配气机构课件

第三章配气机构主讲：李会芳主要内容：

概述气门式配气机构的布置及传动配气定时配气机构的组成和零件可变气门机构概述配气机构的功用充气效率返回1、功用按照发动机每个气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭气缸的进、排气门，使新鲜冲量（汽油机为可燃混合气、柴油机为空气）得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。返回2、 充气效率Φc：新鲜充量充满气缸的程度又称充量系数、容积效率定义：发动机每一工作循环进入气缸的实际充量（新鲜可燃混合气或空气）与进气状态下充满气缸工作容积的理论充量的比值，即Φc

=M/M0M——进气过程中，实际进入气缸的新气的质量；Mo——在理想状态下，充满气缸工作容积的新气质量。充气效率越高越好，而其大小与配气机构结构有直接的关系。充气效率一般为何值?（取值范围）返回一、气门式配气机构的布置及传动1、气门的布置形式2、凸轮轴的布置位置3、凸轮轴的传动方式4、链（带）传动的张紧机构（见教材）5、每缸气门数及其排列方式6、气门间隙7、常用气门顶置配气机构的类型返回1、气门的布置型式①气门顶置式配气机构气门位于气缸盖上由凸轮、挺柱、推杆、摇臂、气门和气门弹簧等组成。

优点：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。

气门顶置式配气机构工作过程A、气门行程大，结构较复杂，燃烧室紧凑。B、曲轴与凸轮轴传动比为。2:1不足：②气门侧置式配气机构气门位于气缸体侧面组成：凸轮、挺柱、气门和气门弹簧等。省去了推杆、摇臂等另件，简化了结构。特点：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。

返回动画2、凸轮轴的布置型式①凸轮轴下置

有利因素：

不利因素是什么？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。简化曲轴与凸轮轴之间的传动装置（齿轮传动），有利于发动机的布置。②凸轮轴中置式传动方式：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。凸轮轴挺柱活塞摇臂调整螺钉③凸轮轴上置式应用：高速发动机如：桑塔纳轿车发动机凸轮轴凸轮轴活塞特点：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返回3、凸轮轴的传动方式传动方式传动路线特点应用齿轮传动曲轴正时齿轮（钢）→凸轮轴正时齿轮（铸铁或胶木）工作可靠，啮合平稳、噪声小凸轮轴下置、中置式配气机构链条传动曲轴→链条→凸轮轴正时齿轮可靠性、耐久性略差，噪声大，造价高凸轮轴上置式配气机构齿形带传动曲轴→齿形皮带→凸轮轴正时齿轮成本低，但工作性能好凸轮轴上置式配气机构凸轮轴的传动方式比较上链条张紧装置下链条张紧轮曲轴链轮中间链轮凸轮轴链轮导链板齿带传动图例一汽奥迪轿车的齿形带传动装置凸轮轴曲轴返回5、气缸气门数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或五个气门结构。即两或三个进气门和两个排气门。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。优点多气门的优点：充量系数较高：排气门的直径可适当减小，使其工作温度相应降低，提高了工作可靠性；改善了配气机构的动力性：适当减小气门升程；利于改善HC和CO的排放性能。各缸气门数及其排列方式比较：每缸气门数每缸2气门每缸4气门每缸5气门结构特点一进一排，进气门直径大于排气门两进两排，排气门直径可减小一般为3进2排排列方式所有气门排成一列，进、排气门交替布置同名气门排成2列，同名气门排成1列同名气门排成一列驱动方式一根凸轮轴驱动前者：1根凸轮轴和T型杆驱动；后者：两根凸轮轴分别用2根凸轮轴驱动同名气门优缺点气道结构简单，利于缸盖冷却充气效率高，有利于改善排放充气效率更高，排放性能好，降低油耗代表车型货车发动机多数新款轿车宝来1.8T相邻气门共用一个气道进排气门交替排列每缸4气门排列方式每缸4气门驱动方式返回6、气门间隙气门间隙：为保证气门关闭严密，通常发动机在冷态装配时，在气门杆尾端与气门驱动零件（摇臂、挺柱或凸轮）之间留有的间隙。适当热态下，气门及其传动件的受热膨胀势必引起气门关闭不严，造成发动机在压缩和做功行程中的漏气，从而使功率下降，严重时甚至不易启动。无或过小过大使传动零件之间以及气门和气门座之间产生撞击声，而且加速磨损；同时气门开启持续时间减少，气缸的充气及排气情况变坏。气门杆摇臂气门间隙气门间隙进气门0.25~0.30mm排气门0.30~0.35mm为何排气门间隙大于进气门间隙？采用液压挺柱的配气机构不需要留气门间隙。气门间隙气门间隙气门间隙作用：给热膨胀留有余地

