配气机构的功用及组成

3．1　配气机构的功用及组成

发动机配气机构的作用是按照发动机每个气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气（汽油机）或纯空气（柴油机）得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。

配气机构按气门布置形式可分为气门顶置式和气门侧置式；按凸轮轴布置形式分为凸轮轴下置式、中置式、上置式；按曲轴和凸轮轴的传动方式可分为齿轮传动式和链条传动式和同步带传动式；按每个气缸气门数可分为二气门式、四气门式、五气门式等。

3．1．1　充气效率

为了保证发动机每个气缸进气充分、排气彻底，要求气门具有尽可能大的通过能力。新鲜空气或可燃混合气被吸进气缸越多，则发动机发出的功率就越大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充气效率ηv来表示。所谓充气效率就是指在进气过程中，实际进入气缸的新鲜空气或可燃混合气的质量与在理想状态下完全充满气缸工作容积的新鲜空气或可燃混合气的质量之比。公式如下：（3—1）

式中，M为进气过程中，实际充入气缸的新鲜空气或可燃混合气的质量；

M0为理想状态下，完全充满气缸工作容积的新鲜空气或可燃混合气的质量。

充气效率ηv是衡量发动机换气质量的参数。充气效率越高，表明进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量越多，可燃混合气燃烧时可能放出的热量越大，发动机发出的功率也越大。对一定工作容积的发动机而言，充气效率与进气终了时气缸内的压力和温度有关。此时压力越高，温度越低，则一定容积的气体质量就越大，因而充气效率越高。由于进气系统对气流的阻力造成进气终了时缸内气体压力降低，又由于上一循环中残留在气缸内的高温废气，以及燃烧室、活塞顶、气门等高温零件对进入气缸内的新鲜气体加热，使进气终了时气体的温度升高，实际充入气缸的新鲜气体的质量总是小于在理想状态下充满气缸工作容积的新鲜气体的质量，即充气效率总是小于1，通常为0．80～0．90。因此对配气机构而言，要求其结构有利于减小进气和排气的阻力，进、排气门的开启时刻和开启持续的时间应适当，使进气和排气过程尽可能充分，使充气效率得以提高。

3．1．2　配气机构的布置型式

1．气门顶置式配气机构

气门顶置式配气机构是一种应用最广泛的配气机构形式，其进气、排气门都倒装在气缸盖上，凸轮轴装配在曲轴箱内（凸轮轴下置），如图3－1所示。其组成主要包括气门导管12、气门13、气门弹簧11、气门弹簧座10、摇臂轴8、摇臂9、气门推杆5、挺柱4、凸轮3和凸轮轴正时齿轮1等。发动机工作时，曲轴通过正时齿轮副驱动凸轮轴旋转，当凸轮轴转到凸轮的凸起部分顶起挺柱4时，通过气门推杆5和气门调整螺钉6使摇臂9绕摇臂轴8摆动，压缩气门弹簧，使气门离座，即气门开启。当凸轮凸起部分离开挺柱后，气门便在气门弹簧回复力作用下上升而落座，气门关闭。四冲程发动机的曲轴与凸轮轴的传动比为2∶1，即发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转两周，凸轮轴只旋转一周，各缸进、排气门各开启一次。

图3－1　气门顶置式配气机构

1－凸轮轴正时齿轮　2－气缸体　3－凸轮　4－挺柱　5－气门推杆　6－气门调整螺钉　7－锁紧螺母8－摇臂轴　9－摇臂　10－气门弹簧座　11－气门弹簧　12－气门导管　13－气门　14－惰轮　15－曲轴正时齿轮

气门顶置式发动机，由于燃烧室结构紧凑、工艺性好，充气阻力小，具有良好的抗爆性和高速性，易于提高发动机的动力性和经济性指标，因此目前国内外汽车发动机广泛采用气门顶置式配气机构。

一汽奥迪100、红旗CA7220，捷达、奥迪A6、宝来、高尔夫、上海桑塔纳、大众波罗、二汽神龙富康和天津夏利等轿车及解放CA1091、东风EQ1090E型载货汽车发动机均采用气门顶置式配气机构。

