以曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻及其开启的持续时间称为配气相位[图3.2、]。从进气门开启到活塞处于上止点所对应的曲轴转角称为进气提前角，用α表示。合理的配气相位由制造厂家根据发动机的性能要求，通过反复试验来确定的。表3.2所列为常见汽车发动机的配气相位参数。......
2023-08-23
汽车发动机配气机构的结构与原理
【摘要】：图3－1配气机构的结构凸轮轴顶置式配气机构；凸轮轴下置式配气机构气门组一般由气门、气门座、气门座圈、气门导管、气门油封、气门弹簧、气门弹簧座及气门锁片等组成，如图3－2 所示。气门杆与气门导管配合，为气门开启与关闭过程中的上下运动导向。由于气门传动组的形式不同，气门传动组的组成也不同。
在发动机工作的过程中，配气机构按照发动机每个气缸所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气（汽油机）或空气（柴油机）及时进入气缸，并及时从气缸中排出废气。
发动机的配气机构可分为气门组和气门传动组两部分，如图3－1 所示。
1.气门组
气门组在配气机构中相当于一个阀门，作用是准时接通和切断进、排气系统与气缸之间的通道。
图3－1 配气机构的结构
气门组一般由气门、气门座、气门座圈、气门导管、气门油封、气门弹簧、气门弹簧座及气门锁片等组成，如图3－2 所示。
1）气门
气门是燃烧室的组成部分，是气体进、出燃烧室通道的开关。其作用是封闭进、排气的通道。
气门由气门头部和气门杆两部分组成，如图3－3 所示。气门头部与气门座配合，其作用是密封气缸的进、排气通道；气门杆则主要为气门的运动导向。
（1）气门头部。气门头部由气门顶面和气门密封锥面组成。
图3－2 气门组的结构
①气门顶面。常见的气门顶面的形状主要有平顶、球面顶和喇叭形顶3 种形式，如图3－4所示。
图3－3 气门的结构
图3－4 气门顶面的形状
（a）平顶；（b）球面顶；（c）喇叭形顶
②气门密封锥面。气门密封锥面是气门头部与气门座圈接触的工作面，是与气门杆同一中心线的锥面。一般将这一锥面与气门顶部平面的夹角称为气门锥角，如图3－5所示，其通常为30°和45°。
一般情况下，气门锥角比气门座或气门座圈锥角稍小一些，目的是使二者不以锥面的全宽接触，这样可以有效地增加气门密封锥面的接触压力，加速磨合，并能切断和挤出二者之间的任何积垢或积炭，以保持锥面的良好密封性。
气门顶部边缘与气门密封锥面之间应有一定的厚度，一般为1～3 mm，以防止在工作中受冲击而损坏或被高温气体烧坏。
（2）气门杆。气门杆与气门导管配合，为气门开启与关闭过程中的上下运动导向。气门杆为圆柱形，发动机在工作时，气门杆不断地在气门导管中上下往复运动，而且润滑条件极为恶劣。因此，要求气门杆杆身与气门导管有一定的配合精度和耐磨性，气门杆杆身表面须经过热处理和磨光，气门杆杆身与头部之间的过渡应尽量圆滑，不但可以减小应力集中，还可以减小气流阻力。
图3－5 气门锥角
2）气门座
气缸盖上与气门密封锥面相贴合的部位称为气门座。如图3－6 所示，气门座可以直接在气缸盖上镗出，也可以用耐热钢、球墨铸铁或合金铸铁单独制成气门座圈，然后压入气缸盖或气缸体的相应孔中，后者称为镶嵌式气门座。
气门座圈是单独制成的零件，以一定的过盈压入气缸盖上的座孔中，其结构如图3－7所示。
图3－6 气门座的结构
图3－7 气门座圈
3）气门导管
气门导管的作用是对气门运动进行导向，保证气门作直线往复运动，使气门与气门座或气门座圈锥面能精确配合，此外，还将气门杆接收的热量部分传递给气缸盖。气门导管为圆柱形管，如图3－8 所示，其外表面有较高的加工精度。
气门导管是以一定的过盈量压入气缸盖上的气门导管座孔，以保证良好地传热和防止松脱。有的发动机气门导管用卡环定位，使气门弹簧下座将卡环压住，因此导管轴向定位可靠，如图3－9 所示。
图3－8 气门导管
图3－9 气门导管的定位示意
4）气门油封
气门油封装在气门导管上端，用于发动机气门导管的密封，是油封的一种。其可以防止机油进入燃烧室，如图3－10 所示。
气门油封是发动机气门组的重要零件之一，由于其在高温下与机油接触，因此需要采用耐热性和耐油性优良的材料。气门油封一般由外骨架和氟橡胶共同硫化而成，径口部装有自紧弹簧或钢丝，如图3－11 所示。
图3－10 气门油封的作用
图3－11 气门油封
5）气门弹簧
气门弹簧的作用是保证气门在关闭时，气门能紧密地与气门座或气门座圈贴合，并克服气门在开启时配气机构产生的惯性力，使传动件始终受凸轮控制而不相互脱离，同时防止气门在发动机振动时因跳动而破坏密封。
