內燃機第三章配氣機構

內燃機第三章配氣機構第一節(jié)概述

4/5/20232一、功用：按照發(fā)動機各缸工作過程的需要，定時地開啟和關閉進、排氣門，使新鮮可燃混合氣(汽油機)或空氣(柴油機)及時進入氣缸，廢氣及時排出氣缸。4/5/20233二、類型：根據(jù)凸輪軸的位置分為下置式、中置式上置式。4/5/20234(一)下置凸輪軸式1、結構特點（1）凸輪軸裝在曲軸箱內，而搖臂軸裝在氣缸蓋上，兩者相距較遠，推桿較長。4/5/20235（2）凸輪軸距曲軸較近，兩者之間采用正時齒輪傳動。4/5/202362、組成：氣門驅動組氣門組4/5/20237氣門驅動組由正時齒輪、凸輪軸、氣門挺柱、推桿、調整螺釘和鎖緊螺母、搖臂、搖臂軸、搖臂軸支架等組成。4/5/20238氣門組：主要由氣門鎖片、氣門彈簧座、氣門彈簧、氣門、氣門導管、氣門座等組成。4/5/202393、工作過程（1）氣門打開：曲軸通過正時齒輪驅動凸輪軸旋轉，凸輪軸上的凸起部分通過挺柱、推桿、調整螺釘，推動搖臂擺轉，搖臂的另一端便向下推開氣門，同時氣門彈簧進一步壓縮。4/5/202310（2）氣門關閉：當凸輪的凸起部分的頂點轉過挺柱以后，在氣門彈簧張力的作用下，氣門開度逐漸減小，直至最后關閉。4/5/202311（二）中置凸輪軸式配氣機構其結構特點為1、凸輪軸位于氣缸體的上部2、推桿較短，運動慣性小。3、也可省去推桿，而由挺柱直接驅動搖臂。4/5/202312(三)凸輪軸上置式配氣機構其結構特點為1、凸輪軸位于氣缸蓋上。2、凸輪軸直接通過搖臂來驅動氣門，沒有挺柱和推桿，使往復運動慣量大大減小，因此它適用于高速發(fā)動機。4/5/202313三、氣門間隙1、定義氣門完全關閉時，氣門桿尾端與氣門驅動組零件之間的間隙。4/5/2023142、必要性：如果氣門及其傳動件之間，在冷態(tài)時無間隙，則發(fā)動機在熱態(tài)，氣門及其傳動件的受熱膨脹將引起氣門關閉不嚴，造成發(fā)動機在壓縮和作功行程中漏氣，而使功率下降，嚴重時甚至不易起動。為此，在冷態(tài)時應該留氣門間隙。4/5/2023153、氣門間隙過大和過小的危害正常：冷態(tài)時，進氣門0.25mm~0.35mm，排氣門0.30mm～0.35mm。4/5/202316過大：（1）傳動零件之間及氣門和氣門座之間產生撞擊響聲，并加速磨損。（2）使氣門開啟的持續(xù)時間減少，氣缸充氣和排氣情況變壞。過?。簾釕B(tài)下使氣門關閉不嚴而發(fā)生漏氣，導致功率下降，甚至燒壞氣門。4/5/202317四、配氣相位（一）定義：用曲軸轉角表示的進、排氣門開閉時刻和開啟持續(xù)時間，稱配氣相位。4/5/202318（一）配氣相位的必要性1、因發(fā)動機轉速高，氣門開啟的理論持續(xù)時間極短。例如四沖程發(fā)動機轉速3000r/min時，一個行程時間只有0.01s。2、氣門開啟需要一個過程，氣門全開時間就更短。在這樣短的時間內，難以做到進氣充分和排氣干凈，因此實際發(fā)動機的進、排氣門都要早開和晚關，氣門開啟的持續(xù)角都大于1800。4/5/202319(三）進氣門的配氣相位1、進氣提前角（1）定義：從進氣門開始開啟到上止點所對應的曲軸轉角稱為進氣提前角(或早開角)。進氣提前角用α表示，α一般為100～300。4/5/202320（2）進氣提前角的目的：進氣門早開，使得活塞到達上止點開始向下運動時，進氣門已有一定的開度，可獲得較大的進氣通道截面，減少進氣阻力。