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1、配气机构的结构原理配气机构的结构原理 1配气机构的作用与组成 1配气机构的作用与组成 （1）配气机构的作用 配气机构的作用是按照发动机各缸的作功次序和每一缸工作循环的要求， 定时地将各缸 进气门和排气门打开、关闭，以便发动机进行进气、排气和压缩、作功等工作过程。 （2）配气机构的组成 发动机的配气机构由气门组和气门传动组组成。 气门组用来封闭进排气道口， 气门传动 组使气门打开和控制气门开启与关闭时刻和开启与关闭的规律。 某货车发动机配气机构的组成与布置。 配气机构 1凸轮轴；2挺柱；3挺柱导向体；4推杆；5摇臂轴承座；6摇臂；7摇臂轴；8 气门弹簧座；9气门帽，10弹簧座，11气门导管油封；
2、12气门弹簧； 13气门导管；14气门座圈；15气门；16曲轴 丰田卡罗拉1ZR-FE发动机配气机构的组成与布置。 丰田卡罗拉 1ZR-FE 发动机配气机构 雷克萨斯LS430轿车的2UZ-FE V8发动机的配气机构组成与布置图。 丰田2UZ-FE V8发动机的配气机构 2配气机构的工作过程 2配气机构的工作过程 凸轮轴通过正时齿轮由曲轴驱动而转动。四冲程发动机完成一个工作循环曲轴转两圈 (720)，各缸进排气门各开启一次，凸轮轴只需转一圈。曲轴转速与凸轮轴转速之比(传动 比)为2：1。 从上述工作过程可以看出， 气门的开启是通过气门传动组的作用而完成的， 而气门的关 闭则是由气门弹簧来完成的
3、。 气门的启闭时刻与规律完全取决于凸轮的轮廓曲线。 每次气门 打开时压缩气门弹簧，为气门关闭积蓄了能量。 3配气机构的布置形式及驱动方式 3配气机构的布置形式及驱动方式 目前汽车发动机都采用顶置气门式配气机构， 即气门布置在气缸盖上， 头部向下倒挂于 气缸之上，气门开启时向下运动。 按每缸气门的数量，可分为双气门式、三气门式、四气门式和五气门式；按凸轮轴的位 置，可分为凸轮下置式、凸轮中置式和凸轮上置式；按曲轴和凸轮轴的传动方式，可分为齿 轮传动式、链条传动式和同步齿形带传动式等。 （1）凸轮轴的布置形式 顶置气门式配气机构的凸轮轴布置有下面三种形式： 1）下置凸轮轴式 2）上置凸轮轴式 单顶
4、置凸轮轴配气机构（SOHC） 1气门摇臂总成 2进气门弹簧 3凸轮轴皮带轮 4缸盖 5排气门 6进气门 7排气门弹簧 8凸轮轴 上置凸轮轴配气机构也称顶置凸轮轴配气机构，又有单顶置凸轮轴（SOHC）与双顶置凸 轮轴（DOHC）之分。 双顶置凸轮轴(DOHC）结构,每缸四个气门，进气门排成列，排气门排成一列；一根凸 轮轴驱动进气门(我们称 “进气凸轮轴” )， 另一根凸轮轴驱动排气门(我们称 “排气凸轮轴” )。 本田双顶置凸轮轴(DOHC）结构组成。 在丰田公司的双顶置凸轮轴发动机上， 为了区别每一凸轮轴轴承盖， 丰田公司在每一轴 承盖上皆标注了明确的记号。进气凸轮轴的轴承盖，依次标有“I1”
5、、 “12”、 “I3”、 “I4” 等字样(“I”为英文“Intake进气”的第一个字母)；排气凸轮轴的轴承盖，依次标有“E1”、 “E2”、“E3”、“E4“等字样(“E”为英文“Exhaust排气”的第一个字母)。同时，为了 标明凸轮轴轴瓦的安装方向，有些类型的发动机其凸轮轴轴瓦上打有箭头。以上这些，我们 在实际拆装及修理过程中都要仔细辨认清楚，不要混淆、弄错。 双顶置凸轮轴配气机构（DOHC） 1凸轮轴保持器 2进气凸轮轴 3凸轮轴皮带轮 4排气凸轮轴 顶置凸轮轴式配气机构根据驱动气门开启的最终部件的不同， 通常有两种结构形式。 一 种如图所示，其不但没有推杆，也没有挺柱。凸轮直接与摇
