第三章配气机构解析Word格式文档下载.docx

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四、曲轴飞轮组件

曲轴、曲轴轴向定位、曲轴油道、曲轴扭转减振器、飞轮

五、缸四行程发动机曲柄布置及工作顺序

六、曲柄连杆机构的维修

教研室主任检查签字

配气机构

1.配气机构的作用、组成与结构原理

2.配气相位

3.配气机构的维修

工作原理

一、配气机构的作用与组成

二、配气机构工作原理

三、配气机构的分类

1、按曲轴和配气凸轮轴的传动方式分

2、按每缸气门的数目分

四、配气机构主要组件结构原理

气门组件、凸轮轴组件、凸轮轴传动机构、气门驱动机构

五、配气相位

六、配气机构的维修

3.1.1配气机构的作用

其作用是根据发动机工作循环和点火次序，适时地开启和关闭各缸的进、排气门，使纯净空气或空气与燃油的混合气及时地进入气缸，废气及时地排出。

3.1.2配气机构总体组成与工作原理

1．配气机构总体组成（以顶置双凸轮轴齿形皮带传动的配气机构（图3-11）为例）

气门组件（含进排气门、进排气门座、气门弹簧、气门锁夹、气门导管等）

气门驱动机构（液压挺柱）

凸轮轴

凸轮轴传动机构（含曲轴正时皮带轮、凸轮轴传动皮带轮、齿形皮带、张紧轮等）

2．配气机构工作原理

齿形皮带3带动进排气凸轮轴旋转，克服气门弹簧力作用压下进气门，进气门开启，开始进气。

各缸进、排气门开闭的时刻取决于各进、排气凸轮的相对位置及进排气凸轮轴与曲轴的相对位置。

3.1.3配气机构的分类

1.按气门的布置位置分（侧置式、顶置式两种）

侧置式：

气门布置在气缸的一侧。

使燃烧室结构不紧凑，热量损失大，气道曲折，进气流通阻力大，从而使发动机的经济性和动力性变差，已被淘汰。

顶置式：

气门布置在气缸盖上（图3-11）。

2.按凸轮轴布置位置分（上置凸轮轴、中置凸轮轴、下置凸轮轴三种）

（1）下置凸轮轴配气机构（图3-12）：

凸轮轴1布置在曲轴箱上，由曲轴正时齿轮驱动。

优点是凸轮轴离曲轴较近，可用齿轮驱动，传动简单。

但存在零件较多，传动链长，系统弹性变形大，影响配气准确性等缺点。

（2）中置凸轮轴配气机构（图3-13）：

凸轮轴1布置在曲轴箱上。

与下置凸轮轴相比，省去了推杆，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，减小了气门传动机构的往复运动质量，适应更高速的发动机。

