河农大汽车拖拉机学课件01发动机部分-3配气机构

第三章配气机构第一节气门式配气机构的布置及传动第二节配气相位第三节配气机构的零件和组件第四节新应用第五节思考题第三章配气机构功用：按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和发火次序要求，定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气（汽油机）或空气（柴油机）得以及时排出。

M----进气过程中，实际充入气缸的新气质量就配气机构而言，提高充气效率，主要是要求有利于减小进气和排气的阻力，而且进、排气门的开启时刻和持续开启时间比较适当，使吸气和排气却尽可能充分。

返回结束第一节气门配气机构的布置和传动1.1气门配气机构包含气门组和气门传动组。1.2分类

(1)按气门布置型式（气门顶置式、气门中置式、气门侧置式）

(2)按凸轮轴的布置位置（凸轮轴下置式和凸轮轴中置式及凸轮轴上置式

(3)按曲轴和凸轮轴的传动方式（齿轮传动式、链条传动式、齿条传动式）

(4)按气缸门数目（二气门式、四气门式）返回结束1.2.1气门的布置型式（1）气门顶置式配气机构特点优点：有较高的动力性，应用广泛。缺点：主要是气门和凸轮轴相距较远，因气门的传动零件较多，结构比较复杂。使发动机的高度有所增加。特点优点：凸轮轴、曲轴、气门相较近，配气机构的传动机构比较简单。气缸盖的形状得以简化，制造方便，发动机造价降低，使用维修方便。缺点：由于气门顶置在气缸的一侧，使燃烧室结构不紧凑，限制了压缩比的提高。此外，由于进气道拐弯多，进气流动阻力大。发动机的动力性和高速性较差。因此趋于淘汰。

返回结束（2）气门侧置式配气机构1.2.2凸轮轴的布置型式分下置、中置、上置。气门侧置的配气机构只能下置，凸轮轴下置和中置的配气机构中的凸轮轴位于曲轴箱中部，见图3-1中置结构的特点：凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂而省去挺杆。上置的结构特点：凸轮轴不置在气缸盖上。1凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门。传动结构没有挺柱、推杆。适用于高速发动机。2凸轮轴直接驱动气门，往复运动质量最小，对凸轮轴和气门弹簧设计的要求也最低，因此，特别适用于高速强化发动机。(1)由曲轴到凸轮轴的传动方式有（齿轮传动、链传动、齿形带传动{橡胶齿条}）(2)凸轮轴下置、中置的配气机构采用圆柱形正时齿轮传动(3)凸轮轴上置的配气机构多采用链条与链轮的传动。1.2.4每缸气门数及其排列方式二气门式、四气门式（混合气形成和燃烧较好，而且使气缸盖的布局也较合理）单缸多气门，多缸气门在一条直线上。每缸四气门的布置及驱动如图。

1.2.3凸轮轴的传动方式返回结束3.1定义

在发动机冷态装配时，在气门及其传动结构中，留有适当间隙，以补偿气门受热后的膨胀量，这一间隙称为气门间隙。3.1.1气门间隙大小：一般在冷态时，进气门间隙0.25~0.3mm,排气门间隙为0.3~0.35mm。(1)间隙过小：发动机在热态下可能发生漏气，导致功率下降，甚至气门烧坏。(2)间隙过大：则使发动机零件之间及气门和气门座之间将产生撞击

3气门间隙返回结束第二节配气相位

一、配气相位

进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对于上下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表示。这种图形称为配气相位图。返回结束二气门重叠角在上述那样短时间的进气或排气过程，往往会使发动机的充气不足或排气不净，从而使发动机的功率下降。因此，现代发动机采取延长进、排气时间的方法即：气门的开启和关闭并不正好是曲拐处在上止点和下止点的时刻，而是分别提前和延迟一定气门重叠角，以改善进、排气状况，从而提高发动机的动力性。一段时间内，排气门和进气门同时开启的现象，这种现象称为气门重叠。重叠的曲轴转角称为气门重叠角。第三节配气机构的零件和组件一气门组：包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧。如图所示

要求：1.密封性

2.导管导向好

3.气门弹簧的两端面与气门杆的中心线垂直

4.弹簧的弹力足

5.开启时，对空气阻力小。(1)气门包括头部和杆部其头部结构型式如图3-12所示气门头部因工作温度很高，而且还要承受气体压力，气门弹簧以及传动组件惯性力，其润滑和冷却条件又教差，因此，要求气门必有足够的强度和刚度、耐热、耐磨能力。进气门的材料采用合金钢（铬钢或镍铬钢），排气门则采用耐热合金钢（硅铬钢等）。气门密封面的锥角，称为气门锥角。其结构如图3-13所示：返回结束气门头部结构型式返回结束气门组返回结束

