第4章 发动机之配气机构

第四章

配气机构

12/18/20231武汉大学动力与机械学院配气机构功用

按照发动机的工作顺序和工作循环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)或空气(柴油机)得以及时进入气缸，废气得以从气缸及时排除。12/18/20232武汉大学动力与机械学院充气效率

充气效率ηv=M/Mo

M：在进气行程中实际进入气缸内新气质量

Mo：在理想状态下，充满气缸工作容积的新气质量对充气效率的分析

ηv<1（一般为0.8~0.9）提高ηv方法

减少进气和排气阻力

，

进排气门的开启时刻和持续开启时间适当。12/18/20233武汉大学动力与机械学院组成气门组气门传动组凸轮轴挺柱推杆摇臂气门与气门座气门导管气门弹簧12/18/20234武汉大学动力与机械学院配气机构类型气门顶置式气门布置形式气门侧置式凸轮轴下置式凸轮轴布置位置凸轮轴中置式凸轮轴上置式齿轮传动式凸轮轴传动方式链传动式齿形带传动式12/18/20235武汉大学动力与机械学院摇臂驱动式气门驱动形式摆臂驱动式直接驱动式两气门式每缸气门数及其排列方式多气门式4气门5气门3气门12/18/20236武汉大学动力与机械学院凸轮轴下置凸轮轴中置气门顶置挺柱挺柱推杆摇臂摇臂12/18/20237武汉大学动力与机械学院下置凸轮轴式1、结构特点（1）凸轮轴装在曲轴箱内，而摇臂轴装在气缸盖上，两者相距较远，推杆较长。（2）凸轮轴距曲轴较近，两者之间采用正时齿轮传动。不利因素：凸轮轴与气门相距较远，动力传递路线较长，环节多，因此不适用于高速发动机。有利因素：简化曲轴与凸轮轴之间才传动装置，有利于发动机的布置。12/18/20238武汉大学动力与机械学院中置凸轮轴式配气机构结构特点为1、凸轮轴位于气缸体的上部2、推杆较短，运动惯性小。3、也可省去推杆，而由挺柱直接驱动摇臂。应用：适用于发动机转速较高时，可以减少气门传动机构的往复运动质量12/18/20239武汉大学动力与机械学院单上置凸轮轴(SOHCSingleOverHeadCamshaft

)气门顶置摇臂驱动液力挺柱摇臂驱动气门顶置12/18/202310武汉大学动力与机械学院凸轮轴上置气门顶置摆臂驱动摆臂支座摆臂支座气门间隙调整块12/18/202311武汉大学动力与机械学院凸轮轴上置式配气机构结构特点为1、凸轮轴位于气缸盖上。2、凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门，没有挺柱和推杆，使往复运动惯量大大减小，因此它适用于高速发动机。12/18/202312武汉大学动力与机械学院凸轮轴上置直接驱动挺柱体气门顶置12/18/202313武汉大学动力与机械学院4气门配气机构5气门配气机构双凸轮轴上置直接驱动气门12/18/202314武汉大学动力与机械学院配气机构工作过程

（1）气门打开：曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴旋转，凸轮轴上的凸起部分通过挺柱、推杆、调整螺钉，推动摇臂摆转，摇臂的另一端便向下推开气门，同时气门弹簧进一步压缩。（2）气门关闭：当凸轮的凸起部分的顶点转过挺柱以后，在气门弹簧张力的作用下，气门开度逐渐减小，直至最后关闭。12/18/202315武汉大学动力与机械学院配气相位的必要性

定义：用曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻和开启持续时间，称配气相位。1、因发动机转速高，气门开启的理论持续时间极短。例如四冲程发动机转速3000r/min时，一个行程时间只有0.01s。2、气门开启需要一个过程，气门全开时间就更短。在这样短的时间内，难以做到进气充分和排气干净，因此实际发动机的进、排气门都要早开和晚关，气门开启的持续角都大于1800。12/18/202316武汉大学动力与机械学院配气定时(配气相位)进气提前角α

：从进气门开到上止点曲轴所转过的角度.一般为100～300。进气迟后角β

：从进气行程下止点到进气门关闭曲轴转过的角度一般为400～800。目的1）利用缸内外的压力差继续进气：到下止点时，气缸内的压力仍低于大气压2）利用气流的惯性继续进气所以进气门适当晚关可使进气较充分。12/18/202317武汉大学动力与机械学院排气提前角γ

