第三章 配气机构

第一节概述

一、 功用：配气机构是进、排气的控制机构，它按照气缸的工作顺序和工作过程的要求，定时地开闭进、排气门、向气缸供给可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）并及时排出废气。另外，当进、排气门关闭时，保证气缸密封。进饱排净，四行程发动机都采用气门式配气机构。

二、 充气效率：空气或可燃混合气被吸入气缸愈多，则发动机可能发出的功率愈大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充气效率Φc表示。Φc越高，表明进入气缸的新气越多，可燃混合气燃烧时可能放出的热量也就越大，发动机的功率越大。

充气效率表示燃气或空气充满气缸的程度。进气行程中，实际进入气缸内的新气质量与进气系统进口状态下充满气缸工作容积的新气质量之比。

Φc=M/M0

新气：可燃混合气或新鲜空气

进口状态：指大气温度和大气压力下

分析：（1）Φc↑，M↑，燃烧热量↑，发动机功率↑；

（2）Φc总是小于1。（注：根据公式PV=mRT，一方面由于进气系统对气流阻力造成进气终了时气缸内压力降低，即P↓；另一方面上一循环残余废气又使进入的新鲜气体温度上升，即T↑；对于容积一定的气缸来说， V一定、 P↓、T↑èm↓

一般Φc=0.80~0.90，应该想办法提高充气效率。

三、 配气机构的型式

1、根据气门的安装位置的不同，分为

（1） 气门顶置式：气门位于气缸盖上称为气门顶置式配气机构，由凸轮、挺柱、推杆、摇臂、气门和气门弹簧等组成。其特点，进气阻力小，燃烧室结构紧凑，气流搅动大，能达到较高的压缩比，目前国产的汽车发动机都采用气门顶置式配气机构。

（2） 气门侧置式：气门位于气缸体侧面称为气门侧置式配气机构，由凸轮、挺柱、气门和气门弹簧等组成。省去了推杆、摇臂等另件，简化了结构。因为它的进、排气门在气缸的一侧，压缩比受到限制，进排气门阻力较大，发动机的动力性和高速性均较差，逐渐被淘汰。

2、按照凸轮轴的布置位置，分为：

（1） 凸轮轴下置式，主要缺点是气门和凸轮轴相距较远，因而气门传动另件较多，结构较复杂，发动机高度也有所增加。

（2） 凸轮轴中置,凸轮轴位于气缸体的中部由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，省去推杆，这种结构称为凸轮轴中置配气机构。 凸轮轴上置,凸轮轴布置在气缸盖上。

（3） 凸轮轴上置有两种结构，一是凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门，这样既无挺柱，又无推杆，往复运动质量大大减小，此结构适于高速发动机。另一种是凸轮轴直接驱动气门或带液力挺柱的气门，此种配气机构的往复运动质量更小，特别适应于高速发动机。

3、按照曲轴和凸轮轴的传动方式，分为

（1）齿轮传动

（2） 链条传动

（3）齿形带传动

4、按照每缸气门数目分

二气门、四气门、五气门、八气门等等。一般发动机都采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门的结构。为了改善换气，在可能的条件下，应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径。但是由于燃烧室尺寸的限制，气门直径最大一般不能超过气缸直径的一半。当气缸直径较大，活塞平均速度较高时，每缸一进一排的气门结构就不能保证良好的换气质量。因此，在很多新型汽车发动机上多采用每缸四个气门结构。即两个进气门和两个排气门。

四、 配气机构的组成

包括气门组和气门传动组。

一、 气门间隙

气门间隙是指气门完全关闭时，气门杆尾端与摇臂或挺柱之间的间隙。（注：凸轮的凸起部分不顶挺柱）它的作用是补偿气门受热后的膨胀量。

不同机型，气门间隙的大小不同，根据实验确定，一般冷态时，排气门间隙大于进气门间隙，进气门间隙约为0.25～0.3mm，排气门间隙约为0.3～0.35mm。

间隙过大：进、排气门开启迟后，缩短了进排气时间，降低了气门的开启高度，改变了正常的配气相位，使发动机因进气不足，排气不净而功率下降；此外，还使配气机构零件的撞击增加，磨损加快。

无间隙或间隙过小：发动机工作后，零件受热膨胀，将气门推开，使气门关闭不严，造成漏气，功率下降，并使气门的密封表面严重积碳或烧坏，甚至气门撞击活塞。

第二节配气相位

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的持续时间。通常用环形配气相位图来表示。

理论上的配气相位分析

理论上讲进、压、功、排各占180°，也就是说进、排气门都是在上、下止点开闭，延续时间都是曲轴转角180°。但实际表明，简单配气相位对实际工作是很不适应的，它不能满足发动机对进、排气门的要求。

