配氣機構課件

第三章配氣機構主講：李會芳主要內容：

概述氣門式配氣機構的布置及傳動配氣定時配氣機構的組成和零件可變氣門機構概述配氣機構的功用充氣效率返回1、功用按照發(fā)動機每個氣缸內所進行的工作循環(huán)和發(fā)火次序的要求，定時開啟和關閉氣缸的進、排氣門，使新鮮沖量（汽油機為可燃混合氣、柴油機為空氣）得以及時進入氣缸，廢氣得以及時從氣缸排出。返回2、 充氣效率Φc：新鮮充量充滿氣缸的程度又稱充量系數(shù)、容積效率定義：發(fā)動機每一工作循環(huán)進入氣缸的實際充量（新鮮可燃混合氣或空氣）與進氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的理論充量的比值，即Φc

=M/M0M——進氣過程中，實際進入氣缸的新氣的質量；Mo——在理想狀態(tài)下，充滿氣缸工作容積的新氣質量。充氣效率越高越好，而其大小與配氣機構結構有直接的關系。充氣效率一般為何值?（取值范圍）返回一、氣門式配氣機構的布置及傳動1、氣門的布置形式2、凸輪軸的布置位置3、凸輪軸的傳動方式4、鏈（帶）傳動的張緊機構（見教材）5、每缸氣門數(shù)及其排列方式6、氣門間隙7、常用氣門頂置配氣機構的類型返回1、氣門的布置型式①氣門頂置式配氣機構氣門位于氣缸蓋上由凸輪、挺柱、推桿、搖臂、氣門和氣門彈簧等組成。

優(yōu)點：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(chǎn)的汽車發(fā)動機都采用氣門頂置式配氣機構。

氣門頂置式配氣機構工作過程A、氣門行程大，結構較復雜，燃燒室緊湊。B、曲軸與凸輪軸傳動比為。2:1不足：②氣門側置式配氣機構氣門位于氣缸體側面組成：凸輪、挺柱、氣門和氣門彈簧等。省去了推桿、搖臂等另件，簡化了結構。特點：因為它的進、排氣門在氣缸的一側，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。

返回動畫2、凸輪軸的布置型式①凸輪軸下置

有利因素：

不利因素是什么？凸輪軸與氣門相距較遠，動力傳遞路線較長，環(huán)節(jié)多，因此不適用于高速發(fā)動機。簡化曲軸與凸輪軸之間的傳動裝置（齒輪傳動），有利于發(fā)動機的布置。②凸輪軸中置式傳動方式：凸輪軸經(jīng)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③凸輪軸上置式應用：高速發(fā)動機如：桑塔納轎車發(fā)動機凸輪軸凸輪軸活塞特點：凸輪軸與氣門距離近，不需要推桿、挺柱，使往復運動的慣量減少。雙凸輪軸上置式發(fā)動機返回3、凸輪軸的傳動方式傳動方式傳動路線特點應用齒輪傳動曲軸正時齒輪（鋼）→凸輪軸正時齒輪（鑄鐵或膠木）工作可靠，嚙合平穩(wěn)、噪聲小凸輪軸下置、中置式配氣機構鏈條傳動曲軸→鏈條→凸輪軸正時齒輪可靠性、耐久性略差，噪聲大，造價高凸輪軸上置式配氣機構齒形帶傳動曲軸→齒形皮帶→凸輪軸正時齒輪成本低，但工作性能好凸輪軸上置式配氣機構凸輪軸的傳動方式比較上鏈條張緊裝置下鏈條張緊輪曲軸鏈輪中間鏈輪凸輪軸鏈輪導鏈板齒帶傳動圖例一汽奧迪轎車的齒形帶傳動裝置凸輪軸曲軸返回5、氣缸氣門數(shù)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構就不能保證良好的換氣質量。因此，在很多新型汽車發(fā)動機上多采用每缸四或五個氣門結構。即兩或三個進氣門和兩個排氣門。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構。為了改善換氣，在可能的條件下，應盡量加大氣門的直徑，特別是進氣門的直徑。優(yōu)點多氣門的優(yōu)點：充量系數(shù)較高：排氣門的直徑可適當減小，使其工作溫度相應降低，提高了工作可靠性；改善了配氣機構的動力性：適當減小氣門升程；利于改善HC和CO的排放性能。各缸氣門數(shù)及其排列方式比較：每缸氣門數(shù)每缸2氣門每缸4氣門每缸5氣門結構特點一進一排，進氣門直徑大于排氣門兩進兩排，排氣門直徑可減小一般為3進2排排列方式所有氣門排成一列，進、排氣門交替布置同名氣門排成2列，同名氣門排成1列同名氣門排成一列驅動方式一根凸輪軸驅動前者：1根凸輪軸和T型桿驅動；后者：兩根凸輪軸分別用2根凸輪軸驅動同名氣門優(yōu)缺點氣道結構簡單，利于缸蓋冷卻充氣效率高，有利于改善排放充氣效率更高，排放性能好，降低油耗代表車型貨車發(fā)動機多數(shù)新款轎車寶來1.8T相鄰氣門共用一個氣道進排氣門交替排列每缸4氣門排列方式每缸4氣門驅動方式返回6、氣門間隙氣門間隙：為保證氣門關閉嚴密，通常發(fā)動機在冷態(tài)裝配時，在氣門桿尾端與氣門驅動零件（搖臂、挺柱或凸輪）之間留有的間隙。適當熱態(tài)下，氣門及其傳動件的受熱膨脹勢必引起氣門關閉不嚴，造成發(fā)動機在壓縮和做功行程中的漏氣，從而使功率下降，嚴重時甚至不易啟動。無或過小過大使傳動零件之間以及氣門和氣門座之間產(chǎn)生撞擊聲，而且加速磨損；同時氣門開啟持續(xù)時間減少，氣缸的充氣及排氣情況變壞。氣門桿搖臂氣門間隙氣門間隙進氣門0.25~0.30mm排氣門0.30~0.35mm為何排氣門間隙大于進氣門間隙？采用液壓挺柱的配氣機構不需要留氣門間隙。氣門間隙氣門間隙氣門間隙作用：給熱膨脹留有余地