：从排气门开启到下止点曲轴转过的角度.一般为400～800。目的1）利用缸内外的压力差继续排气：排气门早开，气缸内300kPa～500kPa的压力，使气缸内的废气迅速地自由排出。2）减少排气冲程所消耗的功率：因排气门早开，废气先排出一部分，活塞到达下止点时，气缸内只剩约110kPa～120kPa的压力，使排气冲程所消耗的功率大为减少。

3）高温气体的早排，可以防止发动机过热。12/18/202318武汉大学动力与机械学院排气迟后角δ

：从上止点到排气门关闭曲轴转过的角度.一般为100～300。目的1）利用缸内外的压力差继续排气：因活塞到达上止点时，气缸内的压力仍高于大气压，可利用缸内外的压力差继续排气。2）利用废气流的惯性继续排气：因活塞到达上止点时，废气流还有一定的惯性，仍能继续排气。所以排气门适当晚关可使废气排得较干净。12/18/202319武汉大学动力与机械学院进排气行程

12/18/202320武汉大学动力与机械学院配气相位图

12/18/202321武汉大学动力与机械学院部分车型配气相位(°)车

型αβγδ奥迪A62.8L12423882.4L12363881.8L1638388帕萨特B51638388桑塔纳2000GSi224448GLi23444812/18/202322武汉大学动力与机械学院液压挺柱12/18/202323武汉大学动力与机械学院气门组

气门锁片上气门弹簧座气门弹簧气门油封气门导管排气门座进气门座排气门进气门12/18/202324武汉大学动力与机械学院气门组组成及要求组成：

气门、气门座、气门导管、气门弹簧，

有的进气门还设有气门旋转机构要求：气门头部与气门座贴合严密气门导管与气门杆导向良好气门弹簧两端与气门杆的中心垂直气门弹簧的弹力足够12/18/202325武汉大学动力与机械学院气门气门顶面气门锥面气门锥角气门锁夹槽气门尾端面12/18/202326武汉大学动力与机械学院气门传热气门密封锥面必须严密贴合：研磨气门与气门座圈；气门杆与气门导管配合间隙小：减少热阻。12/18/202327武汉大学动力与机械学院特殊气门中空气门杆气门减轻气门质量减小气门运动惯性力应用某些高度强化发动机充钠排气门冷却效果明显应用某些风冷和轿车发动机钠熔点：97.8℃

沸点：880℃充钠镶装硬合金镶装硬合金12/18/202328武汉大学动力与机械学院气门油封12/18/202329武汉大学动力与机械学院两气门进气门比排气门大减小进气阻力增大进气量

3气门2个进气门，1个排气门排气门比进气门大进气量有明显增加火花塞很难布置在中央对燃烧不利

每缸气门数12/18/202330武汉大学动力与机械学院

4和5气门现代高性能汽车发动机普遍采用每缸三、四、五个气门。其中尤以四气门发动机为数最多12/18/202331武汉大学动力与机械学院4气门5气门优点

进排气充分,发动机转矩和功率提高;

气门质量减轻,运动惯性力减小,有利提高转速;

火花塞布置在燃烧室中央,有利于燃烧

能明显增加进气量,比4气门还优越

3个进气门和2个排气门，排气门比进气门大缺点

发动机零件数量增多,制造成本增加

结构非常复杂,增加了燃烧室表面积,对燃烧不利12/18/202332武汉大学动力与机械学院气门间隙1、定义:

气门完全关闭时，气门杆尾端与气门驱动组零件之间的间隙。2、必要性：如果气门及其传动件之间，在冷态时无间隙，则发动机在热态，气门及其传动件的受热膨胀将引起气门关闭不严，造成发动机在压缩和作功行程中漏气，而使功率下降，严重时甚至不易起动。为此，在冷态时应该留气门间隙。3、气门间隙过大和过小的危害正常：冷态时，进气门0.25mm~0.35mm，排气门0.30mm～0.35mm。过大：（1）传动零件之间及气门和气门座之间产生撞击响声，并加速磨损。（2）使气门开启的持续时间减少，气缸充气和排气情况变坏。过小：热态下使气门关闭不严而发生漏气，导致功率下降，甚至烧坏气门。12/18/202333武汉大学动力与机械学院气门传动组

