中科大汽车发动机构造与维修课件第4章 配气机构

第三章配气机构第一节概述第二节气门组第三节气门传动组第四节配气相位

★内容提要：目前，四冲程汽车发动机都采用气门式配气机构。其功用是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，使新气进入气缸，废气从气缸排出。进入气缸内的新气数量或称进气量对发动机性能的影响很大。进气量越多，发动机的有效功率和转矩越大。因此，配气机构首先要保证进气充分，进气量尽可能的多；同时，废气要排除干净，因为气缸内残留的废气越多，进气量将会越少第三章配气机构1.作用:★按照发动机各缸工作循环和点火次序的要求，将曲轴的旋转传递给凸轮轴。★凸轮轴上的凸轮适时地控制相应的气门打开或关闭以完成进排气动作，使新鲜空气及燃烧后的废气及时、充分地进入及排出气缸。2.组成：★配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。1.配气机构概述1.配气机构概述3.配气机构构成：★配气机构主要由以下零件构成：1气门2气门座3气门导管4气门弹簧5摇臂

摇臂轴6挺杆推杆6凸轮轴7凸轮轴正时链轮8正时链/皮带传动组

气门组驱动组

1.配气机构概述4.配气机构的布置形式:★按气门安装位置：a.顶置式:气门位于缸盖顶上。b.侧置式:进排气门都布置在气缸的一侧。★按凸轮轴位置：a.下置凸轮轴:凸轮轴位于缸体中部。b.中置凸轮轴:凸轮轴位于缸体上部。c.上置凸轮轴:凸轮轴位于缸体顶部。1.配气机构概述★按气门安装位置：a.顶置式b.侧置式顶置式—位于缸盖顶上特点：A、拐弯少，阻力小，充气好。B、气门行程大，结构较复杂，燃烧室紧凑。

C、曲轴与凸轮轴传动比为2:1。1.4配气机构布置形式气缸盖罩★按气门安装位置：a.顶置式b.侧置式顶置式—位于缸盖顶上特点：A、拐弯少，阻力小，充气好。

B、气门行程大，结构较复杂，燃烧室紧凑。

C、曲轴与凸轮轴传动比为2:1。已装好的凸轮轴气缸盖1.4配气机构布置形式侧置式—进排气门都布置在气缸的一侧。结构简单、零件数目少。特点：A、结构简单、零件数目少。

B、气门布置在同一侧导致燃烧室结构不紧凑、热量损失大、进气道曲折、进气阻力大，使发动机性能下降，已趋于淘汰。1.4配气机构布置形式气门布置1.4配气机构布置形式气缸盖罩1.4配气机构布置形式★按凸轮轴位置：a.下置凸轮轴b.中置凸轮轴c.上置凸轮轴下置凸轮轴式：特点：凸轮轴传动简单；气门传动链较长。缺点：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。优点：简化曲轴与凸轮轴之间传动装置，有利于发动机的布置。气缸盖罩1.4配气机构布置形式★按凸轮轴位置：a.下置凸轮轴b.中置凸轮轴c.上置凸轮轴中置凸轮轴式：传动方式：凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，省去了推杆。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。气缸盖罩1.4配气机构布置形式★按凸轮轴位置：a.下置凸轮轴b.中置凸轮轴c.上置凸轮轴上置凸轮轴式：特点：凸轮轴与气门距离近，不需要推杆、挺柱，使往复运动的惯量减少。双凸轮轴上置式发动机：应用：高速发动机，桑塔纳轿车发动机1.4配气机构布置形式上置凸轮轴实物图1.4配气机构布置形式