捷达王型轿车EA113型发动机气门顶置式配气机构的布置（凸轮轴上置），如图3－2

图3－2　捷达王轿车EA113型发动机配气机构零件图

1－排气凸轮轴　2－进气凸轮轴　3－传动链　4－液压链张紧器　5－气缸盖　6－排气门7－进气门　8－凸轮轴带轮　9－油封　10－液力挺柱

所示。发动机工作时，曲轴通过曲轴同步带驱动排气凸轮轴1，排气凸轮轴再通过传动链3驱动进气凸轮轴2，凸轮轴上的凸轮通过液力挺柱10控制气门的开闭，完成进气或排气行程。

2．气门侧置式配气机构

气门侧置式配气机构特点是进、排气门装在气缸体的一侧，如图3－3所示。气门3的开、闭由凸轮轴14上的凸轮通过挺柱12直接控制，省去了摇臂和摇臂轴、推杆等零件，简化了配气机构。但是由于气门布置在气缸体的一侧，使燃烧室的结构不紧凑，不利于压缩比的提高，同时由于进气弯道多，进气流动阻力增大，所以发动机的动力性较差。目前，这种型式的配气机构已被淘汰。

图3－3　气门侧置式配气机构

1－气缸盖　2－气缸垫　3－气门　4－气门导管　5－气缸体　6－气门弹簧　7－气缸壁8－气门弹簧座　9－锁销　10－调整螺钉　11－锁紧螺母　12－挺柱　13－挺柱导管　14－凸轮轴

3．1．3　凸轮轴的布置型式

凸轮轴的布置型式可分为下置、中置和上置三种型式。三者都可用于气门顶置式配气机构，而气门侧置式配气机构的凸轮轴只能下置。

1．凸轮轴下置式配气机构

凸轮轴由曲轴通过正时齿轮驱动，一般将凸轮轴布置在曲轴箱从底部偏向中部的位置，目的是尽可能缩短凸轮轴与曲轴之间的距离，此种结构称为凸轮轴下置式配气机构，如图3－1、图3－3所示。这种方案传动简单，一般都采用齿轮传动。

2．凸轮轴中置式配气机构

对于转速较高的发动机，为了减小气门传动机构的往复运动质量，通常将凸轮轴位置移至气缸体上部（相当于整个发动机的中部），由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，而省去推杆，由摇臂驱动气门，这种结构称为凸轮轴中置式配气机构，如图3－4所示。这种方案如仍采用齿轮传动，需要加中间齿轮（隋轮）。

图3－4　凸轮轴中置式配气机构

3．凸轮轴上置式配气机构

这种配气机构的凸轮轴布置在气缸盖上，凸轮轴可直接通过摇臂来驱动气门或凸轮轴直接驱动气门，如图3－5所示，它省去了推杆或同时省去推杆和挺柱等零件，使往复运动质量大大减小，因此它适用于高速发动机或强化发动机。捷达王型轿车装用的EA113型发动机即采用凸轮轴上置式配气机构（见图3－2）。进气凸轮轴2和排气凸轮轴1都通过液力挺柱分别驱动进气门7、排气门6。进气凸轮轴与排气凸轮轴分开安装后，有利于多气门布置。

图3－5　凸轮轴上置式配气机构

3．1．4　凸轮轴的传动方式

凸轮轴由曲轴驱动旋转，它们之间的传动方式有齿轮传动、链传动及同步带传动等几种。

1．齿轮传动

凸轮轴下置、中置式配气机构大多数采用圆柱正时齿轮传动。一般从曲轴至凸轮轴只需一对正时齿轮传动，必要时可加装中间齿轮。为了啮合平稳，减小噪声和磨损，正时齿轮一般都用斜齿轮并用不同材料制成，曲轴正时齿轮常用钢来制造，而凸轮轴正时齿轮则用铸铁或夹布胶木制成。为了保证装配时配气和点火正时，齿轮上都有正时记号，装配时必须使记号对齐。解放CA1091和东风EQ1090E型载货汽车的配气机构都采用齿轮传动。

