学习目标2：掌握发动机曲柄连杆机构和配气机构的组成与工作原理

1、学习目标2能够掌握发动机曲柄连杆机构和配气机构的组成与工作原理2.2 曲柄连杆机构曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部件。做功行程燃料燃烧产生的热能推动活塞往复运动，带动曲轴旋转运动转变为机械能，对外输出动力。进气、压缩和排气行程则依靠曲柄和飞轮的转动惯性，通过连杆带动活塞上下运动，为下一次做功创造条件。曲柄连杆机构主要由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。2.2.1 机体组 机体组是发动机的骨架，是发动机各机构和系统的安装基体。主要由气缸盖、气缸垫、气缸体和油底壳等部件组成，如图所示。1气缸体水冷发动机的气缸体与上曲轴箱制成一体。一般用灰铸铁制成，上部为圆柱形空腔，称

2、为气缸。下部为支撑曲轴的曲轴箱。气缸体内部铸有水套和润滑油道，另外铸有加强筋保证缸体的强度和刚度。（1）气缸体的分类 根据气缸体与油底壳安装平面的位置不同，可分为一般式气缸体、龙门式气缸体和隧道式气缸体三种，如图所示。一般式气缸体的曲轴回转中心线与安装油底壳的加工面位于同一高度。多用于中小型发动机。优点是加工方便、结构紧凑、机体高度小、重量轻和曲轴拆卸方便。缺点是刚度较差，前后端与油底壳结合处的密封性差。龙门式气缸体的曲轴回转中心线高于安装油底壳的加工面。优点是强度和刚度较大、密封可靠、维修方便和可承受较大的机械负荷。缺点是工艺性较差、结构较复杂和加工困难。隧道式气缸体的主轴承座孔为整体式。主

3、轴承座孔内装有滚动轴承，所以主轴承座孔比较大。主要用于负荷较大的柴油机。优点是强度和刚度大、主轴承的同轴度易保证。缺点是曲轴拆装不方便、工艺性差和加工精度要求高。（2）气缸套为提高发动机气缸的耐磨性，有些气缸体采用表面淬火或镀铬等方式。有的气缸体整体采用优质材料，但成本较高。目前广泛采用的是气缸体内镶入气缸套的结构。 气缸套由片状石墨铸铁并添加微量铬、钼和镍等元素离心铸造而成。优点如下：耐磨性好使用寿命长检修方便制造成本低等 气缸套根据是否与冷却水相接触可分为干式气缸套和湿式气缸套两种，如图所示。 干式气缸套外表面不与冷却水接触，壁厚一般为13mm，通常采用过盈配合。干式气缸套的强度和刚度较好

4、，但加工精度要求高，拆装不方便。湿式气缸套外表面与冷却水直接接触，壁厚一般为59mm，以微小的装配间隙放入气缸体内。通常以上部凸缘的下表面（图中红色圆圈处）为轴向定位，以与气缸体接触的外圆表面为径向定位。为防止漏水，缸套下部装有12个耐油、耐热橡胶密封圈。湿式气缸套装入气缸体后，其顶面一般高出气缸体0.050.15mm，紧固气缸盖螺栓后，可将气缸垫压的更紧，保证气缸的密封性。湿式气缸套散热好、缸体铸造方便并且易拆卸，但其强度和刚度不如干式气缸套，并且容易产生漏气、漏水现象。2气缸盖气缸盖的主要作用是封闭气缸上部，并与活塞顶部和气缸壁一起形成燃烧室。气缸盖内部有与气缸体相通的冷却水套、燃烧室、火

5、花塞座孔（汽油机）或喷油器座孔（柴油机）、进排气通道等。一般汽车采用整体式气缸盖。有些功率较大的柴油机为制造、维修方便和减少变形对气缸密封性的影响，采用单体式气缸盖。即每个气缸单独用一个汽缸盖，或者两个、三个气缸共用一个气缸盖。 汽油机的燃烧室由活塞顶部、气缸壁及气缸盖上的凹部空间组成。汽油机燃烧室常见形状有以下几种，如图所示。半球形燃烧室结构紧凑，散热面积小，火花塞布置在燃烧室中央，火焰传播距离较短，热效率高，有利于排气净化。但配气机构比较复杂。楔形燃烧室结构简单，散热面积小，热量损失少，能在压缩行程结束时形成挤气涡流，有利于提高可燃混合气质量。但火花塞置于楔形燃烧室高处，火焰传播距离较长。