★按气门驱动形式：摇臂驱动、摆臂驱动和直接驱动三种类型1.摇臂驱动、单凸轮轴上置式配气机构凸轮轴推动液力挺柱，液力挺柱推动摇臂，摇臂再驱动气门；或凸轮轴直接驱动摇臂，摇臂驱动气门。1.4配气机构布置形式2.摆臂驱动、凸轮轴上置式配气机构由于摆臂驱动气门的配气机构比摇臂驱动式刚度更好，更有利于高速发动机，因此在轿车发动机上的应用比较广泛。如CA4883、SH680Q、克莱斯勒A452、奔驰QM615、奔驰M115等发动机均为单上置凸轮轴(SOHC)摆臂驱动式配气机构；而本田B20A、尼桑VH45DE、三菱3G81、富士EJ20等发动机都是双上置凸轮轴(DOHC)摆臂驱动式配气机构。1.4配气机构布置形式3.直接驱动、凸轮轴上置式配气机构在这种形式的配气机构中，凸轮通过吊杯形机械挺柱驱动气门；或通过吊杯形液力挺柱驱动气门。与上述各种形式的配气机构相比，直接驱动式配气机构的刚度最大，驱动气门的能量损失最小。因此，在高度强化的轿车发动机上得到广泛的应用。如奥迪、捷达、桑塔纳、马自达6、欧宝V6、奔弛320E，还有依维柯8140.01、8140.21等均为直接驱动式配气机构。2.气门组1.气门的工作条件

A.进气门温度高。气门直接与高温燃气接触，受热严重，而散热困难，因此气门温度很高。

B.头部承受气体压力、气门弹簧力等。气门承受气体力和气门弹簧力的作用，以及由于配气机构运动件的惯性使气门落座时受到冲击

C.冷却和润滑条件差。

D.被气缸中燃烧生成物中的物质所腐蚀。

2.气门组2.气门组2.气门材料：进气门一般用中碳合金钢制造，如铬钢、铬钼钢和镍铬钢等。排气门则采用耐热合金钢制造，如硅铬钢、硅铬钼钢、硅铬锰钢等。3.气门构造汽车发动机的进、排气门均为菌形气门，由气门头部和气门杆两部分构成。气门顶面有平顶、凹顶和凸顶等形状。目前应用最多的是平顶气门，其结构简单，制造方便，受热面积小，进、排气门都可采用。2.气门组气门构造气门头部的结构形式平顶式结构简单，制造方便，吸热面积小，质量也较小，进、排气门都可采用。凸顶式（球面顶）适用于排气门，因为其强度高，排气阻力小，废气的清除效果好，但球形的受势面积大，质量和惯性力大加工较复杂。凹顶式（喇叭顶）凹顶头部与杆部的过渡部分具有一定的流线形，可以减少进气阻力，但其顶部受热面积大，故适用于进气门，而不宜用于排气门。2.气门组2.气门组3.气门构造气门锥角:气门锥面与顶平面的夹角称气门锥角。气门与气门座或气门座圈之间靠锥面密封。进、排气门的气门锥角一般均为45°，只有少数发动机的进气门锥角为30°。α2.气门组★气门锥角的作用:A能获得较大的气门座合压力，以提高密封性和导热性；B气门落座时有自动定位作用；C避免气流拐弯过大而降低流速；D气门落座时能挤掉接触面的沉积物，即有自洁作用。★进、排气门锥角的大小A进气门锥角较小，多用300。因锥角越小，进气通道截面越大，进气量越多。B排气门锥角较大，通常为450。因锥角越大，气门头部边缘的厚度大，不易变形。排气门热负荷较大而用较大的锥角，以加强散热和避免受热变形。且锥角越大，座合压力越大，自洁作用越大。

★气门杆气门杆有较高的加工精度和较低的粗糙度，与气门导管保持较小的配合间隙，以减小磨损，并起到良好的导向和散热作用。在某些高度强化的发动机上采用中空气门杆的气门，旨在减轻气门质量和减小气门运动的惯性力。

2.气门组2.气门组每缸气门数

一般发动机每个气缸有两个气门，即一个进气门和一个排气门。进气门头部直径比排气门大15％～30％，目的是增大进气门通过断面面积，减小进气阻力，增加进气量。凡是进气门和排气门数量相同时，进气门头部直径总比排气门大。每缸两气门的发动机又称两气门发动机。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。