6、臂接触，通过摇臂摆动将气门打 开。 以摇臂驱动气门的单顶置凸轮轴式配气机构 1进气口 2火花塞孔 3燃烧室 4排气口 采用滚柱摇臂与液压间隙调节器的双顶置凸轮轴式配气机构 图所示的双顶置凸轮轴式配气机构中， 采用了滚柱摇臂与液压间隙调节器， 凸轮驱动摇 臂中部，摇臂以液压间隙调节器为支点摆动，另一端驱动气门。 另一种结构形式如图1-332所示。配气机构不设摇臂，凸轮通过挺柱直接将气门顶开。 由于取消了摇臂总成，使之结构简单。挺柱可以是普通挺柱，也可以是液力挺柱。若采用液 力挺柱，不预留气门间隙，使噪声大为减小，非常适合在轿车发动机上使用。目前很多轿车 发动机配气机构采用这种方式。 以挺柱驱动气
7、门的双顶置凸轮轴式配气机构 3）中置凸轮式 （2）曲轴与凸轮轴之间的传动方式 1）正时齿轮传动方式 凸轮轴下置式的配气机构采用一对齿轮传动。 正时齿轮与啮合标记 凸轮轴中置的在一对正时齿轮齿轮中间加入了一个中间齿轮(惰轮)。由于曲轴与凸轮轴 的传动比为2：l，因此，装于凸轮轴上的正时齿轮的齿数是曲轴正时齿轮数的2倍。中间齿 轮并不能影响传动比，故其齿数的多少只取决于两轴之间的距离和两正时齿轮的尺寸大小。 为保证配气机构有准确的配气相位，装配时应将正时齿轮上的正时记号对齐。 用于公共汽车的大宇斗山DL08水冷、直列4 冲程、涡轮增压、空气中冷柴油发动机的凸 轮轴正时齿轮机构装在发动机后端的飞轮壳
8、内。这个齿轮系还驱动机油泵、空气压缩机、动 力转向泵以及燃油高压泵，见图所示。 大宇斗山 DL08 柴油发动机的正时齿轮机构 2）链传动 对于凸轮轴上置式的配气机构， 有些发动机采用链传动来解决曲轴与凸轮轴之间的传动 问题，见图。为防止由于链条过长而产生链条抖动现象，设有导链板。由于在使用中链节的 磨损，链条会逐渐变长，为此设有链条张紧器，以便对链条进行张紧。链条张紧器通常为棘 齿型且配备止回机构，它利用弹簧和机油压力使链条始终保持适当的张力。 图 1- 335 正时链传动和链条张紧器 有些发动机为了缩短链条长度，减小凸轮轴链轮的尺寸，更有利于发动机结构紧凑，采 用了两级链传动，如2005凯迪
9、拉克3.6升LY7发动机采用的正时链条传动机构。 链传动的可靠性好，使用寿命长。缺点是工作时噪声大，需要润滑。 3）同步齿形带传动 同步齿形带综合了链传动比较精确和带传动传动平稳、 噪声小的优点， 在高速发动机上 得到了广泛的应用，见图。习惯上我们将同步齿形带传动称为正时皮带传动。 同步齿形带传动的配气机构（罗孚 K1.8 发动机） 同步齿形带采用氯丁橡胶制成，中间夹有高强度纤维，在使用中长度不易改变。带和带 轮采用啮合传动，可保证精确的传动比。用高强度材料制成的柔软的胶带，既可保证强度， 又可降低噪声，同时还减小了结构质量。和链传动相比，还降低了成本。 5A-FE发动机的正时皮带与剪式齿轮传
10、动机构 在丰田一些双顶置凸轮轴式发动机上， 其中一条凸轮轴由正时皮带驱动， 而该凸轮轴上 的一个齿轮与另一条凸轮轴上的一个齿轮相啮合， 以驱动另一条凸轮轴(如1UZFE等型发动 机)。这种方式又称“剪式传动”，这是因为一凸轮轴上的齿轮为“剪式齿轮”的缘故。 剪式齿轮的结构原理 剪式齿轮的作用是：控制间隙，减少噪音。图1-337中5A-FE发动机的正时皮带驱动排气 凸轮轴， 然后排气凸轮轴通过斜齿轮与进气凸轮轴上的剪刀式齿轮啮合。 这种剪式齿轮的结 构原理如图1-338所示。 4气门的布置方式 4气门的布置方式 大多数发动机均为每缸一个进气门和一个排气门的结构方式。 凡是进气门和排气门数量 相同
11、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。 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。图所示即为某发动机四 气门的布置方式。 图 1- 339 四气门的布置 有些发动机每缸采用了五气门技术，其布置方式如图所示。 五气门的布置 还有的
