)管孔內(nèi)，然后再精鉸內(nèi)孔。為了防止氣門導(dǎo)管在使用過程中松脫，并保證氣門導(dǎo)管伸入進、排氣管的合適深度，有的發(fā)動機對氣門導(dǎo)管用卡環(huán)定位。氣門桿與氣門導(dǎo)管之間一般留有0.05—0.12mm間隙，使氣門桿能在導(dǎo)管中自由運動。3.氣門座氣門座與氣門頭部密封錐面配合密封氣缸，氣門頭部的熱量亦經(jīng)過氣門座外傳。氣門座可以在缸蓋或缸體上直接鏜出，也可以采用鑲嵌式結(jié)構(gòu)。鑲嵌式結(jié)構(gòu)氣門座都采用較好的材料（合金鑄鐵、奧氏體鋼等）單獨制作。阿克蘇諾貝爾版權(quán)所有汽油機進氣門座可采用直接鏜出式，排氣門座多采用鑲嵌式。柴油機進氣門座均采用鑲嵌式，而排氣門座可采用鑲嵌式，也可采用直接鏜出式。鋁合金氣缸蓋的發(fā)動機進、排氣門座必須采用鑲嵌式。4.氣門彈簧氣門彈簧的作用在于保證氣門回位，在氣門關(guān)閉時，保證氣門與氣門座之間的密封，在氣門開啟時，保證氣門不因運動時產(chǎn)生的慣性力而脫離凸輪。氣門彈簧多為圓柱形螺旋彈簧，它的一端支承在氣缸蓋上，另一端壓靠在氣門桿尾端的彈簧座上，彈簧座用鎖片固定在氣門桿的尾端。阿克蘇諾貝爾版權(quán)所有為防止氣門彈簧發(fā)生共振，氣門彈簧的設(shè)計可采用以下結(jié)構(gòu)措施：1）提高氣門彈簧的自振頻率（提高剛度，加大鋼絲直徑、減小圈徑）2）采用變螺距的圓柱彈簧（螺距小的一端朝向氣門頭部）3）采用雙氣門彈簧（旋向相反）阿克蘇諾貝爾版權(quán)所有二、氣門傳動組功用：傳遞凸輪軸→氣門之間的運動氣門傳動組包括，凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂總成等。1.凸輪軸功用：控制各缸氣門的開啟和關(guān)閉，使其符合發(fā)動機的工作順序、配氣相位及氣門開度的變化規(guī)律的要求。（根據(jù)凸輪軸可以判斷工作順序）每一個進、排氣門分別有相應(yīng)的進氣凸輪和排氣凸輪。要求、材料工作中，凸輪軸受到氣門間歇性開啟的周期性沖擊載荷，因此對凸輪表面要求耐磨，凸輪軸要有足夠的韌性和剛度。凸輪軸一般為一整體軸，采用合金鋼或合金鑄鐵制造。工作表面經(jīng)高頻淬火或滲碳處理，并經(jīng)精磨加工，以提高耐磨性。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：凸輪、軸頸（有時有偏心輪或齒輪）軸頸全支承、非全支承、軸頸尺寸、油槽凸輪基圓：EA緩沖段：AB、DE工作段：BCD