2．链传动和同步带传动

链传动特别适合于凸轮轴上置式配气机构，如图3－6所示，但其主要问题是其工作可靠性和耐久性不如齿轮传动，它的传动性能主要取决于链条的制造质量。近年来在高速轿车（例如一汽奥迪100）发动机上还广泛采用同步齿形带代替传动链，同步齿形带可以驱动的单、双凸轮轴机构，如图3－7和3－8所示。这种传动对于减小噪声、减小结构质量与降低成本都有很大好处。一般同步齿形带用氯丁橡胶制成，中间夹有玻璃纤维以增加强度。一汽奥迪100和捷达，高尔夫、上海桑塔纳及天津夏利TJ7100型轿车的配气机构均采用同步带传动。

3．1．5　气门数目及排列方式

一般发动机都采用每缸两气门，即一个进气门和一个排气门的结构。为了进一步改善气缸的换气性能，在结构与性能允许的条件下，应尽量增大进气门的直径。当气缸直径较大，活塞平均线速度较高时，每缸一进一排的气门结构就不能保证良好的换气质量，因此，在很多中、高级新型轿车的发动机上普遍采用每缸多气门结构。如天津夏利TJ7100和日本丰田TOYOTA2E型汽车发动机采用每缸三气门结构；奔驰190E2．3L型发动机采用每缸四气门结构；捷达王轿车EA113型发动机采用每缸五气门结构（三个进气门、二个排气门），如图3－9所示。气门数目的增加，使发动机的进、排气通道的断面面积大大增加，提高了发动机的充气效率，改善了发动机的动力性能。

图3－6　链传动配气机构

1－挺柱　2－推杆　3－摇臂轴总成4－凸轮轴　5－曲轴　6－链条

图3－7　用同步齿形带驱动的单凸轮轴机构

1－凸轮轴　2－摇臂轴　3－曲轴4－张紧轮　5－同步带

图3－8　用同步齿形带驱动的双凸轮轴机构

1－凸轮轴　2－曲轴　3－张紧轮　4－同步轮

每缸采用两气门时，为了使结构简单，常将所有气门沿机体纵向轴线排成一列。这样相邻两缸同名气门就有可能合用一个气道，因此得到较大的气道通过截面；另一种方式是将进、排气门交替布置，每缸单独占用一个气道，这样有助于使气缸盖冷却均匀。柴油机中为避免进气受到预热而影响充气效率，把进、排气门分别置于气缸盖两侧。汽油机的进、排气道通常置于气缸盖的同一侧，利用排气歧管的废气热量对进气歧管进行预热。

当每缸采用四气门时，气门排列方式有两种。一种是同名气门排成两列，如图〔3－10（a）〕所示，由一根凸轮轴通过T形件同时驱动所有气门，但由于二个气门串联，会影响进气门充气效率且使前后两排气门热负荷不均匀。另一种是同名气门排成一列〔图3－10（b）〕，这种结构在产生进气涡流、保证排气门及缸盖热负荷均匀性等方面都具有相当的优越性，但一般需用两根凸轮轴。

图3－9　捷达王型轿车EAII3型　

发动机五气门的布置

图3－10　每缸四气门的布置

1—T形件　2－气门尾端的从动盘

3．1．6　气门间隙

在发动机处于冷态下，当进排气门处于关闭状态时，气门与传动件之间的间隙称为气门间隙（如图3－11）。发动机工作时，气门因温度升高而膨胀，如果气门与其传动件之间，在冷态时无间隙或间隙过小，则在热态下，气门及其传动件的受热膨胀势必会提前开启气门，而且会引起气门关闭不严，造成发动机在压缩和做功行程中漏气，功率下降，并使气门的密封表面严重积碳或烧坏，甚至气门撞击活塞。严重时甚至不易起动。为了消除这种现象，通常留有适当的气门间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。

然而气门间隙过大势必引起进、排气门开启迟后，缩短了进排气时间，降低了气门的开启高度，改变了正常的配气相位，使发动机因进气不足，排气不净而功率下降，此外，还使零件的撞击增加，磨损加快，同时在开启时产生较大的冲击响声。气门间隙的大小由发动机制造厂根据试验确定，一般在冷态时，进气门的间隙为0．25～0．30mm，排气门的间隙为0．30～0．35mm。为了能对气门间隙进行调整，在摇臂（或挺柱）上装有调整螺钉及其锁紧螺母（如图3－11）。

一些轿车上采用液力挺柱，液力挺柱的长度能自动调整，能在正常情况下自动调节气门间隙，因此不需预留气门间隙（图3－12）。