4/5/2023212、進氣遲后角（1）定義：從下止點到進氣門關閉所對應的曲軸轉角稱為進氣遲后角(或晚關角)。進氣遲后角用β表示，β一般為400～800。4/5/202322（2）目的1）利用缸內外的壓力差繼續(xù)進氣：到下止點時，氣缸內的壓力仍低于大氣壓2）利用氣流的慣性繼續(xù)進氣所以進氣門適當晚關可使進氣較充分。4/5/202323(四)排氣門的配氣相位1、排氣提前角(或早開角)（1）定義：從排氣門開始開啟到下止點所對應的曲軸轉角排氣提前角用γ表示，γ一般為400～800。4/5/202324（1）目的1）利用缸內外的壓力差繼續(xù)排氣：排氣門早開，氣缸內300kPa～500kPa的壓力，使氣缸內的廢氣迅速地自由排出。2）減少排氣沖程所消耗的功率：因排氣門早開，廢氣先排出一部分，活塞到達下止點時，氣缸內只剩約110kPa～120kPa的壓力，使排氣沖程所消耗的功率大為減少。3）高溫氣體的早排，可以防止發(fā)動機過熱。4/5/2023252、排氣遲后角（1）定義：從上止點到排氣門關閉所對應的曲軸轉角稱為排氣遲后角(或晚關角)。排氣遲后角用δ表示，δ一般為100～300。4/5/202326（2）排氣遲后角的目的1）利用缸內外的壓力差繼續(xù)排氣：因活塞到達上止點時，氣缸內的壓力仍高于大氣壓，可利用缸內外的壓力差繼續(xù)排氣。2）利用廢氣流的慣性繼續(xù)排氣：因活塞到達上止點時，廢氣流還有一定的慣性，仍能繼續(xù)排氣。所以排氣門適當晚關可使廢氣排得較干凈。4/5/202327（五）氣門的疊開1、定義：由于進氣門早開和排氣門晚關，就出現(xiàn)了一段進排氣門同時開啟的現(xiàn)象，稱為氣門疊開。進排氣門同時開啟的角度，即進氣門早開角與排氣門晚關角的和（α+δ），稱為氣門疊開角。4/5/202328思考：氣門的疊開會不會產生廢氣倒排回進氣管和新鮮氣體隨廢氣排出的問題？4/5/202329答案不會因疊開時氣門的開度較小，且新鮮氣體和廢氣流的慣性要保持原來的方向，所以只要疊開角適當，就不會產生廢氣倒排回進氣管和新鮮氣體隨廢氣排出的問題。4/5/202330第二節(jié)氣門驅動組的主要機件主要機件有凸輪軸及其驅動裝置、挺柱、推桿、搖臂及搖臂軸等4/5/202331一、凸輪軸及其驅動裝置(一)凸輪軸的功用1、驅動和控制各缸氣門的開啟和關閉，使其符合發(fā)動機的工作順序、配氣相位及氣門開度變化規(guī)律等要求。2、驅動汽油泵、機油泵和分電器等。4/5/202332(二)凸輪軸的構造凸輪軸主要由凸輪、凸輪軸軸頸等組成。對于下置式凸輪軸，還有偏心輪(用于驅動汽油泵)、螺旋齒輪(用于驅動機油泵和分電器)。4/5/2023331、凸輪（1）凸輪的輪廓（2）結構：凸輪的輪廓保證氣門開啟和關閉的持續(xù)時間符合配氣相位的要求。O為凸輪的中心，EA為凸輪的基圓，AB和DA為凸輪的緩沖段，BCD為凸輪的工作段。CODNEAMB4/5/202334（3）工作：當挺柱處于EA上時，氣門處于關閉狀態(tài)。當凸輪轉至A點時，挺柱開始移動，在緩沖段AB內的某點M處消除氣門間隙，氣門開始開啟，至C點時氣門開度最大，而后逐漸關小，至緩沖段DE內的某點N時，氣門完全關閉，此后，挺柱繼續(xù)下落，出現(xiàn)氣門間隙，至E點時挺柱又處于最低位置。CODNEAMB4/5/202335(4)同名凸輪的相對角位置凸輪軸上各缸進氣(排氣)凸輪，即同名凸輪的相對角位置與凸輪軸的轉動方向、各缸的工作順序和作功間隔角有關。