气门锥角

返回结束(2)气门导管：功用主要起导向作用，保证气门和气门座正确贴合，还在气门杆与气缸体之间起导热作用。(3)气门座：（气门侧置时）直接镗出，它与气门头部共同对气缸起密封作用，并接受气门传来的热量。见图3-15

气门导管和气门座(4)气门弹簧：功用是克服在气门关闭过程中气门及传动性的惯性力，防止各传动件之间因惯性力的作用而产生间隙，保证气门及时落座并紧紧贴合，防止气门发动机振动时发生跳动，破坏其密封性。为此，气门弹簧应有足够的刚度和安装预紧力。返回结束气门导管和气门座返回结束二气门传动组

气门传动组：包括1.凸轮轴

2.正时齿轮

3.挺柱及导管

4.推杆

5.摇臂及摇臂轴等一凸轮轴

图3-18各凸轮轴的相对位置配置各缸进、排气凸轮，用以使气门按一定的工作顺序和配气相位及时开闭，并保证足够的升程。凸轮受到气门间歇性开启的周期性冲击载荷，因此凸轮表面要求耐磨，对凸轮轴要求足够的韧性和刚度。四缸四行程发动机的点火顺序为：1-2-4-3六缸四行程发动机的点火顺序为：1-5-3-6-2-4凸轮轴通常由曲轴通过一对正时齿轮驱动，为保证正确的配气相位和发火时刻，在装配曲轴和凸轮轴时，必须将正时记号对准，为防止曲轴轴向窜动，凸轮轴必有轴向定位装置。返回结束返回结束二挺柱：作用是将凸轮的推力传给推杆（或气门杆），并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。对于气门侧置式配气机构，其挺柱一般做成菌式；对于气门顶置式配气机构，其挺柱一般做成筒式。三推杆：作用是将凸轮轴经过挺柱传来的推力传给摇臂，是气门结构中最易弯曲的零件。四摇臂：实际上是一个双臂杠杆，用来将推杆上传来的力改变方向作用到气门杆端以推开气门。返回结束第四节新应用一小型千里马——马自达普利马二动力核心：普利马配置了日本马自达的1840ml顶置双凸轮轴四缸六气门多点燃油电子喷注的发动机，在6，000转的时候输出功率达到89kw，而最大扭矩也在4，000转时全数输出，具有良好的动力性能。此外，普利马还配备了三元催化器，废气排放达到欧洲11号标准。

AudiA4Avant三可靠的动力组合：发动机为一个十分可靠的动力组合，一台1.8升DOHC20气门4气缸涡轮增压发动机配合6前速自动Multitronic变速箱。其中，110Kw(150ps)功率输出和210Nm（21.4kg-m)扭矩性能表现在其它奥迪系中已得到大家称到，放在这里依然出色。极速达到216Km/h,0~100km/h也只需9.4s。四在奥迪系上日渐普及的6前速Multitronic变速箱，因结构紧密及使用镁合金作外壳，使到整体较传统5前速自动变速箱轻315kg,而且，功率损耗较少，也是其一大优点。返回结束新捷达王轿车发动机的5气门配气机构开始生产的新型发动机,迄今只有德国大众汽车公司设在欧洲的一个分厂和我国第一汽车集团公司大众发动机厂可以生产。该发动机最突出的特点是采用了5气门双顶置凸轮轴配气机构和德国Ｂｏｓｃｈ公司的发动机电子控制系统,性能优异,代表了世界发动机的最新技术水平。本文对ＡＨＰ发动机配气机构的结构和工作原理进行分析。1、采用5气门提高发动机充气效率配气机构是控制发动机进气和排气,完成换气过程的机构。换气过程的任务是排除发动机上一工作循环的废气,吸入下一工作循环燃烧所需的新鲜可燃混合气。换气过程进行情况的好、坏,直接影响发动机的动力性能、经济性能和排放性能。表征换气过程进行完善程度的一个极为重要的参数是充气效率ηｖ,它定义为实际进入气缸的新鲜充量与在进气状态下能够充满气缸工作容积的充量之比。充气效率增大,表明进入气缸的新鲜可燃混合气的量增加,气缸内的残余废气减少。这样,一旦燃烧,产生的热量必然增大,发动机的功率也就加大。在影响充气效率的诸多因素中,最主要的是进、排气系统的阻力。而在进、返回结束排气系统中,气门座是流通截面最小的地方,该处的局部阻力最大。因此在设计配气机构时,应尽可能布置较大尺寸的进、排气门。又因为进气阻力比排气阻力对充气效率的影响要大得多,所以进气门尺寸大于排气门尺寸。加大进、排气门直径受缸径的限制,因此在缸径一定的条件下,为获得较大的充气效率,降低气门处的流动阻力,需提高进、排气门面积与气缸的面积比。据此,ＡＨＰ发动机采用了5气门配气机构,ＡＨＰ发动机每缸有3个进气门和2个排气门。捷达轿车和新捷达轿车采用的ＡＢＸ发动机为2气门配气机构,进气门直径为38ｍｍ,排气门直径为30ｍｍ,气缸直径为81ｍｍ;进气门直径与缸径之比为0.469,排气门直径与缸径之比为0.407;进气门面积与气缸面积之比为0.220,排气门面积与气缸面积之比为0.166。而ＡＨＰ发动机气缸直径为81ｍｍ,进气门直径为27ｍｍ,排气门直径为30ｍｍ;进气门总面积与气缸面积之比为0.333,排气门总面积与气缸面积之比为0.274。ＡＨＰ发动机与ＡＢＸ发动机的技术参数对比见表1。返回结束返回结束两种机型相比较,由于ＡＨＰ发动机采用5气门配气机构,大大提高了进、排气门的流通截面,降低了进、排气系统的流动损失,提高了充气效率;也由于ＡＨＰ发动机采用了多点汽油喷射系统,从而在排量相同的情况下,提高了发动机的动力性。