12、发动机每缸装有两个火花塞，如本田飞度FIT 1.3L L13A3 带i-DSI（智能双火花 塞顺序点火系统）的发动机，其气门与火花塞的布置见图所示。 本田飞度1.3L L13A3 发动机气门与火花塞的布置 5气门间隙 5气门间隙 发动机在冷态下，当气门处于关闭状态时，气门与传动件之间的间隙称为气门间隙。 气门间隙的大小根据车型不同而异。 通常进气门间隙为0.25mm0.30mm； 排气门因受排 气冲刷，温度较高，间隙更大一些，为0.30mm0.35mm。气门间隙的大小可用塞尺在摇臂长 臂端与气门杆接触处和气门杆尾端之间测出或凸轮与挺柱之间测出。 6配气相位 6配气相位 发动机在换气过程中能够做
13、到排气彻底，进气充分，可以提高充气系数，增大发动机发 出的功率。适当的增加进排气时间，使气门早开晚关，是所有发动机广泛采取的措施。 以曲轴转角表示的进、 排气门开闭时刻及其开启的持续时间称作配气相位。 通常用气门 开启与关闭时相对于上下止点曲拐位置的曲轴转角来表示。 （1）进气门的配气相位 实际发动机的进气门是在排气行程还未结束、 活塞顶还未到达上止点时打开的。 从进气 门开始开启到活塞顶到达上止点对应的曲轴转角称为进气提前角， 用来表示。 一般为10 30。进气门早开，主要是为丁当活塞到达上止点时，进气门已有一定的开度，活塞下 行开始进气行程时可显著地减小进气阻力。 进气行程活塞到达下止点时
14、，进气门并未关闭，而是活塞又上行一段距离后才关闭。活 塞位于下止点起、到进气门关闭时对应的曲轴转角称为进气迟后角，用p表示。一般为40 80。活塞在进气行程到达下止点时，气缸内压力仍低于大气压力，适当晚关进气门可 利用压力差继续进气。同时，晚关进气门还可利用气流的惯性继续进气。 由于存在进气提前角和进气迟后角， 进气门实际开启时间对应的曲轴转角为+180 +，约为230290。 （2）排气门的配气相位 在作功行程接近终了、活塞还未到达下止点时，排气门便开始开启。从排气门开始开启 到活塞到达作功行程下止点对应的曲轴转角，称为排气提前角，用表示。一般了约为40 80。 作功行程接近终了，气缸内的压
15、力约为0.3MPa0.4MPa，提前打开排气门，大部分废气 可在此压力下迅速排出， 从而减少活塞上行排气时的阻力， 减小发动机因排气而损耗的功率。 提前打开排气门将高温废气迅速排出， 还可防止发动机过热。 提前打开排气门虽然会损失一 些热量，但由于这些热量作功能力不大，对发动机来说，不会降低其发出的功率。 排气门是在排气行程活塞到达上止点后， 又开始下行一段距离时才关闭的。 从活塞位于 排气终了上止点起，到排气门完全关闭时对应的曲轴转角，称为排气迟后角，用表示。一 般6约为l030。排气门晚关有利于利用排气的惯性和气缸内压力与大气压力之间的压 力差(此时气缸内压力仍高于大气压力)，将废气排得更
16、干净。 由于存在排气提前角丁和排气迟后角S，排气门实际开启时间对应的曲轴转角为+180 +，约为230290。 （3）气门重叠与气门叠开角 由于进气门早开和排气门晚关，在排气终了和进气刚开始、活塞处于上止点附近时，进 排气门同时开启， 这种现象称为气门重叠。 进排气门同时开启过程对应的曲轴转角称为气门 重叠角。气门重叠角的大小为+。 由于气门必须早开晚关， 气门重叠现象是不可避免的。 由于新鲜气流和废气流都有各自 的流动惯性， 在短时间内不会改变流向， 不会出现废气倒流入进气道和新鲜气体随废气一起 排出的现象。 相反， 进入气缸内部的新鲜气体可增加气缸内的气体压力， 有利于废气的排出。 但气门叠开角必须选择适当，否则会出现气体倒流现象。 （4）配气相位图 将进排气门的实际启闭时刻和开启过程用相对于上下止点曲拐位置的曲轴转角的环形 图来表示，更为直观。这种图形称为配气相位图。 发动机在工作时，活塞上下移动，通过连杆使与之相
