任务情境
一、任务描述
一辆丰田卡罗拉GL型轿车，进厂报修时的故障现象：发动机动力不足，经初步检查为气缸压力低，可能为配气机构故障，你的主管让你对配气机构进行拆检，你能完成吗？
二、任务提示
根据故障现象，气缸压力偏低，需要对气门组进行检查。
任务目标
一、知识目标
（1）能描述气门组的组成；
（2）能描述气门组的拆装步骤；
（3）能描述气门组的检修方法及数据。
二、能力目标
（1）能进行气门组的拆装；
（2）能进行气门组的检修。
必备知识
一、基本知识
1．气门组的组成
气门组主要由气门、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座、气门油封和气门锁片等组成，其作用是开启和封闭进、排气道，如图 3-2-1 所示。
图3-2-1 气门组
气门个数有2、3、4、5四种情况，目前主流的是 4 气门，有两个方面的原因：其一，相比2、3 气门，4气门的气门直径小，同材料的情况下质量会更轻，由于物体的惯性与质量成正比，因此4气门的运动惯性相对较小，从而会更加灵活，开启或关闭的角度也更精准；其二，5 气门的结构制造上会更复杂，对应的生产成本和维修保养费用也会增加，且气门越多，各气门孔之间的厚度会相应变薄，从而降低了气缸盖强度，因此4气门的应用较广泛。
2．进气门和排气门的比较
要想气缸内不断地发生“爆炸”，必须不断地输入新的燃料和及时排出废气，进、排气门在这过程中就扮演了重要角色。进、排气门是由凸轮控制的，适时地执行“开门”和“关门”这两个动作。为什么看到的进气门都会比排气门大一些呢？这是因为一般进气是靠真空吸进去的，排气是靠挤压将废气推出的，所以排气相对比进气容易。为了获得更多的新鲜空气参与燃烧，因而进气门需要大点，以获得更多的进气量，如图 3-2-2 所示。
图3-2-2 进、排气门的安装位置及其实物大小对比
3．气门的数量
如果发动机有多个气门，则能保证发动机高转速时进气量大且排气干净，发动机的性能也比较好。但是多气门设计较复杂，尤其是气门的驱动方式、燃烧室构造和火花塞的位置都需要进行精密布置，这样生产工艺要求高，制造成本自然也高，后期的维修也困难。所以气门数不宜过多，常见的发动机每个气缸有4个气门（2进2排），如图3-2-3所示。
4．配气相位
随着活塞的“进气、压缩、做功、排气”4 个行程运动，每个行程活塞推动曲轴旋转180°。配气相位就是用曲轴转角表示进、排气门的开闭时刻和开启持续时间，通常用相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转角来表示，这种图形称为配气相位图，如图3-2-4所示。
图3-2-3 一般发动机气缸有2进2排的气门
图3-2-4 配气相位图
理论上四冲程发动机的进气门应当在活塞处在上止点时开启，当活塞运动到下止点时关闭；排气门则应当在活塞处于下止点时开启，在上止点时关闭。进气时间和排气时间各占 180°曲轴转角。但是实际发动机的曲轴转速都很高，活塞每一行程历时都很短。例如，上海桑塔纳轿车发动机，在最大功率时的转速为 5 600 r/min，一个行程历时仅为0.005 4 s。这样短时间的进气和排气过程，往往会使发动机充气不足或排气不干净，从而使发动机功率下降。因此，现代发动机都采取延长进、排气时间的方法，即气门的开启和关闭的时刻并不正好是活塞处于上止点和下止点的时刻，而是分别提前或延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而改善发动机的动力性。
（1）进气门的配气相位。