保證氣門密封返回7、常用氣門頂置配氣機構的類型氣門頂置，下置凸輪軸（OHV）氣門頂置，上置凸輪軸（OHC）氣門頂置，雙搖臂，上置凸輪軸（OHV/OHC）氣門頂置，上置雙凸輪軸（OHV/DOHC）具體形式示例：頂置氣門成單列排列頂置氣門成雙列排列進氣門和排氣門不在同一條直線上，凸輪驅動氣門要通過搖臂中置凸輪軸頂置氣門布置方式凸輪軸中置氣門頂置返回二、配氣定時1、配氣定時工作原理2、可變配氣定時典型機構返回1、配氣定時工作原理①基本概念②理論上的配氣相位分析③實際的配氣相位分析④演示及結論①基本概念配氣定時：進、排氣門的實際開閉時刻。配氣相位：用曲軸轉角表示的進、排氣門的實際開閉時刻和開啟的持續(xù)時間。②理論上的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)時間都是曲軸轉角180°。但實際表明，簡單配氣相位對實際工作是很不適應的，它不能滿足發(fā)動機對進、排氣的要求。進飽排凈？原因：①氣門的開、閉有個過程開啟總是由小→大，關閉總是由大→小

②氣體慣性的影響隨著活塞的運動

同樣造成進氣不足、排氣不凈③發(fā)動機速度的要求實際發(fā)動機曲軸轉速很高，活塞每一行程歷時都很短，當轉速為5600r/min時一個行程只有60/（5600×2）=0.0054s，就是轉速為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。③實際的配氣相位分析a、氣門早開晚閉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，排氣門晚關可使廢氣排得更凈一些。氣門具有早開晚關的可能，那么氣門早開晚關對發(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：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：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。b、氣門重疊氣門重疊角：由于進氣門早開，排氣門晚關，勢必造成在同一時間內兩個氣門同時開啟。把兩個氣門同時開啟時間相當?shù)那S轉角叫作氣門重疊角。氣門疊開角：氣門同時開啟的角度（

+

）。排氣過程進氣過程氣門疊開的后果？在這段時間內，可燃混合氣和廢氣是否會亂串呢？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；進氣門附近有降壓作用，有利于進氣。不會！為什么？C、進、排氣門的實際開閉時刻和延續(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，進氣行程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°