2、双顶置凸轮轴配气机构一般2气门发动机的进、排气门都由同一根凸轮轴驱动。如ＡＢＸ发动机为四缸机,共有8个气门,由单顶置凸轮轴驱动。按照点火次序,相邻工作气缸的同名凸轮间保持一定的角相位差。ＡＨＰ四缸发动机共有20个气门,进气门和排气门分别由进气凸轮轴和排气凸轮轴驱动,两凸轮轴置于气缸盖上,称之为双顶置凸轮轴结构。ＡＨＰ发动机配气机构的结构如图1所示。在排气凸轮轴的前端装有凸轮轴正时齿轮,曲轴通过齿形皮带驱动排气凸轮轴。排气凸轮轴通过链轮和传动链驱动进气凸轮轴,传动链由液压链张紧器张紧。进气凸轮轴上有12个凸轮,相邻的3个凸轮为一组,驱动同一气缸的3个返回结束进气门。由于凸轮的型线完全相同,而且同一组凸轮在轴上的相对位置也完全相同,故同一气缸的进气门的升程曲线也是完全相同的,从而保证了同一气缸3个进气门开启和关闭的时间相同。而且在开启的各个时刻,其气门的开启程度相同,保证了气缸工作的可靠性。ＡＨＰ发动机的发火次序为1—3—4—2,则相邻工作气缸1—3—4—2缸的凸轮组间的角位置差为360°/4=90°。同理,排气凸轮轴上的8个凸轮,相邻的2个凸轮为一组,驱动同一气缸的2个排气门,每组凸轮间的角位置差亦为90°。双顶置凸轮轴机构,是实现5气门配气机构的技术关键。