在排气行程接近终了，活塞到达上止点之前，即曲轴转到活塞处于上止点位置还差一个角度 α 时，进气门便开始开启，此角度称为进气提前角。直到活塞过了下止点又重新上行，即曲轴转到超过活塞下止点位置以后一个角度 β 时，进气门才关闭，此角度称为进气迟闭角。进气提前角一般为 10°～30°，进气迟闭角一般为 40°～80°。这样，在整个进气过程中，进气门开启持续时间的曲轴转角，即进气持续角为 180°＋α＋β，如图 3-2-5 所示。
进气门早开晚关的目的是为了保证进气行程开始时进气门已有一定开度，在进气行程中获得较大进气通道截面，使新鲜气体能顺利地充入气缸。当活塞到达下止点时，气缸内压力仍低于大气压力，在压缩行程开始阶段，活塞上移速度较慢的情况下，仍可以利用气流较大的惯性和压力差继续进气，因此进气门晚关有利于充气。发动机转速越高，气流惯性越大，此时迟闭角应取大值，以充分利用进气惯性充气。
（2）排气门的配气相位。
在做功行程接近终了，活塞到达下止点前，排气门便开始开启，提前开启的角度γ称为排气提前角，一般为 40°～80°。经过整个排气行程，在活塞越过上止点后，排气门才关闭，排气门关闭的延迟角δ称为排气迟闭角，一般为 10°～30°。这样，在整个排气过程中，排气门开启持续时间的曲轴转角，即排气持续角为 180°γδ++，如图 3-2-6 所示。
图3-2-5 进气门配气相位
图3-2-6 排气门配气相位
排气门早开晚关的目的主要是利用排气过程后期，当做功行程接近下止点时，气缸内的气体仍有300～500 kPa的压力，但就活塞做功而言，作用不大，这时若稍开启排气门，大部分废气在此压力作用下可高速从缸内排出，以减小排气行程消耗的功。排气迟闭角主要是利用排气气流惯性排出更多的废气。当活塞到下止点时，气缸内压力大大下降（为 110～120 kPa），这时排气门的开度进一步增加，从而减少了活塞上行时的排气阻力。高温废气的迅速排出，还可以防止发动机过热。当活塞到达上止点时，燃烧室内的废气压力仍高于大气压力，加之排气时气流有一定惯性，所以排气门迟闭，可以使废气排放得较干净。此外，在采用废气涡轮增压的发动机上，废气的能量还可以得到回收利用。
（3）气门重叠。
同一气缸的工作行程顺序是排气行程后，接着便是进气行程。因此，在实际发动机中，在进、排气行程的上止点前后，由于进气门在上止点前即开启，而排气门在上止点后才关闭，这就出现了在一段时间内排气门与进气门同时开启的现象，这种现象称为气门重叠，重叠的曲轴转角αδ+称为气门重叠角。由于新鲜气流和废气流的流动惯性比较大，在短时间内是保持原来的流动方向。因此，只要气门重叠角选择适当，就不会产生废气倒流入进气管或新鲜气体随同废气排出的可能性，这将有利于换气。但应注意，如气门重叠角过大，当汽油机小负荷运转，进气管内压力很低时，就可能出现废气倒流、进气量减少的现象。对于不同的发动机，由于结构形式、转速各不相同，因而配气相位也不相同。合理的配气相位应根据发动机性能的要求，通过反复试验确定。
因为一定的气门配气相位仅对应发动机的某一个特定的最佳工况，为了使配气相位能适应不同工况，所以越来越多的发动机上采用了可变气门正时，即可变气门相位的技术。有的发动机上还采用了可变气门升程的技术来进一步改善发动机性能。
二、基本技能
下面以丰田卡罗拉1ZR-FE发动机为例，介绍气门组的拆装及检修步骤。
（1）准备工作。
①防护装备：工作服、工作帽、手套、劳保鞋。
②实训设备：1ZR-FE 发动机一台或同类发动机。
③手工工具：拆装工具一套。
④量具：塞尺、游标卡尺、外径千分尺等。
⑤专用工具：气门拆装工具 SST 09202-70020、09202-00010，气门油封安装工具SST 09201-41020。
⑥材料准备：翼子板布和前格栅布、三件套、抹布、机油、汽油等。
（2）气门组的拆卸。
①拆卸气门杆盖。
如图 3-2-7 所示，从气缸盖上拆下气门杆盖。
图3-2-7 拆卸气门杆盖