保证气门密封返回7、常用气门顶置配气机构的类型气门顶置，下置凸轮轴（OHV）气门顶置，上置凸轮轴（OHC）气门顶置，双摇臂，上置凸轮轴（OHV/OHC）气门顶置，上置双凸轮轴（OHV/DOHC）具体形式示例：顶置气门成单列排列顶置气门成双列排列进气门和排气门不在同一条直线上，凸轮驱动气门要通过摇臂中置凸轮轴顶置气门布置方式凸轮轴中置气门顶置返回二、配气定时1、配气定时工作原理2、可变配气定时典型机构返回1、配气定时工作原理①基本概念②理论上的配气相位分析③实际的配气相位分析④演示及结论①基本概念配气定时：进、排气门的实际开闭时刻。配气相位：用曲轴转角表示的进、排气门的实际开闭时刻和开启的持续时间。②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、排气的要求。进饱排净？原因：①气门的开、闭有个过程开启总是由小→大，关闭总是由大→小

②气体惯性的影响随着活塞的运动

同样造成进气不足、排气不净③发动机速度的要求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。③实际的配气相位分析a、气门早开晚闭气门早开晚闭的可能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。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。b、气门重叠气门重叠角：由于进气门早开，排气门晚关，势必造成在同一时间内两个气门同时开启。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。气门叠开角：气门同时开启的角度（

+

）。排气过程进气过程气门叠开的后果？在这段时间内，可燃混合气和废气是否会乱串呢？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；进气门附近有降压作用，有利于进气。不会！为什么？C、进、排气门的实际开闭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°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°d、配气相位

10°~30°

40°~80°

40°~80°

10°~30°上止点下止点④演示及结论结论：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。返回2、可变气门机构可变凸轮相位

机械式谐波传动可变配气相位机构电磁、液压控制可变配气相位机构可变配气相位和气门升程机构多模式可变配气相位机构三、配气机构的零件和组件气门组

思考题气门传动组返回动画工作原理1、气门组组成：

要求：返回气门组动作保证气缸的密封。结构上如何保证？气门、气门导管、气门座、气门弹簧、弹簧座、锁片、油封罩等零件组成。有的进气门还设有气门旋转机构。结构要求：①气门头部与气门座贴合严密；②气门导管与气门杆的上下运动有良好的导向；③气门弹簧的两端面与气门杆的中心线相垂直，以保证气门头在气门座上不偏斜；④气门弹簧的弹力足以克服气门及其传动件的运动惯性力，使气门能及时关闭，并保证气门紧压在气门座上。返回1）气门功用：工作条件：

性能要求：

结构要求：结构特点：进气门570K~670K（铬钢或铬镍钢）排气门1050K~1200K（硅铬钢）头部杆部

气门头部形状

气门锥角

气门杆燃烧室的组成部分，是气体进、出燃烧室通道的开关，承受冲击力、高温冲击、高速气流冲击。进气门600K~700K，排气门800K~1100K。头部承受气体压力、气门弹簧力、传动惯性力等，冷却和润滑条件差，被气缸中燃烧生成物中的物质所腐蚀。强度和刚度大、耐热、耐腐蚀、耐磨为保证发动机换气充分，要求气门有尽可能大的通过能力。气门打开时，新鲜空气或排出废气从气门升起后形成的圆台面积流过。增加气门直径,加大气道喉口直径、增加气门升程和减小气门锥角等都可以增加气门流通面积，提高换气效率。返回①气门头部的结构形式结构简单，制造方便，吸热面积小，质量也较小，进、排气门都可采用。又称凸顶式，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，但球形的受热面积大，质量和惯性力大，加工较复杂。又称凹顶式，

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。排气门杆部充液态钠，在密封锥面和尾部堆焊合金，以耐磨.由于发动机工作时，排气门经常处于高温条件下工作，钠约在970℃时为液态，具有良好的热传导能力。通过液态纳的来回运动,热量能很快从气门头部传到根部，可降低温度约l00℃。这样有利于降低混合气自燃的危险，从而握高了气门的使用寿命。