（3）上置凸轮轴配气机构

凸轮轴直接布置在气缸盖上，直接通过摇臂或凸轮来推动气门的开启和关闭。

这种传动机构没有推杆等运动件，系统往复运动质量大大减小，非常适合现代高速发动机，尤其轿车发动机。

根据顶置气门凸轮轴的个数，又分为单顶置凸轮轴（SOHC）和双顶置凸轮轴（DOHC）两种。

单顶置凸轮轴（图3-14）仅用一根凸轮轴同时驱动进、排气门，结构简单，布置紧凑。

双顶置凸轮轴驱动由两根凸轮轴分别驱动进、排气门。

有两种布置形式，一种是凸轮通过摇臂驱动气门（图3-15）；

另一种是凸轮直接驱动气门（图3-11），

这种双凸轮轴布置有利于增加气门数目，提高进排气效率，提高发动机转速，是现代高速发动机配气机构的主要形式。

3.按曲轴和配气凸轮轴的传动方式分（分为齿轮传动、链条传动和齿带传动三种）。

（1）齿轮传动（图3-16）

齿轮上都有正时记号，装配时必须按要求对齐。

（2）链传动（图3-17）优点是布置容易，若传动距离较远时，还可用两级链传动。

缺点是结构质量及噪声较大，链的可靠性和耐久性不易得到保证。

（3）齿带传动现代高速发动机广泛采用齿形带传动（图3-11）。

齿形带用氯丁橡胶制成，中间夹有玻璃纤维和尼龙织物，以增加强度。

齿带的张力可以由张紧轮进行调整。

这种传动方式可以减小噪声，减少结构质量和降低成本。

4.按每缸气门的数目分有2气门、3气门、4气门和5气门。

多气门结构（3～5气门），使发动机的进排气流通截面积增大，提高了充气效率，改善了发动机的动力、经济性能和排放性能。

3.2.4配气机构主要组件结构原理

配气机构主要由气门组件、凸轮轴组件、凸轮轴传动机构和气门驱动机构组成。

1．气门组件（图3-19）由气门、气门座、气门导管、气门弹簧、气门锁夹等零件

组成。

（1）气门：

头部、杆身和带密封锥面的气门盘组成。

气门盘顶面的形状有凸顶、平顶和凹顶（图3-20）。

平顶结构简单，制造方便，吸热面积小，质量也小，应用最多；

凸顶的刚度大，受热面积也大，用于某些排气门；

凹顶气门质量小，惯性小，与杆部的过渡有一定的流线形，可以减小进气阻力，常用作进气门。

气门盘有一密封锥面，其锥角α一般为300～45°

。

气门杆与弹簧连接方式:

锁夹式（图3-21a）:

有两个半圆形锥形锁夹4。

锁销式（图3-21b）：

在气门杆端有一个安装一个锁销。

（2）气门座：

气缸盖的进、排气道与气门锥面相贴合的部位称为气门座（图3-19）。

可在气缸盖上直接镗出，但大多数是用耐热合金钢单独制成座圈（称气门座圈），压入气缸盖（体）中，以提高使用寿命和便于维修更换。

（3）气门导管和油封：

气门导管（图3-19）的作用是在气门作往复直线运动时进行导向，以保证气门与气门座之间的正确配合与开闭。

当凸轮直接作用于气门杆端时，承受侧向作用力并起传热作用。

气门与气门导管间留有0.05～0.12mm的微量间隙。

该间隙过小，会导致气门杆受热膨胀与气门导管卡死；

间隙过大，会使机油进入燃烧室燃烧。

为了防止过多的润滑油进入燃烧室，有的在气门导管上安装有橡胶油封4（图3-19）。

（4）气门弹簧：

作用是保证气门复位。

气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧（图3-22）。

发动机装一根气门弹簧时，采用不等距弹簧（图3-22b），以防止共振。

装两根弹簧时（图3-22c），弹簧内、外直径不同，旋向不同，它们同心安装在气门导管的外面，不仅可以提高弹簧的工作可靠性，防止共振的产生，还可以降低发动机的高度。

2.凸轮轴组件（图3-23）

由凸轮轴7、凸轮轴衬套6和止推凸缘4等组成（对于下置凸轮轴的汽油机，还加工有驱动机油泵、分电器的螺旋齿轮9和驱动汽油泵的偏心轮8）。

图3-24　四缸发动机工作顺序判断

发动机的工作顺序判断（图3-24）：

从凸轮轴前端看，转动方向为逆时针，则可判断出该发动机的工作顺序为1-2-4-3。

曲轴每旋转两圈，凸轮轴转一圈。

为了防止凸轮轴轴向窜动，需要进行轴向定位（图3-25），止推片2安装在正时齿轮1和凸轮第一轴颈3之间，且留有一定间隙。

调整止推片的厚度，可控制其轴向间隙大小。

3.凸轮轴传动机构

它是指驱动凸轮轴转动的机构。

有齿轮传动、链传动和齿形带传动（见本节3.2.3）。

传动机构安装时应特别注意曲轴正时齿轮（或链轮、带轮）与凸轮轴正时齿轮（或链轮、带轮）的相互位置关系。

4.气门驱动机构

是将凸轮轴的旋转运动变为气门往复运动的机构。

主要由气门挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴、气门间隙调整螺钉和液压挺柱等组成（图3-12）

（1）挺柱：

作用是将凸轮的推力传给推杆或气门，承受凸轮旋转时传来的侧向力并传给发动机机体。

形式：

菌形挺柱、平面挺柱和桶形挺柱（图3-27）。

挺柱减小摩擦及磨损方法：

1）将挺柱工作面制成半径的球面（图3-27a）。

2）挺柱相对凸轮偏心安置（图3-27b）。

3）挺柱外表面做两端小中间大的桶形（图3-27c）。

（2）推杆（图3-28）:

