汽車發(fā)動機配氣機構

第一頁，共六十一頁，2022年，8月28日第一節(jié)概述

一、功用

按照發(fā)動機的工作順序和工作循環(huán)的要求，定時開啟和關閉各缸的進、排氣門，使新鮮可燃混合氣或空氣得以及時進入氣缸，燃燒產生的廢氣從汽缸排出，使換氣過程最佳，以保證發(fā)動機在各種工況下工作時發(fā)揮最好的性能。2023/2/162第二頁，共六十一頁，2022年，8月28日充氣效率發(fā)動機在吸氣過程中，吸入的新鮮空氣或可燃混合氣越多，發(fā)動機發(fā)出的功率和扭矩越大，新鮮空氣或可燃混合氣充滿汽缸的程度常用充氣效率表示，也稱充氣系數(shù)，用ηv。在進氣過程中，實際進入汽缸內的新鮮空氣或可燃混合氣的質量與在理想狀態(tài)下充滿汽缸工作容積的新鮮空氣或可燃混合氣的質量之比稱為充氣效率。ηv=M/M0對于一定工作容積的發(fā)動機而言，充氣效率與進氣終了時汽缸內的壓力和溫度有關。進氣終了壓力愈高，溫度愈低，則一定容積的氣體質量就越大，表明充氣效率愈高。2023/2/163第三頁，共六十一頁，2022年，8月28日二、配氣機構的總體組成由氣門組和氣門傳動組兩部分組成（1）氣門組包括氣門、氣門座、氣門導管、氣門彈簧、氣門彈簧座和氣門鎖夾等；2023/2/164第四頁，共六十一頁，2022年，8月28日（2）氣門傳動組包括凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂、搖臂軸、搖臂軸座和氣門間隙調整螺釘?shù)取?023/2/165第五頁，共六十一頁，2022年，8月28日三、配氣機構的類型

1、按氣門的布置：氣門頂置式；氣門側置式壓縮比受到限制，進排氣門阻力較大，發(fā)動機的動力性和高速性均較差，逐漸被淘汰。

目前國產的汽車發(fā)動機都采用氣門頂置式配氣機構。

2023/2/166第六頁，共六十一頁，2022年，8月28日氣門位于汽缸蓋上稱為氣門頂置式配氣機構，由凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂總成、氣門、氣門導管、氣門座和氣門彈簧、彈簧座等組成。其特點是進氣阻力小，燃燒室結構緊湊，氣流攪動大，能達到較高的壓縮比，目前國產的汽車發(fā)動機都采用氣門頂置式配氣機構。氣門都布置在汽缸的一側稱為氣門側置式配氣機構，其結構簡單、零件數(shù)目少，由于氣門布置在同一側導致燃燒室結構不緊湊、熱量損失大、進氣道曲折，進氣阻力大，使發(fā)動機性能下降，現(xiàn)已淘汰。2023/2/167第七頁，共六十一頁，2022年，8月28日2、按凸輪軸布置的位置：下置式；中置式；上置式2023/2/168第八頁，共六十一頁，2022年，8月28日（1)凸輪軸下置

優(yōu)點：簡化了曲軸與凸輪軸之間的傳動裝置。缺點：凸輪軸與氣門相距較遠，動力傳遞路線較長，不適用于高速發(fā)動機。

2023/2/169第九頁，共六十一頁，2022年，8月28日（2）凸輪軸中置傳動方式：凸輪軸經過挺柱直接驅動搖臂，省去了推桿。

應用：適用于發(fā)動機轉速較高時，可以減少氣門傳動機構的往復運動質量。凸輪軸挺柱活塞搖臂調整螺釘2023/2/1610第十頁，共六十一頁，2022年，8月28日（3）凸輪軸上置應用：高速發(fā)動機