气门弹簧一般为等螺距圆柱形螺旋弹簧，如图3－12 所示。弹簧两端磨平，在安装时，须将气门弹簧的一端支承在气缸盖（或下气门弹簧座）上，另一端压靠在气门杆尾端的气门弹簧座上，弹簧座用锁片或锁销固定在气门杆的尾端。
当气门弹簧的工作频率与其固有的振动频率相等或为整数倍时，气门弹簧就会发生共振。共振将使配气定时遭到破坏，使气门发生反跳和冲击，甚至使弹簧折断。为防止共振的发生，可采取下列措施：
（1）采用双气门弹簧。在柴油机和高性能汽油机上广泛采用在每个气门安装两个直径不同，旋向相反的内、外弹簧的方式，如图3－13 所示。由于两个弹簧的固有频率不同，当一个弹簧发生共振时，另一个弹簧能起到阻尼减振作用。
图3－12 气门弹簧
图3－13 双气门弹簧
（2）采用变螺距气门弹簧。某些高性能汽油机采用的是变螺距气门弹簧，如图3－14所示。变螺距气门弹簧的固有频率不是定值，从而可以避免共振。
（3）采用锥形气门弹簧。锥形气门弹簧如图3－15 所示，其刚度和固有振动频率沿弹簧轴线方向是变化的，因此可以消除发生共振的可能性。
图3－14 变螺距气门弹簧
图3－15 锥形气门弹簧
6）气门锁片
气门锁片又称为气门锁夹，其用来固定气门弹簧座，通过弹簧的弹性实现弹簧座与气门杆同时往复运动的作用。
气门锁片呈空心倒椎台状，如图3－16 所示，内部有一道或多道凸缘与气门杆尾端的凹槽配合，以固定气门弹簧座。
2.气门传动组
气门传动组的作用是按规定的配气相位定时地驱动气门开、闭，并保证气门有足够的开度和适当的气门间隙。
由于气门传动组的形式不同，气门传动组的组成也不同。凸轮轴下置式配气机构的气门传动组主要由凸轮轴、挺柱、推杆和摇臂组等组成，如图3－17 所示；凸轮轴上置式配气机构的气门传动组主要由凸轮轴、凸轮轴正时齿形带轮、张紧轮、液压挺柱等组成，如图3－18 所示。
图3－16 气门锁片
图3－17 凸轮轴下置式配气机构的气门传动组
图3－18 凸轮轴上置式配气机构的气门传动组
1）凸轮轴
凸轮轴的作用是驱动和控制发动机各缸气门的开启和关闭，使其符合发动机的工作顺序、配气相位及气门开度的变化规律等要求。
凸轮轴主要由凸轮和轴颈组成，如图3－19 所示。凸轮分为进气凸轮和排气凸轮两种，用来驱动气门的开启与关闭；轴颈对凸轮轴起支承作用。
2）挺柱
挺柱的作用是将凸轮轴的推力传给推杆或气门杆，并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。挺柱常用的形式有普通挺柱和液压挺柱两种。
（1）普通挺柱可分为整体式挺柱和滚轮式挺柱两种。其中，整体式挺柱又分为菌形挺柱和筒形挺柱两种，如图3－20 所示。
图3－19 凸轮轴的结构
图3－20 普通挺柱
（a）菌形挺柱；（b）筒形挺柱；（c）滚轮挺柱
（2）液压挺柱如图3－21 所示。液压挺柱由挺柱体、油缸、柱塞、球形阀、补偿弹簧等组成，如图3－22 所示。采用液压挺柱消除了配气机构中的间隙，减小了各零件的冲击载荷和噪声，同时凸轮轮廓可设计得比较陡，使气门开启和关闭速度更快，从而减小进气、排气阻力，改善发动机的换气特性，提高发动机的性能。
图3－21 液压挺柱
图3－22 液压挺柱的结构
3）推杆
推杆处于挺柱和摇臂之间，其作用是将挺柱传来的运动和作用力传给摇臂。
在凸轮轴下置式配气机构中，推杆是一个细长的杆件，加上传递的力很大，所以极易弯曲。因此，要求推杆有较好的纵向稳定性和较大的刚度。图3－23 所示为推杆的3 种形式。为了减轻质量，推杆多采用空心钢管，并在两端焊有或镶有不同形状的端头。端头经过淬火和光磨，可增加其耐磨性。
4）摇臂组
摇臂组由摇臂、摇臂轴、摇臂轴支座及定位弹簧等组成，如图3－24 所示。摇臂通过摇臂轴支承在摇臂轴支座上，摇臂轴支座安装在气缸盖上。
（1）摇臂实际上是一个双臂杠杆，其作用是将推杆或凸轮传来的运动和作用力改变方向，并作用到气门杆端以推开气门。其中间有圆孔两边不等长的杠杆，如图3－25 所示，此杠杆两边的比值（称为摇臂比）为1.2～1.8，其中长臂一端用来推动气门，短臂一端制成螺纹孔，安装有气门间隙调整螺钉（使用液压挺柱的发动机没有），在调整螺钉上还带有锁紧螺母，以调整配气机构的气门间隙。摇臂与支架之间装有防止轴向移动的弹簧，轴的内孔用油管与主油道相通，以便供给润滑油。
图3－23 推杆的3 种形式
（a）钢管制成的实心推杆；（b）硬铝棒推杆；（c）钢管制成的空心推杆
图3－24 摇臂组
图3－25 摇臂
（2）摇臂轴的作用是支承摇臂。其为空心管状结构。
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