原因：实际发动机曲轴转速很高，活塞每一行程历时都很短，当转速为5600r/min时一个行程只有60/（5600×2）=0.0054s，就是转速为1500r/min，一个行程也只有0.02s，这样短的进气或排气过程，使发动机进气不足，排气不净。可见，理论上的配气相位不能满足发动机进饱排净的要求，那么，实际的配气相位又是怎样满足这个要求的呢？下面我们就进行分析。

实际的配气相位分析

为了使进气充足，排气干净，除了从结构上进行改进外（如增大进、排气管道），还可以从配气相位上想点办法，气门能否早开晚闭，延长进、排气时间呢？

一、 气门的早开晚闭 从示功图中可以看出，活塞到达进气下止点时，由于进气吸力的存在，气缸内气体压力仍然低于大气压，在大气压的作用下仍能进气；另外，此时进气流还有较大的惯性。由此可见，进气门晚关可以增加进气量。

进气门早开，可使进气一开始就有一个较大的通道面积，可增加进气量。

在作功行程快要结束时，排气门打开，可以利用作功的余压使废气高速冲出气缸，排气量约占50%。排气门早开，势必造成功率损失，但因气压低，损失并不大，而早开可以减少排气所消耗的功，又有利于废气的排出，所以总功率仍是提高的。

从示功图上还可以看出，活塞到达上止点时，气缸内废气压力仍然高于外界大气压，加之排气气流的惯性，排气门晚关可使废气排得更净一些。

由此可见，气门具有早开晚关的可能，那么气门早开晚关对发动机实际工作又有什么好处呢？

进气门早开：增大了进气行程开始时气门的开启高度，减小进气阻力，增加进气量。

进气门晚关：延长了进气时间，在大气压和气体惯性力的作用下，增加进气量。

排气门早开：借助气缸内的高压自行排气，大大减小了排气阻力，使排气干净。

排气门晚关：延长了排气时间，在废气压力和废气惯性力的作用下，使排气干净。

二、 气门重叠

由于进气门早开，排气门晚关，进气门在上止点前开启，而排气门在上止点后关闭，势必造成在同一时间内两个气门同时开启的现象，这个现象叫气门重叠，把两个气门同时开启时间相当的曲轴转角叫作气门重叠角。在这段时间内，可燃混合气和废气是否会乱串呢？不会的，这是因为：a. 进、排气流各自有自己的流动方向和流动惯性，而重叠时间又很短，不至于混乱，即吸入的可燃混合气不会随同废气排出，废气也不会经进气门倒流入进气管，而只能从排气门排出；b. 进气门附近有降压作用，有利于进气。

三、进、排气门的实际开闭时刻和持续时间

实际进气时刻和延续时间：在排气行程接近终了时，活塞到达上止点前，即曲轴转到离上止点还差一个角度α，进气门便开始开启，进气行程直到活塞越过下止点后β时，进气门才关闭。整个进气过程延续时间相当于曲轴转角180°+α+β。

α- 进气提前角 一般α=10°～30°

β- 进气延迟角 一般β=40°～80°

所以进气过程曲轴转角为230°～290°

实际排气时刻和延续时间：同样，作功行程接近终了时，活塞在下止点前排气门便开始开启，提前开启的角度γ一般为40°～80°，活塞越过下止点后δ角排气门关闭，δ一般为10°～30°，整个排气过程相当曲轴转角180°+γ+δ。

γ- 排气提前角 一般γ=40°～80°

δ- 进气延迟角 一般δ=10°～30°

所以排气过程曲轴转角为230°～290°

气门重叠角α+δ=20°～60°

从上面的分析，可以看出实际配气相位和理论上的配气相位相差很大，实际配气相位，气门要早开晚关，主要是为了满足进气充足，排气干净的要求。但实际中，究竟气门什么时候开？什么时候关最好呢？这主要根据各种车型，经过实验的方法确定，由凸轮轴的形状、位置及配气机构来保证。

第三节配气机构的主要零部件

一、气门组

包括：气门、气门座、气门导管、气门弹簧、锁片、卡簧。

1、气门

功用：控制进、排气管的开闭

工作条件： 承受高温、高压、冲击、润滑困难。

要求：足够的强度、刚度、耐磨、耐高温、耐腐蚀、耐冲击。

材料：进气门采用合金钢（铬钢或镍铬等），排气门采用耐热合金钢（硅铬钢等）。

构造：气门由头部、杆身和尾部组成。

气门头部是一个具有圆锥斜面的圆盘，气门锥角一般为450，也有300，气门头边缘应保持一定厚度，一般为1-3 mm，以防工作中冲击损坏和被高温烧蚀。气门密封锥面与气门座配对研磨。