提示：按正确的顺序摆放拆下的零件。
②拆卸进气门，如图 3-2-8～3-2-10 所示。
图3-2-8 安装专用工具
图3-2-9 拆下气门座圈锁片
图3-2-10 分别拆下弹簧座圈、气门弹簧和气门
a.用 SST（SST 09202-70020、09202-00010）和木块压缩并拆下气门座圈锁片。
提示：按正确的顺序摆放拆下的零件。
b.拆下弹簧座圈、气门弹簧和气门。
提示：按正确的顺序摆放拆下的零件。
③拆卸排气门。
参照拆卸进气门的方法拆下排气门。
提示：按正确的顺序摆放拆下的零件。
④拆卸气门杆油封。
如图 3-2-11 所示，用尖嘴钳拆下油封。
⑤拆卸气门弹簧座。
如图 3-2-12 所示，用压缩空气和磁棒，吹入空气以拆下气门弹簧座。
图3-2-11 拆卸气门杆油封
图3-2-12 拆卸气门弹簧座
⑥气门组的清洁。
a.用铲刀清除气门上的积炭，如图 3-2-13 所示。
b.用硬质毛刷再次清除气门上的积炭，如图 3-2-14 所示。
图3-2-13 用铲刀清除气门上的积炭
图3-2-14 用硬质毛刷清除气门上的积炭
c.用煤油清洗气缸盖、凸轮轴、气门弹簧座、气门、气门弹簧、气门锁片，如图3-2-15所示。
图3-2-15 清洗气缸盖、凸轮轴等
（3）气门组的检测。
①气门座检查，如图 3-2-16～3-2-18 所示。
图3-2-16 气门锥面涂上颜色
图3-2-17 气门座检查
a.在气门锥面上涂抹一薄层普鲁士蓝（或其他颜色）。
b.使气门锥面轻压气门座。
c.按下列步骤检查气门锥面和气门座。
步骤一：如果整个 360° 气门锥面均出现普鲁士蓝，则气门锥面是同心的，否则应更换气门。
步骤二：如果整个 360° 气门座均出现普鲁士蓝，则气门导管和气门锥面是同心的，否则应重修气门座表面。
步骤三：检查并确认气门座接触面是否在气门锥面的中部，气门座接触带宽度为 1.0～1.4 mm。
②气门弹簧检查。
a.如图 3-2-19 所示，使用游标卡尺，测量气门弹簧的自由长度。
图3-2-18 气门座宽度
自由长度为 53.36 mm（2.100 8 in），如果自由长度不符合规定，则更换气门弹簧。
b.如图 3-2-20 所示，用钢角尺测量气门弹簧的偏移量。
图3-2-19 检查气门弹簧的自由长度
图3-2-20 检查气门弹簧的偏移量
最大偏移量为 1.0 mm（0.039 4 in），如果偏移量大于最大值，则更换气门弹簧。
③进气门检查。
a.如图 3-2-21 所示，用游标卡尺测量气门的总长。
图3-2-21 测量气门总长
标准总长为 109.34 mm（4.304 7 in），最小总长为 108.84 mm（4.285 0 in），如果总长小于最小值，则更换气门。
c.如图3-2-22所示，用螺旋测微器测量气门杆直径。
气门杆直径为 5.470～5.485 mm（0.215 4～0.215 9 in），如果气门杆直径不符合规定，则检查油膜间隙。
d.如图 3-2-23 所示，用游标卡尺测量气门头部边缘厚度。
图3-2-22 测量气门杆直径
图3-2-23 测量气门头部边缘厚度
标准边缘厚度为 1.0 mm（0.039 4 in），最小边缘厚度为 0.5 mm（0.019 7 in），如果边缘厚度小于最小值，则更换气门。
④排气门检查。
参照检查进气门方法检查排气门，数据如下：
标准总长为 108.25 mm（4.261 8 in），最小总长为 107.75 mm（4.242 1 in），气门杆直径为 5.465～5.480 mm（0.215 2～0.215 7 in），标准边缘厚度为 1.01 mm（0.039 8 in），最小边缘厚度为 0.5 mm（0.019 7 in），如果边缘厚度小于最小值，则更换气门。
（4）气门组的安装。