在维修发动时，进、排气门不能修整，只允许研磨。捷达l.6L发动机排气门内部注有钠。视频进气门排气门h1h2

气门头部直径气门头部直径越大，气门口通道截面就越大，进、排气阻力就越小。通常进气门头部直径大于排气门。另外，排气门稍小些，还不易变形。h1<h2返回②气门锥角气门锥角：锥角作用：装配前应将密封锥面研磨。边缘应保持一定的厚度，1~3mm。气门头部与气门座圈接触的锥面与气门顶部平面的夹角。A、获得较大的气门座合压力，提高密封性和导热性。B、气门落座时有较好的对中、定位作用。C、避免气流拐弯过大而降低流速。气门锥角的大小进气门：一般为30°，原因是在相同气门升程情况下，锥角小时进气阻力小；但由于头部边缘较薄，刚度差，密封性及导热性均差。排气门：一般为45°，因其热负荷较大。返回③气门杆圆柱形，在气门导管中不断做往复运动。较高的加工精度，表面经过热处理和磨光，保证同气门导管的配合精度和耐磨性气门杆尾部：其形状决定于弹簧座固定方式凹槽易断裂处气门杆弹簧座的固定形式凹槽（环槽）：安装两半锥形锁片。锁销孔：用锁销固定。气门弹簧座返回2）气门导管作用：为气门的运动导向，保证气门直线运动兼起导热作用。工作条件：工作温度较高，约500K。润滑困难，易磨损。气门导管气缸盖过盈配合卡环：防止气门导管在使用中脱落。倒角伸入深度应适量。锥度可减少气流阻力。材料：用含石墨较多的合金铸铁或粉末冶金材料，能提高自润滑作用。加工方法：外表面加工精度较高，内表面精铰。装配：气门杆与气门导管间隙0.05～0.12mm。

视频防脱落结构:(1)一般外表面为无台肩的圆柱形，如图所示。其外表面加工精度较高，与缸盖(体)过盈配合，以保证良好地传热和防止松脱。(2)带凸台和带卡环的导管过盈量较小，因气门弹簧下座将凸台或卡环压住，使导管轴向定位可靠，不致脱落。铝合金缸盖常用带凸台和卡环的导管，其过盈量较小，便于拆装。返回3）气门座气缸盖的进、排气道与气门锥面相结合的部位。气门座合金铸铁、奥氏体钢靠其内锥面与气门锥面的紧密贴合密封气缸。接受气门传来的热量。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。作用：材料：气门座圈： 以较大过盈量镶嵌在气门座上的圆环。镶嵌式气门座特点： 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。