作用是传力。

其上端的凹槽，下端凸头。

（3）摇臂（图3-29）:

作用改变传力方向，同时利用两边臂的比值（称摇臂比）来改变气门的升程。

摇臂与气门杆端接触部分接触应力高，且有相对滑移，磨损严重，因此在该部分常堆焊有硬质合金。

摇臂组件（图3-30）：

青铜衬套或滚针轴承、摇臂轴、摇臂轴支座、弹簧。

摇臂内一般钻有油道，与摇臂轴中心相通。

压力机油充满摇臂轴中心，并从摇臂油孔流出，润滑挺杆及气门杆端等零件。

（4）气门间隙调整螺钉（图3-31）：

用来调整气门间隙。

气门间隙:

指发动机冷态，气门关闭时，气门与摇臂之间的间隙。

其作用是为气门及驱动组件工作时留有受热膨胀的余地。

一般在冷态时，进气门的间隙为0.25～0.3mm，排气门的间隙为0.30～0.35mm。

气门间隙过小，漏气；

气门间隙过大，撞击、磨损、气门开启的延续角度变小，气缸的充气及排气情况变坏。

发动机工作中，由于气门、驱动机构及传动机构零件磨损，会导致气门间隙产生变化，应注意检查调整。

（5）液压挺柱：

无需调整气门间隙。

结构：

图3-32所示为桑塔纳和捷达轿车发动机采用的液压挺柱。

挺柱体9由上盖和圆筒焊接成一体，可以在缸盖14的挺柱体孔中上下运动。

液压缸12的内孔和外圆都经过精加工研磨，外圆与挺柱内导向孔相配合，内孔则与柱塞11配合，两者都可以相对运动。

液压缸底部装有一个补偿弹簧13，把球阀5压靠在柱塞的阀

座上，它还可以使挺柱顶面和凸轮表面保持紧密接触，以消除气门间隙。

当球阀关闭柱塞中间孔时，可将挺柱分成两个油腔，上部的低压油腔6和下部的高压油腔1；

球阀开启后，则形成一个通腔。

工作原理：

当圆筒挺柱体9上的环形油槽与缸盖上的斜油孔4对齐时（图中位置），发动机润滑系中的机油经斜油孔4和环形油槽流入低压油腔6。

位于挺柱体背面上的键形槽7可将机油引入柱塞上方的低压油腔。

当凸轮转动、挺柱体9和柱塞11向下移动时，高压油腔1中的机油被压缩，油压升高，加上补偿弹簧13的作用，使球阀紧压在柱塞的下端阀座上，这时高压油腔与低压油腔被分隔开。

由于液体具有不可压缩性，整个挺柱如同一个刚体一样下移，推开气门15。

此时，挺柱环形油槽已与斜油孔4错开，停止进油。

当挺柱达到下止点后开始上行时，在气门弹簧上顶和凸轮下压的作用下，高压油腔封闭，球阀也不会打开，液压挺柱仍可认为是一个刚性挺柱，直至上升到凸轮处于基圆，使气门关闭时为止。

此时，缸盖主油道中的压力油经斜油孔4进入挺柱的低压油腔6，同时，高压油腔1内油压下降，补偿弹簧推动柱塞上行。

从低压油腔来的压力油推开球阀而进入高压油腔，使两腔连通充满机油。

这时挺柱顶面仍和凸轮紧贴。

在气门受热膨胀时，柱塞和液压缸作轴向相对运动，高压油腔中的油液可经过液压缸与柱塞间的缝隙挤入低压油腔。

因此，使用液压挺柱时，可以不预留气门间隙。

3.3四冲程发动机的换气过程

包括排气过程和进气过程。

其气缸压力变化如图3-33所示。

3.3.1排气过程

1.自由排气阶段

从排气门打开到气缸压力接近于排气管压力的这个时期，称为自由排气阶段。

超临界排气:

废气以当地音速流过排气门。

亚临界排气:

排气流速小于音速，气体的流动转入亚临界状态，到某一时刻缸内压力与排气管内压力相近时，自由排气阶段结束。

2.强制排气阶段

废气被上行的活塞强制排出。

为使废气排除更彻底，排气门可以到上止点后10°

～30°

CA（曲轴转角）关闭。

3.3.2进气过程

为了增加进气充量，进气门应在上止点前打开，下止点后关闭。

3.3.3配气定时（配气相位）

进、排气门实际开启和关闭的时刻以曲轴转角表示即为配气定时，也称配气相位。

用环形图表示配气相位称为配气相位图（图3-34）。

1.进气提前角

发动机从进气门打开时刻到活塞行至上止点所转过的曲轴转角。

其目的是为了保证进气开始时，进气门已开启较大，增加进入气缸的新鲜气体或可燃混合气。

非增压发动机进气提前角一般在00～400CA。

该角度过小，进气充量增加少；

该角度过大，又会导致废气流入进气管。

2．进气迟后角

是指活塞从下止点行至进气门完全关闭的曲轴转角。

其目的是利用进气气流惯性和压力差继续进气。

非增压发动机进气迟后角一般在400～700CA。

该角度过小，进气气流惯性未能得到充分利用，降低了进气充量；

而该角度过大，进气气流惯性已用完，会导致已经进入气缸的新鲜充量又被排出。

3．排气提前角从排气门打开到活塞行至下止点所转过的曲轴转角。

其目的是利用废气压力，使气缸内废气排得更干净。

但排气提前角也不宜过大，否则将造成做功能力损失。

非增压发动机一般在450～550CA。

4．排气迟后角指活塞从上止点到排气门完全关闭所转过的曲轴转角。

其目的是利用排气气流性惯性使废气排除更干净。

非增压发动机该角度一般在100～350CA。

过大会造成排出的废气又被吸入气缸。

5.气门重叠角由于进、排气门的早开和迟闭，就会有一段时间内进、排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。

适宜的气门重叠角，可以利用气流压差和惯性清除残余废气，增加新鲜充量，称此为燃烧室扫气。

非增压发动机气门重叠角一般为200～800CA,增压发动机一般为800～1600CA，所以增压发动机可以有效提高充气量。

发动机的结构不同，转速不同，配气相位也就不同，最佳的配气相位角是根据发动机性能要求，通过反复试验确定。

在使用中，由于配气机构零部件磨损、变形或安装调整不当，会使配气相位产生变化，应定期进行检查调整。

3.4四冲程发动机的充气效率

3.4.1充气效率ην

评价发动机换气过程完善的程度可采用充气效率指标，它是指每循环实际进入气缸的充量与进气状态下充满气缸工作容积的理论充量的比值。

式中V1、　m1――实际进入气缸充量的体积、质量；

　Vh、ms——进气状态下充满气缸工作容积的理论充量的体积、质量。

所谓进气状态是指当时、当地的大气状态（非增压机型）或增压器压气机出口的气体状态（增压机型）。

柴油机充气效率一般在0.75～0.9，汽油机在0.70～0.85。

3.4.2影响换气过程的因素分析

1.进气终了压力papa值愈高，ην值也愈大。

减少进气系统流通阻力，可提高pa。

使用多进气门机构可以有效提高pa值。

如上海柴油机厂生产的6135Q－1型车用柴油机，由2气门改为4气门后，15分钟功率由154kW提高到194kW，最大扭矩由784N·

m提高到920N·

m，经济性和排气温度得到相应改善。

目前中小排量以上轿车发动机，已普遍采用4气门结构。

壁面光滑平直的进、排气管道，气流流通阻力小。

在使用中，应特别注意对空气滤清器的清洁保养，以保证进气畅通，提高ην值。

发动机增压，可以较大幅度提高进气终了压力，有效改善发动机性能（见本章3.6）。

2.进气终了温度Ta

Ta愈高，充入气缸中的工质密度愈小，新鲜充量愈少。

因此柴油机的进、排气管道分置于气缸盖的两侧，适当加大气门重叠角，有利于降低Ta。

对化油器式汽油机，为了使液态汽油在进气管中蒸发混合，常利用排气支管或冷却水的热量加热新鲜空气，所以进、排气管安置于气缸盖的同侧。

3．气缸内残余废气数量

残余废气量增多，不仅使ην下降，而且使燃烧恶化，燃油消耗提高，排放恶化。

提高压缩比，采用多气门机构，合理的排气相位，都可以减少气缸内残余废气数量。

4．配气相位

合理的配气正时对提高发动机的充气效率有重要的意义。

它可以有效延长进、排气延续时间，，利用气流惯性进行充气和扫气。

的同步活塞3和4、正时活塞1等。