直列四沖程發(fā)動機其同名凸輪間的夾角等于作功間隔角的一半，如四缸為900，六四缸為1200，4/5/2023362、凸輪軸軸頸（1）作用：用來支承凸輪軸。（2）凸輪軸各道軸頸的直徑有的相等，但也有的從前往后逐漸減小，以便于安裝。4/5/202337（1）有的凸輪軸軸頸上有油孔。為一下置式凸輪軸的最后一道軸頸上鉆一與軸平行的通孔。（2）有的凸輪軸軸頸上有油槽，搖臂的潤滑是靠該油槽，通過缸體上的油道輸送潤滑油。4/5/202338(三)凸輪軸的驅動凸輪軸是通過傳動裝置來驅動的，其傳動裝置有齒輪式、鏈條式和齒形皮帶式。4/5/2023391、齒輪傳動（1）齒輪式用于下置式凸輪軸的驅動。（2）汽油機用一對正時齒輪傳動4/5/202340柴油機上凸輪軸與曲軸中心距較大，且需要同時驅動噴油泵，需加入中間惰輪傳動4/5/202341正時齒輪都用斜齒輪并用不同材料制成，以減小噪聲和磨損。通常小齒輪用中碳鋼，大齒輪柴油機用鋼而汽油機用夾布膠木或塑料。4/5/202342（4）正時齒輪上有正時記號，裝配時必須使記號對齊，以保證配氣正時。圖a的A—B,圖b中有三對記號，1—1為配氣正時記號，2—2為噴油正時記號，3—3為二者共用正時記號，裝配時三對記號必須都對正。4/5/2023432、鏈條傳動和齒形皮帶傳動（1）鏈條傳動噪聲小，一般用于中置或上置凸輪軸的發(fā)動機上4/5/202344（2）為了防止鏈條抖振，設有導鏈板和張緊裝置，張緊裝置有機械式和液壓式兩種。在高速發(fā)動機上廣泛采用氯丁橡膠齒形皮帶傳動代替鏈條傳動，噪聲顯著減少，且質量輕、包角大、嚙合量大，齒向壓強小，工作可靠。4/5/202345齒形帶傳動4/5/202346（四）凸輪軸的軸向限位裝置1、作用：防止凸輪軸在工作中產生軸向竄動和承受斜齒輪產生的軸向力。4/5/2023472、結構：在凸輪軸前軸頸與正時齒輪之間壓裝有調節(jié)環(huán)，調節(jié)環(huán)外面松套一止推板，止推板用螺釘固定于氣缸體前端面，調節(jié)環(huán)的厚度大于止推板的厚度，二者之差稱為凸輪軸的軸向間隙(0.08mm～0.20mm)。4/5/202348二、氣門挺柱與推桿（一）挺柱1、功用：將凸輪的推力傳給推桿或氣門。4/5/2023492、普通挺柱的構造1）型式：常見挺柱有筒形和菌形兩種2）挺柱的旋轉目的：使挺柱磨損均勻。因挺柱工作時，由于受凸輪側向推力的作用會引起挺柱與導管之間單面磨損，又因挺柱底面與凸輪始終在一處接觸，也會造成磨損不均勻。4/5/202350措施：挺柱底部工作面多制成球面，并且把凸輪制成錐形。這樣，在工作時，由于凸輪與挺柱的接觸點偏離挺柱軸線，當挺柱挺起時，接觸點的摩擦力使其繞本身軸線轉動，以達到磨損均勻的目的。4/5/2023513、液力挺柱（1）目的：解決了因有氣門間隙而產生的沖擊及噪音問題。4/5/202352（2）結構：液力挺柱由挺柱體、柱塞、球座、柱塞彈簧、單向閥和單向閥彈簧等組成。挺柱體和柱塞上有油孔與發(fā)動機機體上相應的油孔相通。球座為推桿的支承座。單向閥有片式和球式兩種。4/5/202353（3）工作情況發(fā)動機工作時，機油沿主油道供到氣門挺柱4/5/2023541）當氣門關閉時，機油經挺柱體和柱塞上的油孔壓進柱塞腔A內，推開單向閥充入挺柱體腔B內。柱塞便在挺柱體腔油壓及柱塞彈簧的作用下上行，與氣門推桿壓緊。4/5/202355但此壓力遠小于氣門彈簧張力，氣門不會被打開只是消除了整個配氣機構中的間隙。同時，B腔內油液已充滿，單向閥關閉。4/5/2023562）氣門