6、盆形燃烧室燃烧速度快，热效率较高，制作工艺性好，成本低，便于维修。但进、排气效果比半球形燃烧室差。3气缸垫气缸垫的主要作用是保证气缸体与气缸盖结合面的密封。气缸垫因接触高温高压燃气、由气缸体流向气缸盖的冷却液和机油，并且需要承受拧紧气缸盖螺栓时造成的压力。所以气缸垫应具有足够的强度，并且有耐压、耐热和耐腐蚀的特性。另外为补偿气缸体顶面和气缸盖底面的粗糙度或不平整度，以及发动机工作时气缸盖受力出现的变形，气缸垫还需要有一定的弹性，如图所示。 气缸垫按所用的材料不同，可分为金属-石棉衬垫、金属-复合材料衬垫和全金属衬垫等。其中金属-复合材料衬垫和全金属衬垫均属无石棉气缸衬垫，因没有石棉夹层，可消除

7、衬垫中气囊的产生，也减少了工业污染，是当前的发展方向。4油底壳 油底壳的作用是储存机油和封闭曲轴箱，同时也起到使机油散热的作用，一般由薄钢板冲压而成。为保证发动机纵向倾斜时机油泵仍能吸到机油，油底壳中部或后部都比较深，并在最深处装有磁性放油螺塞，可吸附润滑油中的铁屑，减少发动机的磨损。有的油底壳内还装有挡油板，防止油面波动过大，如图所示。2.2.2 活塞连杆组 活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆盖、连杆轴瓦和连杆螺栓等组成，如图所示。1活塞 活塞的作用是承受气缸中的燃烧压力，并将此压力通过活塞销和连杆传递给曲轴。另外活塞还与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。活塞主要由顶部、头部和裙部

8、三部分组成，如图所示。 活塞顶部是燃烧室的组成部分，根据发动机燃烧室形状和压缩比大小的不同常制成不同的形状，有平顶、凸顶和凹顶等，如图所示。汽油机常采用平顶或凹顶式活塞，优点是散热面积小、制作工艺简单。二行程汽油机常采用凸顶式活塞。柴油机的活塞顶部常制成各种凹坑。 活塞头部是指活塞顶至最下面一道活塞环槽下端面之间的部分。活塞头部切有若干环槽，用来安装气环和油环。通常上面的23道环槽用于安装气环，下面的12道环槽用于安装油环。油环槽底部加工有回油孔或横向切槽，使油环从气缸壁上刮下来的多余机油流回油底壳，如图所示。 活塞裙部是指活塞头部以下的部分，其作用是引导活塞在气缸中作往复直线运动并承受侧压力

9、。发动机工作时，因气缸内高温高压气体压力的作用，活塞会产生弯曲变形。活塞受热后，因活塞销处的金属比较多，其受热膨胀量比其余各处大，会产生热膨胀变形。活塞在侧压力作用下会产生挤压变形。这几种变形的综合结果使活塞裙部在活塞销孔轴向方向的尺寸增大，如图所示。 为了使活塞在各种工况下均能与气缸壁间保持均匀的间隙，在制造时活塞裙部在竖直方向上常制成圆锥形，并且活塞裙部加工成椭圆形，使椭圆的长轴垂直于销坐孔轴线的方向。2活塞环活塞环按功能不同可分为气环和油环，如图所示。（1）气环气环的作用是保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸内的高温高压燃气窜入曲轴箱。并将活塞头部的热量传给气缸壁，再由冷却液或空气带走。同

10、时还有辅助刮油和布油的作用。一般发动机上每个活塞装有23道气环，汽油机一般采用2道气环，柴油机一般采用3道气环。 气环开有切口，具有弹性，在自由状态下外径略大于气缸直径，随活塞装入气缸后产生弹力紧贴在气缸壁上，形成第一密封面。少量气体窜入环槽后形成背压力作用在气环的背面，又能加强第一密封面的密封作用。同时进入侧隙的高压气体将活塞向下压紧到环槽下侧面上，形成第二密封面。 气环安装时注意将各道气环的切口相互错开，形成迷宫式封气装置，对气缸中的高压燃气进行有效密封。气环的开口形状对漏气量有一定影响。一般有直开口、阶梯形开口和斜开口三种，如图所示。直开口工艺性好，但密封性差；阶梯形开口密封性好，工艺性