特點：凸輪軸與氣門距離近，不需要推桿，使往復運動的慣量減少。凸輪軸凸輪軸活塞雙凸輪軸上置式配氣機構2023/2/1611第十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日3、按曲軸與凸輪軸的傳動方式：齒輪傳動；鏈傳動；齒型帶傳動齒輪傳動凸輪軸下置、中置的配氣機構大多采用圓柱形定時齒輪傳動。一般曲軸與凸輪軸之間的傳動只需一對定時齒輪，必要時可加裝中間齒輪。為了嚙合平穩(wěn)、減小噪聲，定時齒輪多用斜齒輪。在中、小功率發(fā)動機上，曲軸定時齒輪用鋼來制造，而凸輪軸定時齒輪則用鑄鐵或夾布膠木制造，以減小噪聲。鏈傳動鏈條與鏈輪的傳動特別適用于凸輪軸上置的配氣機構。為使鏈條在工作時具有一定的張力而不致脫鏈，裝有導鏈板、鏈條張緊輪。鏈傳動的主要問題是其工作可靠性不如齒輪傳動。其傳動性能在很大程度上取決于鏈條的制造質量。2023/2/1612第十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日2023/2/1613第十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日齒型帶傳動

采用齒形帶傳動，對于減少噪聲、減少結構質量和降低成本都有很大好處。2023/2/1614第十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日4、按每缸氣門數(shù)目：兩氣門式；四氣門式;曲軸軸線2023/2/1615第十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日四、配氣機構的工作原理發(fā)動機曲軸通過某一傳動方式驅動凸輪軸運轉。四沖程發(fā)動機完成一個工作循環(huán)曲軸轉兩圈，各缸進、排氣門各開啟一次，凸輪軸只需轉一圈，因此曲軸轉速與凸輪軸轉速之比為2:1。2023/2/1616第十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日觀看視頻：配氣機構的工作過程2023/2/1617第十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日凸輪下置式配氣機構，當凸輪凸起部分與挺柱接觸時，將挺柱頂起，挺柱通過推桿、調整螺釘使搖臂繞搖臂軸順時針擺動，搖臂的長臂端向下推動氣門，壓縮氣門彈簧，將氣門頭部推離氣門座而打開。當凸輪凸起部分的頂點轉過挺柱后，便逐漸減少了對挺柱的推力，氣門在其彈簧張力的作用下，開度逐漸減小，直至最后關閉，使汽缸密封。從上述工作過程可以看出，氣門的開啟是通過氣門傳動組的作用完成的，而氣門的關閉則是由氣門彈簧來完成的。氣門的開閉時刻與規(guī)律完全取決于凸輪的輪廓曲線形狀。每次氣門打開時，壓縮彈簧，為氣門關閉積蓄能量。2023/2/1618第十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日第二節(jié)配氣機構的組成一、氣門組2023/2/1619第十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日A、進氣門300-400℃，排氣門600-800℃。B、承受氣體壓力、氣門彈簧力及傳動組零件慣性力C、冷卻和潤滑條件較差D、被氣缸中燃燒生成物中的物質所腐蝕進氣門：鉻鋼或鉻鎳鋼；排氣門：硅鉻鋼耐熱足夠的強度和剛度耐磨損耐腐蝕1、氣門（1）工作條件及材料功用：燃燒室的組成部分，是氣體進、出燃燒室通道的開關，承受沖擊力、高溫沖擊、高速氣流沖擊。2023/2/1620第二十頁，共六十一頁，2022年，8月28日（2）氣門的構造頭部桿部2023/2/1621第二十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日氣門分為進氣門和排氣門兩種，其作用是密封進、排氣道。氣門由頭部、桿身和帶密封錐面的氣門盤組成。頭部用來封閉進、排氣道，桿身用來在氣門開閉過程中起導向作用。氣門頭部與具有腐蝕介質的高溫燃氣接觸，并在關閉時承受很大的落座沖擊力。