3钠冷却排气门排气门是发动机中热负荷特别高的零件。由于高温气体以高速冲刷排气门头部,而热量从气门传出的条件又很差,所以排气门工作温度很返回结束高。这将影响材料的强度极限,影响气门的工作可靠性和寿命,也会导致汽油机混合气自燃而形成爆震。因此在排气门设计时,需着重考虑排气门的散热冷却,以降低其工作温度。气门的热传导途径主要有两条,一是通过气门传到气门座,二是通过气门杆传到气门导管,然后通过缸盖传到冷却液。气门与气门座间由于贴合紧密,温度梯度大,是传热的有效途径。气门杆与气门导管间的传热,却因在气门颈部、位于气门密封锥面母线延长线的地方,在气门开启时因高速高温废气扫过气门杆而产生热点,故气门头部的热量难以传到气门杆。钠冷却排气门正是为此而设计的。返回结束图2为ＡＨＰ发动机排气门的结构示意图。气门杆为中空结构,内部充注金属钠。钠在约970℃时为液态,具有良好的热传导能力。通过液态钠的来回运动,热量很快从气门头部传到气门杆,再通过气门导管传到缸盖,从而使气门头部的温度降低约100℃。由于排气门的内部充注了金属钠,故不允许将磨损报废的排气门随意处理,以防钠泄露引起事故。而应将报废的排气门锯开一个缺口后投入水桶中,金属钠与水接触,发生激烈的化学反应而燃烧。经过上述处理后的排气门方可作普通废品处理。返回结束4、结论捷达王、新捷达王轿车ＡＨＰ发动机的配气机构具有下述特点,从而使发动机具有较好的动力性和经济性,反映了当今世界发动机配气机构的最新技术水平。ａ.采用5气门配气结构,进气门总面积与气缸面积之比由2气门的0.220提高到0.333,排气门总面积与气缸面积之比由2气门的0.166提高到0.274,大大提高了进、排气门的流通截面,提高了充气效率。ｂ.双顶置凸轮轴的传动机构不仅减轻了运动件质量,提高了刚度,而且配气机构工作可靠,适于高速运转。ｃ.钠冷却排气门降低了排气门工作温度,提高了使用寿命。参考文献:[1]杨连生.内燃机设计[Ｍ].北京:中国农业机械出版社,1981.[2]一汽大众汽车有限公司.捷达1.6升5气阀汽油喷射发动机结构及功能[Ｚ].[3]吴森.捷达、捷达王轿车的结构与维修[Ｍ].武汉:湖北科技出版社,1999.收稿日期:1999-03-199中南汽车运输总第76期返回结束第五节本章复习思考题1.配气机构的功用是什么？顶置式气门配气机构和侧置式配气机构的特点、分别有哪些零件组成？2.为什么一般在发动机的配气机构中要留有气门间隙？气门间隙过大、过小有何危害？3.如何从一根凸轮轴上找出各缸的进、排气凸轮和该发动机的发火顺序？4.气门传动组和气门组分别有那些零件组成，其结构如何？5.捷达王、新捷达王轿车ＡＨＰ发动机的配气机构具有什么特点？返回结束3.4起动时（冷起动）发动机在外力驱动下，转速较低（只有100r/min左右），因此，化油器中的空气流速非常低，不能使汽油得到良好的雾化，其大部分呈较大的油粒状态。特别是在冷态下，这种油粒附在进气管上，不能及时随气流进入气缸内，从而使气缸内混和气过稀，以致无法燃烧。为此要求化油器供给的混和气是极浓的混合气（过量空气系数为0.2~0.6，以保证进气缸内的混合气有足够的汽油蒸汽，使发动机得以顺利进行。）3.5暖机（起动——正常工作）暖机过程中，化油器供给的过量空气系数应当随着温度的升高逐渐加大到稳定怠速所要求的数值为止。返回结束3.6加速指负荷突然迅速增大的过程。当加速时燃料流量的增长比空气流量的增长要慢的多，致使混合气暂时过稀，而且，在节气门急开时，进气管内压迅速增大，同时由于冷空气来不及预热，使进气管里温度降低。这种条件不利于混合气的汽油蒸发，致使燃料的蒸发量相对减少。因此，除非有额外燃料添进去，将会出现瞬时燃料过稀，不仅不能加速，还可能使发动机熄火。为了改善汽车发动机的加速性能，化油器应能在节气门突然增时，额外添加供油量，以便于及时使混合气浓到足够程度。返回结束第四节化油器的各种工作系统一主供油系统（装置）

作用的负荷范围：在发动机的全部工作范围内，除了怠速工况和极小负荷工况外，该系统都起供油作用。采用降低主量孔处真空度的方案，其结构原理如图4-6所示特点：在喷管上加开一个通气管，管上设有控制渗入空气量的空气量孔。因汽油流量的增长率小于空气流量的增长率，使得混合气随节气门开度的增大而逐渐变稀。只要通过反复试验，正确地选定主量孔处和空气量孔的尺寸，即能使主供油系统在中小系统负荷范围内，供给所要求的=0.9~1.1的可燃混合气。返回结束二怠速系统

功用：保证怠速和很小负荷时供给很浓的混合气，其值为0.6~0.8。怠速时，发动机转速很低，节气门近于全闭，节气门前方的喉管处真空度很低，以致根本不能将主喷管吸出。但节气门后面的真空度却很高，故可利用这个条件，另设怠油道，其喷口即设在节气门后，就解决矛盾。

典型的怠速系统如图4-7a所示。返回结束三加浓系统（省油器）作用范围：在大负荷和全负荷时额外供油，保证全负荷时混合气浓度达到0.8~0.9，使发动机发出最大功率。加浓系统分为机械式和真空式1）机械式加浓系统——其结构原理如图4-9a)所示。当节气门开启时，摇臂传动，带动拉杆和推杆一同向下移动，只有节气门开度达到80%~85%时，推杆才开始顶开加浓阀。于是汽油便从浮子室经加浓阀和加浓量孔流入主喷管，与从量孔来的汽油汇合，一起由主喷管喷出。这样便增加了汽油的供给量，使混合气加浓。这种加浓系统只与节气门开度有关，也就是只与负荷有关，而与发动机的转速无关。

返回结束四加速系统（加速泵）

汽车在一定的使用条件，需要加速前进和超车时，就要急