所以進氣過程曲軸轉角為230°～290°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40°～80°，活塞越過下止點后δ角排氣門關閉，δ一般為10°～30°整個排氣過程相當曲軸轉角：180°+γ+δ。

γ-排氣提前角一般γ=40°～80°

δ-進氣延遲角一般δ=10°～30°

所以排氣過程曲軸轉角為230°～290°氣門重疊角α+δ=20°～60°d、配氣相位

10°~30°

40°~80°

40°~80°

10°~30°上止點下止點④演示及結論結論：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，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、位置及配氣機構來保證。返回2、可變氣門機構可變凸輪相位

機械式諧波傳動可變配氣相位機構電磁、液壓控制可變配氣相位機構可變配氣相位和氣門升程機構多模式可變配氣相位機構三、配氣機構的零件和組件氣門組

思考題氣門傳動組返回動畫工作原理1、氣門組組成：

要求：返回氣門組動作保證氣缸的密封。結構上如何保證？氣門、氣門導管、氣門座、氣門彈簧、彈簧座、鎖片、油封罩等零件組成。有的進氣門還設有氣門旋轉機構。結構要求：①氣門頭部與氣門座貼合嚴密；②氣門導管與氣門桿的上下運動有良好的導向；③氣門彈簧的兩端面與氣門桿的中心線相垂直，以保證氣門頭在氣門座上不偏斜；④氣門彈簧的彈力足以克服氣門及其傳動件的運動慣性力，使氣門能及時關閉，并保證氣門緊壓在氣門座上。返回1）氣門功用：工作條件：

性能要求：

結構要求：結構特點：進氣門570K~670K（鉻鋼或鉻鎳鋼）排氣門1050K~1200K（硅鉻鋼）頭部桿部

氣門頭部形狀

氣門錐角

氣門桿燃燒室的組成部分，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。進氣門600K~700K，排氣門800K~1100K。頭部承受氣體壓力、氣門彈簧力、傳動慣性力等，冷卻和潤滑條件差，被氣缸中燃燒生成物中的物質所腐蝕。強度和剛度大、耐熱、耐腐蝕、耐磨為保證發(fā)動機換氣充分，要求氣門有盡可能大的通過能力。氣門打開時，新鮮空氣或排出廢氣從氣門升起后形成的圓臺面積流過。增加氣門直徑,加大氣道喉口直徑、增加氣門升程和減小氣門錐角等都可以增加氣門流通面積，提高換氣效率。返回①氣門頭部的結構形式結構簡單，制造方便，吸熱面積小，質量也較小，進、排氣門都可采用。又稱凸頂式，適用于排氣門：因為其強度高，排氣阻力小，廢氣的清除效果好，但球形的受熱面積大，質量和慣性力大，加工較復雜。又稱凹頂式，

凹頂頭部與桿部的過渡部分具有一定的流線形，可以減少進氣阻力，但其頂部受熱面積大，故適用于進氣門，而不宜用于排氣門。排氣門桿部充液態(tài)鈉，在密封錐面和尾部堆焊合金，以耐磨.由于發(fā)動機工作時，排氣門經(jīng)常處于高溫條件下工作，鈉約在970℃時為液態(tài)，具有良好的熱傳導能力。通過液態(tài)納的來回運動,熱量能很快從氣門頭部傳到根部，可降低溫度約l00℃。這樣有利于降低混合氣自燃的危險，從而握高了氣門的使用壽命。