①安装气门弹簧座。
如图 3-2-24 所示，将气门弹簧座安装到气缸盖上。
图3-2-24 安装气门弹簧座
②安装气门杆油封。
a.如图 3-2-25 所示，在新油封上涂抹一薄层发动机机油。
图3-2-25 安装气门杆油封前涂抹机油
注意：安装进气门和排气门油封时应特别小心。例如，将进气门油封安装至排气侧或将排气门油封安装至进气侧，都会导致故障的发生。
提示：进气门油封为灰色，排气门油封为黑色。
b.如图 3-2-26 所示，用 SST（SST 09201-41020）压入油封。
图3-2-26 压入气门杆油封
注意：若不用 SST，会造成油封损坏或安装不到位。
③安装进气门。
a.如图 3-2-27 所示，在进气门的顶部涂抹足量发动机机油。
b.如图 3-2-28 所示，将气门、压缩弹簧和弹簧座圈安装到气缸盖上。
图3-2-27 气门顶部涂抹机油
图3-2-28 安装气门、压缩弹簧和弹簧座圈
注意：将原来的零件按照原来的组合安装到原位。
c.如图3-2-29所示，用 SST（SST 09202-70020、09202-00010）和木块压缩弹簧并安装2 个座圈锁片。
图3-2-29 安装气门弹簧座圈锁片
d.如图3-2-30所示，用塑料锤轻敲气门杆顶部以确保安装到位。
注意：不要损坏气门杆顶部和座圈。
④安装排气门，参照安装进气门方法安装排气门。
⑤安装气门杆盖。
如图3-2-31所示，在气门杆盖上涂抹一薄层发动机机油，将气门杆盖安装到气缸盖上。
图3-2-30 确保进气门安装到位
图3-2-31 安装气门杆盖
三、学习小结
（1）气门组主要由气门、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座、气门油封和气门锁片等组成，其作用是开启和封闭进、排气道。
（2）气门组的拆装步骤。
（3）气门组的检修方法及数据。
四、任务分析
在气门组拆检中，如果发现气门磨损严重，会造成气门漏气，应更换新件并按操作规范安装。
五、自我评估
1．填空题
（1）气门组主要由_________、_________、_________、_________、气门油封和_________等组成。
（2）气门组的作用是_________和_________进、排气道。
（3）配气机构的主要作用是根据发动机的工作情况，适时地_________和_________各气缸的_________、_________，以使新鲜混合气体及时充满气缸，废气得以及时排出气缸外。
（4）进、排气门是由_________控制的，适时地执行“开门”和“关门”这两个动作。
（5）为了获得更多的新鲜空气参与燃烧，_________需要大一点以获得更多的进气。
（6）进气是靠_________吸进去的，排气是_________将废气推出，所以排气相对比进气容易。
2．判断题
（1）在4气门发动机中一般排气门比进气门要大。（ ）
（2）清除气缸盖平面上的缸垫黏结物和气门上的积炭使用铲刀。（ ）
（3）清除燃烧室内的积炭用硬质毛刷。（ ）
（4）为了更好地清洁气缸盖、凸轮轴、气门弹簧座、气门、气门弹簧、气门锁片，最好使用干净的发动机机油。（ ）
（5）测量各气门的全长应使用百分表。（ ）
（6）测量气门杆直径时应使用游标卡尺，如果测量值小于标准值时，应更换气门。（ ）
3．选择题
（1）关于安装气门的大部分零件，要求涂抹一薄层（ ）。
A．发动机机油 B．清洁的水 C．汽油 D．肥皂水
（2）关于气门开启时刻，下列说法正确的是（ ）。
A．进气门关闭后排气门才能打开
B．排气门与进气门可能同时开启
C．排气门与进气门不可能同时开启
D．都不正确
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