汽油机：排气门采用镶嵌式气门座，进气门直接在缸盖镗 柴油机：进排气门均采用镶嵌式气门座铝合金气缸盖为何气门座都要镶嵌气门座圈？视频返回4）气门弹簧功用：保证气门的回位，使气门与气门座紧密贴合。材料：高锰碳钢、铬钒钢气门弹簧的装配气门弹簧气门弹簧座锁片气门关闭保证气门及时关闭、密封气门开启保证气门不脱离凸轮提高弹簧自身刚度，改变其自振频率圆柱形螺旋弹簧圆柱等螺距弹簧不等距弹簧随着有效圈数的减少，自然频率提高。气门弹簧要避免发生共振（当工作频率和自身频率相等或成某一倍数时），主要措施有：不等距弹簧双弹簧应用车型：奥迪100，捷达，桑塔纳,广州标致505双弹簧布置旋向相反的两个弹簧，防止断裂的弹簧卡入另一弹簧，一根折断后另一根可继续工作双弹簧返回5）气门旋转机构通过发动机运转振动力作用，使气门在气门座上自由的做不规则的旋转的装置，其作用是：减小气门头部受热变形，防止沉积物形成。锁片锁片弹簧座锥形套筒低摩擦型自由旋转机构强制旋转机构气门弹簧支承板碟形弹簧壳体返回思考题1、气门弹簧起什么作用？为什么在装配气门弹簧时要预先压缩？2、气门锥角有什么作用？返回2、气门驱动组组成：凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂。功用：定时驱动气门开闭，并保证气门有足够的开度和适当的气门间隙。凸轮挺柱推杆摇臂凸轮轴正时齿轮摇臂轴返回1）凸轮轴作用：工作条件：材料：结构：知识点：凸轮凸轮轴轴颈驱动分电器的螺旋齿轮驱动和控制各缸气门的开启和关闭，使其符合发动机的工作顺序、配气相位和气门开度的变化规律等要求；保证气门有足够的开度。承受气门间歇性开启的冲击载荷。耐磨，抗冲击韧性，刚度。优质钢、合金铸铁、球墨铸铁凸轮轮廓、轴向定位及其驱动方式凸轮、轴颈、偏心轮、螺旋齿轮；每2气缸一个轴颈；轴颈直径前后依次减小；另有空心凸轮轴，如捷达EA113视频①凸轮工作条件：承受气门弹簧的张力，间歇性的冲击载荷。凸轮性能：表面有良好的耐磨性，足够的刚度、韧性。凸轮与挺柱线接触，接触压力大，磨损快。②同名凸轮的相对角位置同一气缸的进、排气凸轮的相对角位置是与相应的配气相位相对应的。四缸发动机凸轮投影点火顺序：1—2—4—3③凸轮的轮廓凸轮轮廓应保证气门的运动规律符合配气相位的要求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缓冲结束点④凸轮轴的轴向定位：目的：正时齿轮止推板隔圈（调节环）凸轮轴颈凸轮轴的轴向间隙气缸体利用调节环控制轴向窜动窜动量为了防止凸轮轴在工作中产生轴向窜动和承受斜齿轮产生的轴向力。④凸轮轴的轴向定位（续）：止推轴承：第一轴承止推片：正时齿轮与第一轴颈之间止推螺钉：正时齿轮盖上以上各结构中均应留有一定间隙，并可调整。止推片⑤凸轮轴的驱动A、齿轮传动：应用在下置凸轮轴发动机。采用斜齿齿轮。⑤凸轮轴的驱动（续）B、链条和齿形皮带传动：链条传动噪声小，用于中置式或顶置式凸轮轴发动机。曲轴正时齿形带轮中间轴齿形带轮张紧轮凸轮轴正时齿形带轮返回2）挺柱（1）作用：将凸轮的推力传给推杆或气门，并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。（2）材料：镍铬合金铸铁或冷激合金制造，其摩擦表面经热处理后研磨。（3）挺柱的分类：菌式气门侧置式筒式气门顶置式，减轻质量滚轮式减小摩擦所造成的对挺柱的侧向力。多用于大缸径柴油机。挺柱的旋转为减少挺柱底面磨损和挺柱体圆周磨损均匀，凸轮工作表面设计成可让挺柱工作时缓慢转动的形式。方法：凸轮表面母线略微倾斜凸轮中线与挺柱中心线不重合。动画菌式挺柱端面与凸轮的关系凸轮为何要成锥形？锥形凸轮挺柱受凸轮侧向推力，产生一定倾斜，长期会造成挺柱与导管间的单面磨损及挺柱与凸轮间的不均匀磨损。因此将凸轮制成锥面，将挺柱底部制成球面，以使磨损均匀。由于存在气门间隙，在高速运动时会产生较大的震动和噪声，不适宜要求行驶平稳和低噪声的发动机。应用?液力挺柱结构：性能：挺柱体柱塞球形支座卡环柱塞弹簧单向阀单向阀架柱塞腔A挺柱体腔B进油口进油通道消除了配气机构的间隙，减小了各零件的冲击载荷和噪声提高发动机高速时的性能。结构复杂，加工精度要求高，且磨损后无法调整，只能更换。应用与较高级轿车液力挺柱工作原理桑塔纳发动机液压挺柱工作示意图气门关闭时气门打开时单向阀弹簧被压缩返回动画示意3）气门推杆作用：将挺柱传来的推力传给摇臂。工作情况：

是气门机构中最容易弯曲的零件。强度要求高，尽量短。材料：硬铝或钢空心推杆实心推杆硬铝推杆钢支承返回4）摇臂功用：将推杆或凸轮传来的力改变方向，作用到气门杆端以推开气门。摇臂结构示意图气门间隙调节螺钉调节螺母摇臂摇臂轴套易磨损部位堆焊耐磨合金摇臂与摇臂轴摇臂结构示意图摇臂比=1.2-1.8润滑油道油槽润滑