在維修發(fā)動時，進、排氣門不能修整，只允許研磨。捷達l.6L發(fā)動機排氣門內部注有鈉。視頻進氣門排氣門h1h2

氣門頭部直徑氣門頭部直徑越大，氣門口通道截面就越大，進、排氣阻力就越小。通常進氣門頭部直徑大于排氣門。另外，排氣門稍小些，還不易變形。h1<h2返回②氣門錐角氣門錐角：錐角作用：裝配前應將密封錐面研磨。邊緣應保持一定的厚度，1~3mm。氣門頭部與氣門座圈接觸的錐面與氣門頂部平面的夾角。A、獲得較大的氣門座合壓力，提高密封性和導熱性。B、氣門落座時有較好的對中、定位作用。C、避免氣流拐彎過大而降低流速。氣門錐角的大小進氣門：一般為30°，原因是在相同氣門升程情況下，錐角小時進氣阻力??；但由于頭部邊緣較薄，剛度差，密封性及導熱性均差。排氣門：一般為45°，因其熱負荷較大。返回③氣門桿圓柱形，在氣門導管中不斷做往復運動。較高的加工精度，表面經(jīng)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：其形狀決定于彈簧座固定方式凹槽易斷裂處氣門桿彈簧座的固定形式凹槽（環(huán)槽）：安裝兩半錐形鎖片。鎖銷孔：用鎖銷固定。氣門彈簧座返回2）氣門導管作用：為氣門的運動導向，保證氣門直線運動兼起導熱作用。工作條件：工作溫度較高，約500K。潤滑困難，易磨損。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。倒角伸入深度應適量。錐度可減少氣流阻力。材料：用含石墨較多的合金鑄鐵或粉末冶金材料，能提高自潤滑作用。加工方法：外表面加工精度較高，內表面精鉸。裝配：氣門桿與氣門導管間隙0.05～0.12mm。

視頻防脫落結構:(1)一般外表面為無臺肩的圓柱形，如圖所示。其外表面加工精度較高，與缸蓋(體)過盈配合，以保證良好地傳熱和防止松脫。(2)帶凸臺和帶卡環(huán)的導管過盈量較小，因氣門彈簧下座將凸臺或卡環(huán)壓住，使導管軸向定位可靠，不致脫落。鋁合金缸蓋常用帶凸臺和卡環(huán)的導管，其過盈量較小，便于拆裝。返回3）氣門座氣缸蓋的進、排氣道與氣門錐面相結合的部位。氣門座合金鑄鐵、奧氏體鋼靠其內錐面與氣門錐面的緊密貼合密封氣缸。接受氣門傳來的熱量?？梢栽诟咨w或缸體上直接鏜出，也可以采用鑲嵌式結構。鑲嵌式結構氣門座都采用較好的材料（合金鑄鐵、奧氏體鋼等）單獨制作。作用：材料：氣門座圈： 以較大過盈量鑲嵌在氣門座上的圓環(huán)。鑲嵌式氣門座特點： 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。