同名凸輪的相對角位置異名凸輪的相對角位置凸輪軸的軸向限位2.挺柱挺柱的功用是將凸輪的推力傳給推桿（或氣門桿），并承受凸輪軸旋轉(zhuǎn)時所施加的側(cè)向力，近年來，液壓挺柱被廣泛地采用。1-挺柱體2-卡簧3-球座4-柱塞5-單向閥架6-柱塞彈簧7-單向閥8-碟形彈簧A-柱塞腔B-工作腔3.推桿推桿的作用是將從挺柱傳來的推力傳給搖臂，它是配氣機構(gòu)中最容易彎曲的零件。要求有很高的剛度，在動載荷大的發(fā)動機中，推桿應(yīng)盡量地做得短些。4.搖臂搖臂實際上是一個雙臂杠桿，將推桿傳來的力改變方向，作用到氣門桿端打開氣門。無噪聲搖臂三、氣門間隙及其調(diào)整定義：氣門間隙是指氣門完全關(guān)閉時，氣門桿尾端與搖臂或挺柱之間的間隙。作用：給熱膨脹留有余地、保證氣門密封間隙過大：進、排氣門開啟遲后，縮短了進排氣時間，降低了氣門的開啟高度，改變了正常的配氣相位，使發(fā)動機因進氣不足，排氣不凈而功率下降，此外，還使配氣機構(gòu)零件的撞擊增加，磨損加快。間隙過?。喊l(fā)動機工作后，零件受熱膨脹，將氣門推開，使氣門關(guān)閉不嚴(yán)，造成漏氣，功率下降，并使氣門的密封表面嚴(yán)重積碳或燒壞，甚至氣門撞擊活塞。不同機型，氣門間隙的大小不同，根據(jù)實驗確定，一般冷態(tài)時，排氣門間隙大于進氣門間隙，進氣門間隙約為0.25～0.3mm，排氣門間隙約為0.3～0.35mm。采用液壓挺柱的配氣機構(gòu)不需要留氣門間隙。氣門間隙調(diào)整方法：（1）逐缸調(diào)整法（2）兩次調(diào)整法（“雙排不進”法）第三節(jié)配氣相位一、配氣相位分析理論上講進、壓、功、排各占180°，也就是說進、排氣門都是在上、下止點開閉，延續(xù)時間都是曲軸轉(zhuǎn)角180°。但實際表明，簡單配氣相位對實際工作是很不適應(yīng)的，它不能滿足發(fā)動機對進、排氣門的要求。（一）原因1.發(fā)動機速度的要求實際發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速很高，活塞每一行程歷時都很短，當(dāng)轉(zhuǎn)速為5600r/min時一個行程只有0.0054s，就是轉(zhuǎn)速為1500r/min，一個行程也只有0.02s，這樣短的進氣或排氣過程，使發(fā)動機進氣不足，排氣不凈。2.氣門的開、閉有個過程開啟總是由小→大關(guān)閉總是由大→小進氣不足，排氣不凈（二）實際的配氣相位分析氣門早開晚閉的可能從示功圖中可以看出，活塞到達進氣下止點時，由于進氣吸力的存在，氣缸內(nèi)氣體壓力仍然低于大氣壓，在大氣壓的作用下仍能進氣；另外，此時進氣流還有較大的慣性。由此可見，進氣門晚關(guān)可以增加進氣量。進氣門早開，可使進氣一開始就有一個較大的通道面積，可增加進氣量。在作功行程快要結(jié)束時，排氣門打開，可以利用作功的余壓使廢氣高速沖出氣缸，排氣量約占50%。排氣門早開，勢必造成功率損失，但因氣壓低，損失并不大，而早開可以減少排氣所消耗的功，又有利于廢氣的排出，所以總功率仍是提高的。從示功圖上還可以看出，活塞到達上止點時，氣缸內(nèi)廢氣壓力仍然高于外界大氣壓，加之排氣氣流的慣性，排氣門晚關(guān)可使廢氣排得更凈一些。由此可見，氣門具有早開晚關(guān)的可能，那么氣門早開晚關(guān)對發(fā)動機實際工作又有什么好處呢？進氣門早開：增大了進氣行程開始時氣門的開啟高度，減小進氣阻力，增加進氣量。進氣門晚關(guān)：延長了進氣時間，在大氣壓和氣體慣性力的作用下，增加進氣量。排氣門早開：借助氣缸內(nèi)的高壓自行排氣，大大減小了排氣阻力，使排氣干凈。排氣門晚關(guān)：延長了排氣時間，在廢氣壓力和廢氣慣性力的作用下，使排氣干凈。阿克蘇諾貝爾版權(quán)所有二、定義配氣相位是用曲軸轉(zhuǎn)角表示的進、排氣門的開啟時刻和開啟持續(xù)時間，通常用環(huán)形圖表示-配氣相位圖。阿克蘇諾貝爾版權(quán)所有三、進、排氣門的實際開閉時刻和延續(xù)時間實際進氣時刻和延續(xù)時間：在排氣行程接近終了時，活塞到達上止點前，即曲軸轉(zhuǎn)到離上止點還差一個角度α，進氣門便開始開啟，進氣行程直到活塞越過下止點后β時，進氣門才關(guān)閉。整個進氣過程延續(xù)時間相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)角180°+α+β。

α-進氣提前角一般α=3°～20°

β-進氣滯后角一般β=35°～80°所以進氣過程曲軸轉(zhuǎn)角為218°～280°

實際排氣時刻和延續(xù)時間：同樣，作功行程接近終了時，活塞在下止點前排氣門便開始開啟，提前開啟的角度γ一般為30°～60°，活塞越過下止點后δ角排氣門關(guān)閉，δ一般為1°～35°，整個排氣過程相當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角180°+γ+δ。

γ-排氣提前角一般γ=30°～60°

δ-排氣滯后角一般δ=1°～35°所以排氣過程曲軸轉(zhuǎn)角為211°～275°四、氣門的疊開由于進氣門早開，排氣門晚關(guān)，勢必造成在同一時間內(nèi)兩個氣門同時開啟。把兩個氣門同時開啟時間相當(dāng)?shù)那S轉(zhuǎn)角叫作氣門疊開角。氣門重疊角α+δ=4°～55°。在這段時間內(nèi)，可燃混合氣和廢氣是否會亂串呢？不會的，這是因為：進、排氣流各自有自己的流動方向和流動慣性，而重疊時間又很短，不至于混亂，即吸入的可燃混合氣不會隨同廢氣排出，廢氣也不會經(jīng)進氣門倒流入進氣管，而只能從排氣門排出。阿克蘇諾貝爾版權(quán)所有從上面的分析，可以看出實際配氣相位和理論上的配氣相位相差很大，實際配氣相位，氣門要早開晚關(guān)，主要是為了滿足進氣充足，排氣干凈的要求。但實際中，究竟氣門什么時候開？什么時候關(guān)最好呢？這主要根據(jù)各種車型，經(jīng)過實驗的方法確定，由凸輪軸的形狀、位置及配氣機構(gòu)來保證。阿克蘇諾貝爾版權(quán)所有五、可變氣門升程與正時VVT—I：variablevalvetiming—intake

豐田公司智能可變氣門正時系