正时齿轮、凸轮轴、气门挺柱、推杆、调整螺钉和锁紧螺母、摇臂、摇臂轴、摇臂轴支架等组成12/18/202334武汉大学动力与机械学院凸轮轴结构凸轮轴正时齿形带轮凸轮轴油封半圆键4缸机凸轮轴凸轮轴的功用1、驱动和控制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变化规律等要求。2、驱动汽油泵、机油泵和分电器等。12/18/202335武汉大学动力与机械学院6缸机凸轮轴双上置凸轮轴排气凸轮轴进气凸轮轴轴颈偏心轮排气凸轮分电器驱动齿轮进气凸轮键槽12/18/202336武汉大学动力与机械学院

凸轮轴传动机构

适用于中置式和下置式凸轮轴定时齿轮圆柱螺旋齿轮曲轴定时齿轮中碳钢凸轮轴定时齿轮铸铁或夹布胶木啮合平顺、噪声低、磨损小齿轮传动机构适用于中置式和上置式凸轮轴链条滚子链装有导链板、张紧器和张紧轮

保持一定张紧度不产生振动噪声

链传动机构12/18/202337武汉大学动力与机械学院适用于上置式凸轮轴轿车发动机多采用伸长量小适合精确定时传动优点噪声小、质量轻、成本低、工作可靠、不需要润滑齿形带氯丁橡胶齿形带齿钢或铁基粉末冶金不能与水和机油接触容易跳齿保持一定张紧力张紧轮和张紧器齿形带传动机构12/18/202338武汉大学动力与机械学院齿轮传动链传动曲轴正时齿轮凸轮轴正时齿轮曲轴正时链轮凸轮轴正时链轮定时记号12/18/202339武汉大学动力与机械学院齿形带传动曲轴正时齿形带轮凸轮轴正时齿形带轮定时记号12/18/202340武汉大学动力与机械学院

凸轮轴工作

12/18/202341武汉大学动力与机械学院1、凸轮（1）凸轮的轮廓（2）结构：凸轮的轮廓保证气门开启和关闭的持续时间符合配气相位的要求。O为凸轮的中心，EA为凸轮的基圆，AB和DE为凸轮的缓冲段，BCD为凸轮的工作段。CODNEAMB12/18/202342武汉大学动力与机械学院（3）工作：当挺柱处于EA上时，气门处于关闭状态。当凸轮转至A点时，挺柱开始移动，在缓冲段AB内的某点M处消除气门间隙，气门开始开启，至C点时气门开度最大，而后逐渐关小，至缓冲段DE内的某点N时，气门完全关闭，此后，挺柱继续下落，出现气门间隙，至E点时挺柱又处于最低位置。CODNEAMB12/18/202343武汉大学动力与机械学院(4)同名凸轮的相对角位置凸轮轴上各缸进气(排气)凸轮，即同名凸轮的相对角位置与凸轮轴的转动方向、各缸的工作顺序和作功间隔角有关。直列四冲程发动机其同名凸轮间的夹角等于作功间隔角的一半，如四缸为900，六四缸为600，12/18/202344武汉大学动力与机械学院2、凸轮轴轴颈（1）作用：用来支承凸轮轴。（2）凸轮轴各道轴颈的直径有的相等，但也有的从前往后逐渐减小，以便于安装。12/18/202345武汉大学动力与机械学院（1）有的凸轮轴轴颈上有油孔。为一下置式凸轮轴的最后一道轴颈上钻一与轴平行的通孔。（2）有的凸轮轴轴颈上有油槽，摇臂的润滑是靠该油槽，通过缸体上的油道输送润滑油。12/18/202346武汉大学动力与机械学院

摇臂结构摇臂气门间隙调整螺钉缩紧螺母摇臂衬套摇臂(与液压挺柱联用)摇臂支点球座12/18/202347武汉大学动力与机械学院

摇臂工作12/18/202348武汉大学动力与机械学院可变配气技术VVT-i，丰田，吸引买主的法宝

VariableValve

Timing

with

intelligence中文翻译是“智能可变配气正时系统”。i-VTEC，本田，冲击市场的利器

Variable

ValveTiming

and

Valve

Lift

Electronic

ControlSystem中文意思是“可变