2023/2/1622第二十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日1）氣門頂部平頂結構簡單，制造方便，吸熱面積小，質量也小，應用最多；凹頂適合做進氣門，不宜做排氣門；凸頂適合于排氣門。2023/2/1623第二十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日進氣門頂部設計成凹型結構時，可將進氣門頭部與氣門桿部有較大的圓弧過渡，減少進氣壓力；一般進氣門直徑大于排氣門直徑，通過凹坑設計，可以減小其慣性質量；凹頂氣門彈性較平頂氣門好些，可以適應氣門座的變形，但由于其受熱面積大，一般不適用于排氣門。平頂氣門受熱面積較小，一般適用于排氣門，同時制造簡單。2023/2/1624第二十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日2）氣門錐面裝配前應將密封錐面研磨。邊緣應保持一定的厚度，1～3mm。2023/2/1625第二十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日氣門密封錐面與頂平面之間的夾角α稱為氣門錐角，其錐角一般為45°，有些車為了增大氣流的流通面積，使進氣充分，將進氣門錐角做成30°。工作中，由于氣門與氣門座之間的撞擊及高溫氣體作用，使密封錐面容易產生磨損和凹陷，應注意修磨或更換。氣門頭的邊緣厚度一般為1~3mm，以減少工作中由于氣門與氣門座之間的沖擊損壞或高溫氣體燒蝕。為了保證良好密合，裝配前應將氣門頭與氣門座的密封錐面互相研磨，使其接觸時不漏氣。研配好的氣門不能互換。2023/2/1626第二十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日3）氣門桿部較高的加工精度，表面經過熱處理和磨光，保證同氣門導管的配合精度和耐磨性氣門桿尾部：環(huán)形槽、鎖銷孔凹槽易斷裂處2023/2/1627第二十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日（4）氣門尾端

2023/2/1628第二十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日特殊氣門在某些高度強化的發(fā)動機上采用中空氣門桿的氣門。為降低排氣門溫度，增強排氣門散熱能力，許多汽車發(fā)動機上采用納冷卻氣門。2023/2/1629第二十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日2、氣門座汽缸蓋的進、排氣道與氣門錐面相貼合的部位。它與氣門頭部共同對氣缸起密封作用，并接受氣門傳來的熱量。氣門座可在氣缸蓋上直接鏜出，但氣門座在高溫下工作，磨損嚴重，故有不少發(fā)動機的氣門座是用耐熱合金鋼單獨制成座圈，稱氣門座圈，壓入汽缸蓋中，以提高使用壽命和便于維修更換。2023/2/1630第三十頁，共六十一頁，2022年，8月28日氣門座圈特點：

優(yōu)點：提高氣門座的使用壽命，便于更換。缺點：導熱性差，加工精度高，脫落時易造成嚴重事故。氣門座圈2023/2/1631第三十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日3、氣門導管（1）功用對氣門的運動導向，保證氣門作直線往復運動，使氣門與氣門座或氣門座圈能正確配合與開閉。此外，氣門導管還在氣門桿與汽缸蓋之間起導熱作用。（2）工作條件及材料氣門導管的工作溫度較高，而且潤滑條件較差，靠配氣機構工作時飛濺起來的機油來潤滑氣門桿和氣門導管孔。氣門導管由灰鑄鐵、球墨鑄鐵或鐵基粉末冶金制造。2023/2/1632第三十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日

氣門與氣門導管間留有0.05--0.12mm的微量間隙，使氣門能在導管中自由運動，配氣機構飛濺出來的適量潤滑油由此間隙對氣門桿和氣門導管進行潤滑。該間隙過小，會導致氣門桿受熱膨脹與氣門導管卡死；間隙過大，會使機油進入燃燒室燃燒，產生積炭，加劇活塞、汽缸和氣門磨損，增加潤滑油消耗，同時造成排氣冒藍煙。為了防止過多的潤滑油進入燃燒室，很多發(fā)動機在氣門導管上安裝有橡膠油封。