气门头顶部形状有平顶，球面顶和喇叭形顶等

平顶：结构简单、制造方便、吸热面积小，质量小、进、排气门均可采用。

球面顶：适用于排气门，强度高，排气阻力小，废气的清除效果好，但受热面积大，质量和惯性力大，加工较复杂。

喇叭形顶：适用于进气门，进气阻力小，但受热面积大。

有的发动机进气门头部直径比排气门大，两气门一样大时，排气门有记号。

杆身→杆身与头部制成一体，装在气门导管内起导向作用，杆身与头部采用圆滑过渡连接。气门杆表面经过热处理并且磨光，一般是实心的，有的是空心的，空心杆质量轻，运动惯性力小。

特殊的对于某些热负荷特别重，结构尺寸比较大的排气门采用钠冷却气门：Na的熔点为97.8°C，在空心气门杆中填入一半金属钠，因此发动机工作温度下纳呈现液态，在气门工作时，纳在气门杆内上下运动，不断地从气门头部吸收热量并传给气门杆使头部得以冷却。

尾部→制有凹槽（锥形槽或环形槽）用来安装锁紧件。

2、气门导管

功用：①导向作用，保证气门作直线往复运动。

②导热作用，将气门头部传给杆身的热量，通过气缸盖传出去。

为了保证导向，导管应有一定的长度，气门导管的工作温度也较高，约500k。气门导管和气门的润滑是靠配气机构飞溅出来的机油进行润滑的，因此易磨损。为了改善润滑性能，气门导管常用灰铸铁或球墨铸铁或铁基粉未治金制造。导管内、外圆面加工后压入气缸盖的气门导管孔内，然后再精铰内孔。为了防止气门导管在使用过程中松脱，有的发动机对气门导管用卡环定位。

3、气门座

气门座与气门头部密封锥面配合密封气缸，气门头部的热量亦经过气门座外传。气门座可以在缸盖或缸体上直接镗出，也可以采用镶嵌式结构。镶嵌式结构气门座都采用较好的材料（合金铸铁、奥氏体钢等）单独制作。

4、气门弹簧

功用：

保证气门回位；防止运动时传动件发生脱离。

气门弹簧的作用在于保证气门回位，在气门关闭时，保证气门与气门座之间的密封，在气门开启时，保证气门不因运动时产生的惯性力而脱离凸轮。气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧，它的一端支承在气缸盖上，另一端压靠在气门杆尾端的弹簧座上，弹簧座用锁片固定在气门杆的尾端。

型式：

a. 圆柱螺旋弹簧（普通）

b. 变螺距的圆柱弹簧：工作时工作圈数不是常数，振动频率经常变化，防止弹簧与气门产生共振，使弹簧在工作中不易折断（造成气门关闭不严）。

c. 同心安装的两根弹簧：作用是可以防止共振（两根弹簧的振动频率不一样）；可以降低气门弹簧的高度；可以提高工作的可靠性（一个坏了，另外一个可以继续工作；并且二者旋向相反，防止折断后卡死。

另外锁片、卡簧的功用是在气门弹簧力的作用下把弹簧座和气门杆锁住，使弹簧力作用到气门杆上。

二、气门传动组

功用：传递凸轮轴→气门之间的运动

气门传动组包括，凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门间隙调整螺钉等。

1、凸轮轴

功用：控制气门的开启和关闭，每一个进、排气门分别有相应的进气凸轮和排气凸轮。

凸轮的形状影响气门的开闭时刻及高度，凸轮的排列影响气门的开闭时刻和工作顺序。（根据凸轮轴可以判断工作顺序）工作中，凸轮轴受到气门间歇性开启的周期性冲击载荷，因此对凸轮表面要求耐磨，凸轮轴要有足够的韧性和刚度。

凸轮也分为进、排气两种，其数目与进、排气门数相同，排列次序也与进、排气门排列次序相同。每完成一个工作循环，曲轴转两圈而凸轮轴转一圈。这样各气缸同名气门的夹角，对于四缸机是360°/4=90°，对于6缸机是360°/6=60°，并且按照1-5-3-6-2-4排列，可参照上图。

同一气缸不同名气门之间的夹角取决于配气相位。

2、挺柱

挺柱的功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，近年来，液压挺柱被广泛地采用。

3、推杆

推杆的作用是将从凸轮轴传来的推力传给摇臂，它是配气机构中最容易弯曲的零件。要求有很高的刚度，在动载荷大的发动机中，推杆应尽量地做得短些。

4、摇臂

推杆的作用是将从凸轮轴传来的推力传给摇臂，它是配气机构中最容易弯曲的零件。要求有很高的刚度，在动载荷大的发动机中，推杆应尽量地做得短些。