汽油機：排氣門采用鑲嵌式氣門座，進氣門直接在缸蓋鏜 柴油機：進排氣門均采用鑲嵌式氣門座鋁合金氣缸蓋為何氣門座都要鑲嵌氣門座圈？視頻返回4）氣門彈簧功用：保證氣門的回位，使氣門與氣門座緊密貼合。材料：高錳碳鋼、鉻釩鋼氣門彈簧的裝配氣門彈簧氣門彈簧座鎖片氣門關閉保證氣門及時關閉、密封氣門開啟保證氣門不脫離凸輪提高彈簧自身剛度，改變其自振頻率圓柱形螺旋彈簧圓柱等螺距彈簧不等距彈簧隨著有效圈數(shù)的減少，自然頻率提高。氣門彈簧要避免發(fā)生共振（當工作頻率和自身頻率相等或成某一倍數(shù)時），主要措施有：不等距彈簧雙彈簧應用車型：奧迪100，捷達，桑塔納,廣州標致505雙彈簧布置旋向相反的兩個彈簧，防止斷裂的彈簧卡入另一彈簧，一根折斷后另一根可繼續(xù)工作雙彈簧返回5）氣門旋轉機構通過發(fā)動機運轉振動力作用，使氣門在氣門座上自由的做不規(guī)則的旋轉的裝置，其作用是：減小氣門頭部受熱變形，防止沉積物形成。鎖片鎖片彈簧座錐形套筒低摩擦型自由旋轉機構強制旋轉機構氣門彈簧支承板碟形彈簧殼體返回思考題1、氣門彈簧起什么作用？為什么在裝配氣門彈簧時要預先壓縮？2、氣門錐角有什么作用？返回2、氣門驅動組組成：凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂。功用：定時驅動氣門開閉，并保證氣門有足夠的開度和適當?shù)臍忾T間隙。凸輪挺柱推桿搖臂凸輪軸正時齒輪搖臂軸返回1）凸輪軸作用：工作條件：材料：結構：知識點：凸輪凸輪軸軸頸驅動分電器的螺旋齒輪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；保證氣門有足夠的開度。承受氣門間歇性開啟的沖擊載荷。耐磨，抗沖擊韌性，剛度。優(yōu)質鋼、合金鑄鐵、球墨鑄鐵凸輪輪廓、軸向定位及其驅動方式凸輪、軸頸、偏心輪、螺旋齒輪；每2氣缸一個軸頸；軸頸直徑前后依次減小；另有空心凸輪軸，如捷達EA113視頻①凸輪工作條件：承受氣門彈簧的張力，間歇性的沖擊載荷。凸輪性能：表面有良好的耐磨性，足夠的剛度、韌性。凸輪與挺柱線接觸，接觸壓力大，磨損快。②同名凸輪的相對角位置同一氣缸的進、排氣凸輪的相對角位置是與相應的配氣相位相對應的。四缸發(fā)動機凸輪投影點火順序：1—2—4—3③凸輪的輪廓凸輪輪廓應保證氣門的運動規(guī)律符合配氣相位的要求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④凸輪軸的軸向定位：目的：正時齒輪止推板隔圈（調節(jié)環(huán)）凸輪軸頸凸輪軸的軸向間隙氣缸體利用調節(jié)環(huán)控制軸向竄動竄動量為了防止凸輪軸在工作中產(chǎn)生軸向竄動和承受斜齒輪產(chǎn)生的軸向力。④凸輪軸的軸向定位（續(xù)）：止推軸承：第一軸承止推片：正時齒輪與第一軸頸之間止推螺釘：正時齒輪蓋上以上各結構中均應留有一定間隙，并可調整。止推片⑤凸輪軸的驅動A、齒輪傳動：應用在下置凸輪軸發(fā)動機。采用斜齒齒輪。⑤凸輪軸的驅動（續(xù)）B、鏈條和齒形皮帶傳動：鏈條傳動噪聲小，用于中置式或頂置式凸輪軸發(fā)動機。曲軸正時齒形帶輪中間軸齒形帶輪張緊輪凸輪軸正時齒形帶輪返回2）挺柱（1）作用：將凸輪的推力傳給推桿或氣門，并承受凸輪軸旋轉時所施加的側向力。（2）材料：鎳鉻合金鑄鐵或冷激合金制造，其摩擦表面經(jīng)熱處理后研磨。（3）挺柱的分類：菌式氣門側置式筒式氣門頂置式，減輕質量滾輪式減小摩擦所造成的對挺柱的側向力。多用于大缸徑柴油機。挺柱的旋轉為減少挺柱底面磨損和挺柱體圓周磨損均勻，凸輪工作表面設計成可讓挺柱工作時緩慢轉動的形式。方法：凸輪表面母線略微傾斜凸輪中線與挺柱中心線不重合。動畫菌式挺柱端面與凸輪的關系凸輪為何要成錐形？錐形凸輪挺柱受凸輪側向推力，產(chǎn)生一定傾斜，長期會造成挺柱與導管間的單面磨損及挺柱與凸輪間的不均勻磨損。因此將凸輪制成錐面，將挺柱底部制成球面，以使磨損均勻。由于存在氣門間隙，在高速運動時會產(chǎn)生較大的震動和噪聲，不適宜要求行駛平穩(wěn)和低噪聲的發(fā)動機。應用?液力挺柱結構：性能：挺柱體柱塞球形支座卡環(huán)柱塞彈簧單向閥單向閥架柱塞腔A挺柱體腔B進油口進油通道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。結構復雜，加工精度要求高，且磨損后無法調整，只能更換。應用與較高級轎車液力挺柱工作原理桑塔納發(fā)動機液壓挺柱工作示意圖氣門關閉時氣門打開時單向閥彈簧被壓縮返回動畫示意3）氣門推桿作用：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。強度要求高，盡量短。材料：硬鋁或鋼空心推桿實心推桿硬鋁推桿鋼支承返回4）搖臂功用：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。搖臂結構示意圖氣門間隙調節(jié)螺釘調節(jié)螺母搖臂搖臂軸套易磨損部位堆焊耐磨合金搖臂與搖臂軸搖臂結構示意圖搖臂比=1.2-1.8潤滑油道油槽潤滑