氣門導管氣缸蓋過盈配合卡環(huán)：防止氣門導管在使用中脫落。伸入深度應適量。錐度可減少氣流阻力。氣門導管氣缸蓋卡環(huán)：防止氣門導管在使用中脫落。2023/2/1633第三十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日4、氣門彈簧氣門彈簧的功用是保證氣門復位。在氣門關閉時，保證氣門及時關閉和緊密貼合，同時防止氣門在發(fā)動機振動時因跳動而破壞密封；在氣門開啟時，保證氣門不因運動慣性而脫離凸輪。為此，氣門彈簧應有足夠的剛度和安裝預緊力。2023/2/1634第三十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日現(xiàn)在有些車裝兩根彈簧，彈簧內、外直徑不同，旋向不同，它們同心安裝在氣門導管的外面，不僅可以提高彈簧的工作可靠性，防止共振的產生，還可以降低發(fā)動機的高度，而且當一根彈簧折斷時，另一根還能繼續(xù)維持工作，不致使氣門落入汽缸中。2023/2/1635第三十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日二、氣門傳動組氣門傳動組包括凸輪軸、定時齒輪、挺柱，推桿、搖臂、搖臂軸等。氣門傳動組的作用是使進、排氣門能按配氣相位規(guī)定的時刻開閉，且保證有足夠的開度。凸輪軸挺柱推桿搖臂凸輪軸正時齒輪搖臂軸2023/2/1636第三十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日1、凸輪軸功用：

驅動和控制各缸氣門的開啟和關閉，使其符合發(fā)動機的工作順序、配氣相位和氣門開度的變化規(guī)律等要求。工作條件：

承受氣門間歇性開啟的沖擊載荷。材料：

優(yōu)質碳鋼、合金鑄鐵、球墨鑄鐵結構：軸頸斜齒輪凸輪偏心輪正時齒輪斜齒輪：驅動分電器、（機油泵）偏心輪：驅動汽油泵止推凸緣止推座凸輪軸襯套2023/2/1637第三十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日觀看視頻：凸輪軸工作過程2023/2/1638第三十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日凸輪凸輪性能：

凸輪與挺柱線接觸，接觸壓力大，磨損快。工作條件：作用：氣門開啟和關閉的持續(xù)時間必須符合配氣相位要求。這是由凸輪的輪廓來保證的，而且凸輪的輪廓還在很大程度上決定了氣門的最大升程的運動規(guī)律。承受氣門彈簧的張力，間歇性的沖擊載荷。表面有良好的耐磨性，足夠的剛度。2023/2/1639第三十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日凸輪的輪廓凸輪輪廓與氣門的運動規(guī)律氣門開啟點消除氣門間隙階段氣門升程最大時刻氣門關閉點出現(xiàn)氣門間隙階段緩沖結束點2023/2/1640第四十頁，共六十一頁，2022年，8月28日2、挺柱

1、功用是將凸輪的推力傳給推桿（或氣門桿），并承受凸輪軸旋轉時所施加的側向力。

2、工作條件及材料工作條件：磨損嚴重；承受凸輪側向力。材料：碳鋼或合金鋼。2023/2/1641第四十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日2023/2/1642第四十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日液力挺柱結構：見右圖性能：

消除了配氣機構的間隙，減小了各零件的沖擊載荷和噪聲提高發(fā)動機高速時的性能?？ōh(huán)閥架支承座單向閥柱塞彈簧單向閥彈簧挺桿體柱塞推桿進油孔2023/2/1643第四十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日2023/2/1644第四十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日3、氣門推桿作用：

位于挺柱與搖臂之間，將挺柱傳來的推力傳給搖臂。工作情況：

是氣門機構中最容易彎曲的零件，要求有很高的剛度。材料：

硬鋁或鋼。2023/2/1645第四十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日

短臂

長臂4、搖臂功用：

搖臂結構示意圖將推桿或凸輪傳來的力改變方向，作用到氣門桿端以推開氣門。搖臂工作條件：承受很大的彎矩，應有足夠的強度和剛度以及較小的質量。材料：由鍛鋼、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、鋁合金等制造。2023/2/1646第四十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日第三節(jié)配氣相位及氣門間隙一、配氣相位