2.气门组四气门发动机每缸两个进气门，两个排气门。其突出的优点是气门通过断面积大，进、排气充分，进气量增加，发动机的转矩和功率提高。其次是每缸四个气门，每个气门的头部直径较小，每个气门的质量减轻，运动惯性力减小，有利于提高发动机转速。最后，四气门发动机多采用篷形燃烧室，火花塞布置在燃烧室中央，有利于燃烧。进排气门2.气门组气门座与气门座圈

气缸盖上与气门锥面相贴合的部位称气门座。气门座的温度很高，又承受频率极高的冲击载荷，容易磨损。因此，铝气缸盖和大多数铸铁气缸盖均镶嵌由合金铸铁或粉末冶金或奥氏体钢制成的气门座圈。在气缸盖上镶嵌气门座圈可以延长气缸盖的使用寿命。也有一些铸铁气缸盖不镶气门座圈，直接在气缸盖上加工出气门座。2.气门组气门坐圈气门座与气门座圈

优点：提高气门座的使用寿命，便于更换。缺点：导热性差，加工精度高，脱落时易造成严重事故。2.气门组坐圈气门2.气门组2.气门组气门导管

气门导管的功用是对气门的运动导向，保证气门作直线往复运动，使气门与气门座或气门座圈能正确贴合。此外，还将气门杆接受的热量部分地传给气缸盖。气门导管的工作温度较高，而且润滑条件较差，靠配气机构工作时飞溅起来的机油来润滑气门杆和气门导管孔。气门导管由灰铸铁、球墨铸铁或铁基粉末冶金制造。在以一定的过盈将气门导管压入气缸盖上的气门导管座孔之后，再精铰气门导管孔，以保证气门导管与气门杆的正确配合间隙0.05～0.12mm

。

2.气门组气门弹簧

气门弹簧的功用是保证气门关闭时能紧密地与气门座或气门座圈贴合，并克服在气门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。等螺距不等螺距圆柱形螺旋弹簧2.气门组气门弹簧：气门弹簧一般为等螺距圆柱形螺旋弹簧。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。共振时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，可采取下列结构措施：2.气门组1)采用双气门弹簧在柴油机和高性能汽油机上广泛采用每个气门安装两个直径不同，旋向相反的内、外弹簧。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。采用双气门弹簧可以减小气门弹簧的高度，而且当一个弹簧折断时，另一个弹簧仍可维持气门工作。弹簧旋向相反，可以防止折断的弹簧圈卡入另一个弹簧圈内使其不能工作或损坏。2)采用变螺距气门弹簧某些高性能汽油机采用变螺距单气门弹簧。变螺距弹簧的固有频率不是定值，从而可以避开共振。第三节气门传动组一、凸轮轴1．凸轮轴工作条件及材料凸轮轴承受周期性的冲击载荷。凸轮与挺柱之间的接触应力很大，相对滑动速度也很高，因此，凸轮工作表面的磨损比较严重。2.凸轮轴构造凸轮轴是通过凸轮轴轴颈支承在凸轮轴轴承孔内的，因此凸轮轴轴颈数目的多少是影响凸轮轴支承刚度的重要因素。如果凸轮轴刚度不足，工作时将发生弯曲变形，这会影响配气定时。下置式凸轮轴每隔1～2个气缸设置一个凸轮轴轴颈。第三节气门传动组3.凸轮轮廓基本圆+缓冲段（消除气门间隙）+工作段+缓冲段（恢复气门间隙）凸轮顶高：凸轮顶点到基圆垂直距离进、排气门开启和关闭的时刻、持续时间以及开闭的速度等分别由凸轮轴上的进、排气凸轮控制。O