11、差；斜开口的密封性和工艺性介于前两种开口之间，斜角一般为30或45。 气环的断面形状多种多样，根据发动机的结构特点和强化程度，选择不同断面形状的气环组合，可以得到更好的密封效果和使用性能。常见的气环断面形状如图所示。（2）油环 油环的作用是刮除气缸壁上多余的机油，经活塞环槽上的回油孔流回油底壳，并在气缸壁上涂布一层均匀的油膜，既可防止机油窜入燃烧室，又能减少活塞、活塞环与气缸壁的磨损，同时还有辅助密封的作用。油环的刮油作用如图（a）所示。 通常发动机上每个活塞装有12道油环。汽车发动机多采用组合油环，由上刮片、下刮片和产生径向、轴向弹力的衬环组成，如图（b）所示。3活塞销 活塞销的作用是连接活

12、塞和连杆，将活塞承受的气体压力传给连杆。现在汽车通常采用全浮式活塞销。即发动机运转时，活塞销能在连杆小头衬套孔和活塞销座孔内自由转动，既增加了实际活动接触面，又能减小活塞销的磨损。活塞销两端用弹性卡环固定，防止活塞销的轴向窜动。4连杆 连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆的组成连杆体连杆盖连杆螺栓连杆轴瓦等连杆体与连杆盖分为连杆小头、杆身和连杆大头。连杆小头用于安装活塞销以连接活塞，全浮式连杆的连杆小头内压有耐磨衬套。连杆杆身的横截面通常为工字形，刚度大，质量轻。 连杆大头与曲轴的连杆轴径相连。为便于安装，连杆大头常做成剖分式，上半部与杆身做为一体，

13、下部即为连杆盖，连杆大头通过连杆螺栓连接。连杆大头的切口有直切口和斜切口两种形式，如图所示。直切口多用于汽油机，斜切口多用于柴油机。 连杆轴承由上、下两片轴瓦对合而成，装在连杆大头孔内，作用是保护连杆轴颈。上下两个轴承的剖分面上制有定位凸键，防止连杆轴承在工作中发生转动或轴向移动。其内表面还加工有油槽，保证可靠的润滑。2.2.3 曲轴飞轮组 曲轴飞轮组由曲轴、飞轮、扭转减振器、曲轴皮带轮和正时齿轮等组成，如图所示。1曲轴 曲轴的作用是承受活塞连杆传来的气体压力，并将其转变成扭矩，然后通过飞轮输出，同时还用来驱动发动机的配气机构和压缩机等其它辅助装置。汽车发动机多采用整体式曲轴，主要由以下部分组

14、成：主轴颈连杆轴颈曲柄平衡重前端轴后端凸缘等 曲轴上一个连杆轴颈和其两端的曲柄及相邻的两个主轴颈构成一个曲拐。曲拐的数量和相对位置取决于发动机的气缸数、气缸排列形式和各缸的工作顺序。直列发动机的曲拐数等于气缸数，V型发动机和对置式发动机的曲拐数等于发动机气缸数的一半。 按主轴颈的数目不同，曲轴可分为全支承曲轴和非全支承曲轴。相邻两个曲拐间都有一个主轴颈的为全支承曲轴，否则为非全支承曲轴。如图所示。全支承曲轴刚度大且主轴颈的负荷相对较小，多用于柴油机和负荷较大的汽油机。非全支承曲轴长度短，结构和制造工艺简单，多用于中小负荷的汽油机。 曲轴轴承按其承载方向不同，分为径向轴承（主轴承）和轴向轴承（组

15、合止推轴承）。主轴承用于支承曲轴。 组合止推轴承除了用于支承曲轴外，还用于限制曲轴的轴向窜动。因为曲轴受热膨胀时会自由伸长，所以组合止推轴承只能设置在一处。2扭转减振器 扭转减振器的作用是消减曲轴的扭转振动。汽车发动机多采用橡胶扭转减振器和硅油扭转减振器等。3飞轮飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，如图所示。主要作用储存做功行程的部分能量，然后用于克服其他各行程的阻力，使曲轴均匀旋转。另外，飞轮还作为汽车传动系中摩擦离合器的主动盘。飞轮的外缘上镶有齿圈。发动机起动时，起动机上的齿轮与飞轮齿圈啮合，带动曲轴旋转。2.3 配气机构 配气机构的作用是按照发动机各个气缸所进行的工作循环和点火次序要求，按时开