以曲軸轉角表示的進、排氣門開閉時刻及其開啟的持續(xù)時間稱作配氣相位。以曲軸轉角的環(huán)形圖來表示的配氣相位稱為配氣相位圖。2023/2/1647第四十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日理論上，氣門開關時刻是在活塞的上下止點處。但實際情況并非如此。由于發(fā)動機轉速很高，一個行程時間很短。再加上用凸輪驅動氣門開啟需要一個過程，氣門全開的時間就更短了，這樣短的時間難以做到進氣充分，排氣徹底。為了改善換氣過程，提高發(fā)動機性能，實際發(fā)動機的氣門開啟和關閉并不恰好在活塞的上止點和下止點，而是適當?shù)奶崆昂蜏?，以延長進排氣時間。2023/2/1648第四十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日上止點下止點2023/2/1649第四十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日（1）進氣門的配氣相位發(fā)動機工作過程中，進氣門是在活塞運行到排氣行程上止點之前就開始打開的，而在活塞運行到進氣行程下止點之后才關閉。從進氣門開啟到上止點所對應的曲軸轉角稱為進氣提前角，進氣提前角一般用α表示，為10°~30°。進氣門早開，使得活塞到達上止點開始向下運動時，因進氣門已有一定開度，所以可較快地獲得較大的進氣通道截面，減少進氣阻力。從下止點到進氣門關閉所對應的曲軸轉角稱為進氣滯后角。進氣滯后角用β表示，為40°~80°。一方面利用壓力差繼續(xù)進氣，活塞到達下止點時，由于進氣阻力的影響，汽缸內的壓力仍低于大氣壓，進氣門晚關，利用壓力差可繼續(xù)進氣。另一方面利用進氣慣性繼續(xù)進氣，活塞到達下止點時，進氣氣流還有相當大的慣性，進氣門晚關，仍能繼續(xù)進氣。2023/2/1650第五十頁，共六十一頁，2022年，8月28日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，即曲軸轉到離上止點還差一個角度α，進氣門便開始開啟，直到活塞越過下止點后β時，進氣門才關閉。整個進氣過程延續(xù)時間相當于曲軸轉角180°+α+β。

α-進氣提前角一般α=10°-30°

β-進氣延遲角一般β=40°-80°2023/2/1651第五十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日（2）排氣門的配氣相位在做功行程的后期，活塞達到下止點前，排氣門便開始開啟。從排氣門開始開啟到下止點所對應的曲軸轉角稱為排氣提前角。用γ表示，一般為40°~80°。恰當?shù)呐艢忾T早開，汽缸內還有300~500Kpa的壓力，做功作用已經不大，但利用此壓力使汽缸內的廢氣迅速地自由排出。同時等活塞達到下止點時，汽缸內只剩110~120kpa的壓力，使排氣沖程所消耗的功率減小。高溫廢氣早排，還可以防止發(fā)動機過熱。在活塞越過上止點后，排氣門才關閉。從上止點到排氣門關閉所對應的曲軸轉角稱為排氣滯后角。用δ表示，一般為10°~30°。一方面活塞到達上止點時，汽缸內的壓力仍高于大氣壓，利用缸內外壓力差可繼續(xù)排氣。同時，活塞到達上止點時，廢氣流有一定的慣性，利用慣性可繼續(xù)排氣。因此，排氣門適當晚關可使廢氣排得較干凈。2023/2/1652第五十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日實際排氣時刻和延續(xù)時間：在作功行程接近終了時，活塞到達下止點前，即曲軸轉到離下止點還差一個角度γ，排氣門便開始開啟，直到活塞越過上止點后δ時，排氣門才關閉。整個排氣過程延續(xù)時間相當于曲軸轉角180°+γ+δ。

γ-排氣提前角一般γ=40°-80°

δ-排氣延遲角一般δ=10°-30°2023/2/1653第五十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日上止點下止點2023/2/1654第五十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日氣門重疊由于進氣門在上止點前即開啟，而排氣門在上止點后才關閉，這就出現(xiàn)了一段時間內排氣門和進氣門同時開啟的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為氣門重疊，重疊時期的曲軸轉角稱為氣門重疊角。氣門重疊角等于α+δ。由于新鮮氣流和廢氣流的流動慣性都比較大，在短時間內是不會改變流向的，因此只要氣門重疊角選擇適當，就不會有廢氣倒流入進