点为凸轮轴回转中心，凸轮轮廓上的AB

段和DE

段为缓冲段，BCD段为工作段。挺柱在A

点开始升起，在E

点停止运动，凸轮转到AB

段内某一点处，气门间隙消，气门开始开启。此后随着凸轮继续转动，气门逐渐开大，至C

点气门开度达到最大。再后气门逐渐关闭，在DE

段内某一点处气门完全关闭，接着气门间隙恢复。气门最迟在B

点开始开启，最早在D

点完全关闭。由于气门开始开启和关闭落座时均在凸轮升程变化缓慢的缓冲段内，其运动速度较小，从而可以防止强烈的冲击。凸轮轮廓与气门的运动规律气门开启点消除气门间隙阶段气门升程最大时刻气门关闭点出现气门间隙阶段第三节气门传动组第三节气门传动组凸轮轴与气门开启第三节气门传动组4.凸轮轴轴承中置式和下置式凸轮轴的轴承一般制成衬套压入整体式轴承座孔内，再加工轴承内孔，使其与凸轮轴轴颈相配合。上置式凸轮轴的轴承多由上、下两片轴瓦对合而成，装入剖分式轴承座孔内。轴承材料多与主轴承相同，在低碳钢钢背上浇敷减摩合金层。也有的凸轮轴轴承采用粉末冶金衬套或青铜衬套。

凸轮轴与驱动第三节气门传动组5.凸轮轴的传动方式:齿轮传动链条传动齿带传动第三节气门传动组5.凸轮轴的传动方式:齿轮传动链条传动齿带传动★齿轮传动：CA6102Q、EQ6100Q、BJ492Q★链条传动：切诺机齿轮传动机构用于下置式和中置式凸轮轴的传动。汽油机一般只用一对定时齿轮，即曲轴定时齿轮和凸轮轴定时齿轮。柴油机需要同时驱动喷油泵，所以增加一个中间齿轮。为了保证齿轮啮合平顺，噪声低，磨损小，定时齿轮都是圆柱螺旋齿轮并用不同的材料制造。传动路线：曲轴正时齿轮→凸轮轴正时齿轮。第三节气门传动组链传动机构用于中置式和上置式凸轮轴的传动，尤其是上置式凸轮轴的高速汽油机采用链传动机构的很多。链条一般为滚子链，工作时应保持一定的张紧度，不使其产生振动和噪声。为此在链传动机构中装有导链板并在链条的松边装置张紧器★齿带传动：桑塔纳奥迪齿形带传动机构用于上置式凸轮轴的传动。与齿轮和链传动机构相比具有噪声小、质量轻、成本低、工作可靠和不需要润滑等优点。另外，齿形带伸长量小，适合有精确定时要求的传动。因此，被越来越多的汽车发动机特别是轿车发动机所采用。齿形带由氯丁橡胶制成，中间夹有玻璃纤维，齿面粘覆尼龙编织物(右图)。在使用中不能使齿形带与水或机油接触，否则容易引起跳齿。齿形带轮由钢或铁基粉末冶金制造。为了确保传动可靠，齿形带需保持一定的张紧力，为此在齿形带传动机构中也设置由张紧轮与张紧弹簧组成的张紧器。第三节气门传动组第三节气门传动组传动方式6.凸轮轴的轴向定位为了限制凸轮轴在工作中产生的轴向移动或承受螺旋齿轮在传动时产生的轴向力，凸轮轴需要轴向定位。凸轮轴轴向移动量过大，对于由螺旋齿轮传动的凸轮轴，会影响配气定时。上置式凸轮轴通常利用凸轮轴承盖的两个端面和凸轮轴轴颈两侧的凸肩进行轴向定位。中、下置式凸轮轴的轴向定位通常采用止推板。止推板用螺栓固定在机体前端面上。第三种轴向定位的方法是止推螺钉定位。二、挺柱1.挺柱的功用、材料及分类挺柱是凸轮的从动件，其功用是将来自凸轮的运动和作用力传给推杆或气门，同时还承受凸轮所施加的侧向力，并将其传给机体或气缸盖。制造挺柱的材料有碳钢、合金钢、镍铬合金铸铁和冷激合金铸铁等。挺柱可分为机械挺柱和液力挺柱两大类第三节气门传动组第三节气门传动组三、推杆推杆处于挺柱和摇臂之间，其功用是将挺柱传来的运动和作用力传给摇臂。在凸轮轴下置式的配气机构中，推杆是一个细长杆件，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。推杆一般用冷拔无缝钢管制造，两端焊上球头和球座。也可以用中碳钢制成实心推杆，这时两端的球头或球座与推杆锻成一个整体。第三节气门传动组四、摇臂摇臂的功用是将推杆和凸轮传来的运动和作用力，改变方向传给气门使其开启。摇臂在摆动过程中承受很大的弯矩，因此应有足够的强度和刚度以及较小的质量。摇臂由锻钢、可锻铸球、球墨铸铁或铝合金制造。摇臂是一个双臂杠杆，以摇臂轴为支点，两臂不等长。短臂端加工有螺纹孔，用来拧入气门间隙调整螺钉。长臂端加工成圆弧面，是推动气门的工作面。润滑油道油槽摇臂组示意图摇臂轴螺栓摇臂轴支座摇臂轴紧固螺钉摇臂称套调整螺钉摇臂定位弹簧第三节气门传动组摇臂组实物图第三节气门传动组摇臂组第三节气门传动组凸轮轴与摇臂组第三节气门传动组第三节气门传动组配气机构第三节气门传动组配气机构第四节配气相位1.配气相位定义：以活塞上下止点为基准，用曲轴转角来表示气门开启和关闭的时刻。不同发动机，由于结构形式、转速各不相同，因此配气相位也不相同。第四节配气相位理论上：四冲程发动机的进气门当曲拐处在上止点时开启,在曲拐转到下止点时关闭;排气门则当曲拐在下止点时开启,在上止点时关闭。进气时间和排气时间各占180°曲轴转角。实际上：发动机的曲轴转速都很高，活塞每一个行程历时都很短,这样短时间的进气或排气过程,往往会使发动机充气不足或排气不净,从而使发动机的功率下降。早开迟闭：现代发动机都采用延长进、排气时间的方法，即分别提前和延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机的动力性。进气门在进气行程上止点之前开启谓之早开。从进气门开到上止点曲轴所转过的角度称作进气提前角，记作α。进气门在进气行程下止点之后关闭谓之晚关。从进气行程下止点到进气门关闭曲轴转过的角度称作进气迟后角，记作β。整个进气过程持续的时间或进气持续角为180°+α＋β曲轴转角。一般