16、启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气或空气能及时进入气缸，燃烧后的废气能及时排出气缸，使换气过程更为顺畅，保证发动机在各种工况下的工作性能。2.3.1 配气机构的组成1气门组 气门组的作用是实现气缸的密封，主要包括气门、气门导管、气门座圈和气门弹簧等部件，如图所示。（1）气门头部用于密封气缸的进、排气通道杆部为气门的运动导向 通常在气门内部注入金属钠，以改善气门的导热性能，钠在高于970时为液态，可将气门头部的热量传给气门杆。 气门头部根据外形不同可分为平顶、喇叭形顶和球面顶等，如图所示。平顶气门头部结构简单，吸热面积小，质量小，进、排气门均可采用。喇叭形顶头部与杆部的结合部分为流线形

17、，可减小进气阻力，但其受热面积大，多用于进气门，不宜用于排气门。球面顶头部的强度高，排气阻力小，适用于排气门，但其受热面积大，质量和惯性也比较大，加工困难。 气门头部与气门座圈接触的工作面是与杆部同心的锥面，该锥面与气门顶部平面的夹角称为气门锥角，气门锥角一般为45或者30，如图所示。为了保证良好的密封，气门头部与气门座圈的配合锥面在装配前要进行相互研磨，维修过程中要注意配对的气门与气门座圈的不能互换。 另外为了减小发动机的进气阻力，在进、排气门数量相等的情况下，进气门头部直径通常比排气门头部直径大。（2）气门座圈 气门座圈的作用是靠其内锥面与气门锥面紧密配合，密封气缸，同时也接收气门传来的热

18、量。有的发动机不单独做气门座圈，直接在气缸盖上把与气门配合的锥面加工出来。2气门传动组 气门传动组的作用是定时驱动气门开闭，并保证规定的开启时间和开启高度。主要包括凸轮轴、凸轮轴正时齿轮、挺柱、推杆、摇臂和摇臂轴等部件，配气机构的气门传动组如图所示。3气门间隙发动机工作时气门因温度升高而膨胀。如果气门及其传动件在冷态下无间隙或间隙过小，那么受热时气门及其传动件的膨胀会引起气门关闭不严，造成发动机在压缩行程和做功行程中漏气，使发动机功率下降。通常在发动机冷态装配时，在气门及其传动机构中留有一定的间隙，称为气门间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。为了能对气门间隙进行调整，在摇臂或挺柱上装有调节螺钉，如

19、图所示。 气门间隙的大小由发动机制造厂根据实验确定，一般在冷态时，进气门的间隙为0.250.35mm，排气门的间隙为0.300.35mm。如果间隙过大，则会使传动部件之间以及气门和气门座之间产生撞击，加速磨损。 目前大部分汽车发动机都装有液力挺柱，通过挺杆体腔内的油液泄漏及补充，不断自动调节挺杆的工作长度，从而保持气门正常工作而整个机构又没有间隙存在。解决了因有气门间隙而产生的冲击及噪音问题，同时不需要进行气门间隙的调整。液力挺柱结构如图所示。2.3.2 配气机构的布置型式 目前大多数汽车都采用气门顶置式配气机构，其进、排气门都装在气缸盖上。发动机工作时，曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴旋转，如图所

20、示。1凸轮轴的布置形式 气门顶置式配气机构的凸轮轴根据结构位置不同，可分为下置式、中置式和上置式。（1）凸轮轴下置式配气机构由于凸轮轴由曲轴通过正时齿轮驱动，为了缩短凸轮轴与曲轴之间的距离，将凸轮轴布置在曲轴箱内部，这种结构称为凸轮轴下置式配气机构。凸轮轴下置式配气机构的曲轴与凸轮轴距离较近，一般采用齿轮传动，有利于发动机的布置。但是气门与凸轮轴距离较远，对气门关闭的准确性和气门运动规律影响较大，不适用于高速发动机。（2）凸轮轴中置式配气机构 当发动机转速较高时，为了减小气门传动机构的往复运动质量，可将凸轮轴位置移到气缸体的上部，这种结构称为凸轮轴中置式配气机构。凸轮轴中置式配气机构多用于柴油

21、机。（3）凸轮轴上置式配气机构 凸轮轴上置式配气机构的凸轮轴布置在气缸盖上，凸轮轴通过摇臂驱动气门，或由凸轮轴直接驱动气门。凸轮轴上置式配气机构省去了挺柱和推杆，使往复直线运动质量大大减少，适用于高速强化的轿车发动机。2凸轮轴的传动方式曲轴通过正时齿轮带动凸轮轴旋转，曲轴与凸轮轴之间的传动方式有齿轮传动链传动同步齿形带传动等（1）齿轮传动 凸轮轴下置式、中置式配气机构曲轴与凸轮轴之间距离比较近，一般采取齿轮传动方式，如图2-48所示。 曲轴到中间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，减少磨损和噪音，正时齿轮一般采用斜齿轮并用不同材料制成。齿轮上都有正时标记，装配时必须使标

22、记对齐，才能保证配气正时的准确。（2）链传动 链传动式配气机构是曲轴通过链条驱动凸轮轴，如图所式。一般多用于凸轮轴上置的远距离传动。链传动的可靠性和耐久性不如齿轮传动，且噪声较大、造价高。为了在工作时链条具有一定的张力而不致脱链，通常装有导链板和张紧轮装置。（3）同步齿形带传动 同步齿形带传动与链传动的原理相同，只是将链轮改为齿轮，链条改为齿形带，如图所示。齿形带传动有结构质量小、噪声小和成本低等优点，目前在轿车上应用广泛。2.3.3 配气相位 配气相位是用曲轴转角表示的进、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环形图来表示，称为配气相位图，如图所示。理论上，

23、四冲程发动机的进气门应该在活塞运动到上止点时开启，活塞运到下止点时关闭。排气门应该在活塞运动到下止点时开启，活塞运动带上止点时关闭。进、排气时间各占180的曲轴转角。但实际情况并非如此，由于发动机转速很高，一个行程的时间极短，如四冲程发动机当转速为3000r/min时，一个行程时间只有0.01s，另外凸轮驱动气门开启还需要一段时间，所以气门全开的时间非常短。如此短的时间很难做到进气充分和排气彻底。为了改善换气过程，提高发动机功率，实际上发动机的气门开启和关闭并不恰在活塞的上、下止点，而是适当的提前开启和延迟关闭一定的曲轴转角，以延长进排气时间。1进、排气门配气相位在排气行程接近终了，活塞到达上

24、止点之前，进气门便开始开启，从进气门开启到活塞运动到上止点所对应的曲轴转角称为进气提前角。进气门提前开启的目的是保证进气行程开始时进气门达到最大开度，减小进气阻力，使新鲜空气能顺利进入气缸。进气行程活塞到达下止点后，再向上运动一段时间，进气门才关闭。从进气行程活塞下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角称为进气延迟角。进气门延迟关闭的目的是活塞到达下止点时，气缸内的压力仍低于大气压力，并且气流有一定的惯性，此时仍可以利用压力差和气流惯性继续进气。配气相位中，进气延迟角的大小对发动机性能的影响最大。 进气门持续开启时间内的曲轴转角为+180+。一般进气提前角为1030，进气延迟角为4080。在做功行程

25、接近终了，活塞到达下止点之前，排气门便开始开启。从排气门开启到活塞运动到下止点所对应的曲轴转角称为排气提前角。排气门提前开启的目的是当做功行程活塞运动到接近下止点时，气缸内还有0.300.50MPa的压力，此压力对做功已经没有太大的作用，但仍比大气压力高，可利用此压力使气缸内的废气快速的自由排出。当活塞运动到下止点时，气缸内只剩0.110.12 MPa的压力，使排气行程消耗的功率大大减少。另外高温废气的迅速排出，可以防止发动机过热。排气行程活塞运动到上止点后，再向下运动一段时间，排气门才关闭。从活塞运动到上止点到排气门关闭所对应的曲轴转角称为排气延迟角。排气门延迟关闭的目的是由于活塞运动到上止

26、点时，气缸内残余废气压力仍高于大气压，并且排气时气流有一定的惯性，仍可利用压力差和气流惯性继续把废气排放的更干净。排气门持续开启的时间内曲轴转角为+180+，一般排气提前角为4080，排气延迟角为1030。2气门重叠由于进气门在上止点前开启，排气门在上止点后才关闭，出现了在同一段时间内进、排气门同时开启的现象，这种想象称为气门重叠。进、排气门同时开启的曲轴转角+称为气门重叠角。由于新鲜空气和废气的流动惯性都比较大，只要气门重叠角设计的适当，就不会出现废气倒流入进气管或新鲜气体随废气流出的现象。2.3.4 可变气门正时技术1VTEC VTEC系统全称是可变气门正时和升程电子控制系统（Variable Valve Timing and Valve Lift Electronic Control S