α＝0°～30°、β＝30°～80°曲轴转角。第四节配气相位排气门在作功行程结束之前，即在作功行程下止点之前开启，谓之排气门早开。从排气门开启到下止点曲轴转过的角度称作排气提前角，记作γ。排气门在排气行程结束之后，即在排气行程上止点之后关闭，谓之排气门晚关。从上止点到排气门关闭曲轴转过的角度称作排气迟后角，记作δ。整个排气过程持续时间或排气持续角为180°＋γ

＋δ曲轴转角。一般γ＝40°～80°、δ＝0°～30°曲轴转角。第四节配气相位第四节配气相位气门重叠角：由于进气门早开和排气门晚关，致使活塞在上止点附近出现进、排气门同时开启的现象，称其为气门重叠。重叠期间的曲轴转角称为气门重叠角，它等于进气提前角与排气迟后角之和，即α＋δ。第四节配气相位第四节配气相位第四节配气相位配气相位2.2、DHEC采用新技术——i－DSI(FIT1.3L采用)

IntelligentDual&SequentialIgnition

智能化双火花塞顺序点火系统i－DSI怠速时两点同时点火，通过加快燃烧速度降低油耗低速、低负荷燃烧室内温度较低的进气侧先点火，以促进燃烧、降低油耗低速、大负荷进气侧为点火提前角、排气侧为点火延迟角，增大扭力，防止爆燃高速时两点同时点火，通过加快燃烧速度提高功率ECU根据发动机转速及进气歧管压力来控制进排气侧火花塞的点火相位双火花塞DSI系统引用了相位差燃烧概念，从易发生爆震的方向开始逐个点火,可做到：●降低了爆震倾向，提高压缩比。●实现快速燃烧，提高燃油经济性。●高的输出功率。