的開啟當凸輪轉到工作面使挺柱上推時，由于單向閥已關閉，柱塞便推壓挺柱體腔B內油液使壓力升高，而液體具有不可壓縮性，4/5/202357挺柱便像一個整體一樣推動氣門開啟。此過程中，由于挺柱體腔內油壓較高，在柱塞與挺柱體的間隙處，將有少數(shù)油液泄漏而使“挺柱縮短”。4/5/2023583）氣門的關閉：當凸輪轉到非工作面時，解除了對挺柱的推力，使挺柱體腔B內油壓降低。于是，主油道的油壓將再次推開單向閥，向挺柱體腔內充油，4/5/202359以補充工作時的泄漏，并且此油壓又和柱塞彈簧一起使柱塞上推，始終保持配氣機構無間隙。4/5/2023604）若氣門和

推桿受熱膨脹時挺柱回落后向挺柱體腔內補油時，便會減少補油量，從而使挺柱自動“縮短”。因此可不留氣門間隙仍能保證氣門關閉。4/5/202361相反，若氣門和推桿冷縮，則挺柱回落后向挺柱體腔內補油時，便會增加補油量，從而使挺柱自動“伸長”。因此仍保持配氣機構無間隙。4/5/202362(4)使用液力挺柱的

發(fā)動機應注意以下問題：1）對潤滑油的壓力和濾清質量要求較嚴格。當潤滑油壓力過低時，補油能力下降，氣門間隙大；2）液力挺柱拆洗后，裝機前必須人工排氣，否則起動困難；3）冷機或停放時間長時，起動后有短暫氣門響聲，這是正?，F(xiàn)象。4/5/202363(5)奧迪轎車和桑塔納轎車發(fā)動機液力挺柱的特點：1）采用倒置的液力挺柱，直接推動氣門開啟；4/5/2023642）挺柱體是由上蓋和圓筒，經加工后再用激光焊接成一體的薄壁零件；單向閥采用鋼球彈簧式結構。4/5/202365(二)推桿1、作用：將挺柱傳來的推力傳給搖臂。2、結構：推桿一般采用冷拔無縫鋼管制成桿的兩端焊接或壓配有不同形狀的端頭，下端通常是圓球形，以便與挺柱的凹球形支座相適應；上端一般采用凹球形。4/5/202366三、搖臂和搖臂組1、功用：將推桿或凸輪傳來的推力傳給氣門使其開啟。4/5/2023672、結構搖臂裝在搖臂軸上，搖臂軸通過搖臂軸支座裝在氣缸蓋上。搖臂是一個不等臂杠桿，其長臂一端驅動氣門。4/5/2023683、浮動式搖臂其搖臂沒有中間支承軸，是在導槽中浮動的安裝。搖臂的一端安裝在氣缸蓋的液力挺柱上，另一端驅動氣門，凸輪抵在搖臂的中部。4/5/202369四、半球形燃燒室

的氣門驅動裝置1、兩氣門成橫向V型排列，即進、排氣門在氣缸蓋的左右兩側。4/5/202370五、雙氣門的驅動裝置某些大排量、高轉速、高功率的發(fā)動機，由于氣門尺寸的限制，每缸兩個氣門不能滿足換氣的需要，而采用三氣門（兩進一排）或四氣門（兩排兩進），因此必須有使兩同名氣門同步開閉的驅動裝置。4/5/202371每缸采用四氣門時，其氣門排列的方案有兩種：1、

同名氣門排成兩列由一個凸輪通過T形驅動桿同時驅動，并且所有氣門都可以由一根凸輪軸驅動。4/5/2023722、

同名氣門排成一列進排氣門分別位于曲軸中心線的兩側，分別采用兩根凸輪軸驅動，每缸兩同名氣門采用兩個形狀和位置相同的位置驅動。4/5/202373第四節(jié)氣門組的主要機件氣門組的主要機件有氣門、氣門彈簧、氣門導管等4/5/202374一、氣門(一)材料1、

進氣門：采用中碳合金鋼，如鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼等。2、

排氣門：因排氣門熱負荷大，所以采用耐熱鋼，如硅鉻鋼、硅鉻鉬鋼、等硅鉻錳鋼等。4/5/202375（二）氣門的一般構造1、

氣門頭部（1）

頭部形狀4/5/2023761）

平頂：結構簡單、制造方便、受熱面積小，進排氣門均用。2）

凸頂：受熱面積大，用于某些排氣門。4/5/2023773）凹頂：也稱漏斗形，質量小、慣性小，頭部與桿部有較大的過渡圓弧，使氣流阻力小，有較大的彈性，對氣門座的適應性好，但受熱面積大，易存廢氣，容易過熱及受熱易變形，所以僅用作進氣門。4/5/202378（2）

氣門錐角1）

定義：氣門錐面與頂平面的夾角稱氣門錐角。α4/5/2023792）

氣門錐角的作用就向錐形塞子可以塞緊瓶口一樣，能獲得較大的氣門座合壓力，以提高密封性和導熱性；氣門落座時有自動定位作用；避免氣流拐彎過大而降低流速；氣門落座時能擠掉接觸面的沉積物，即有自潔作用。4/5/2023803）

進、排氣門錐角的大小進氣門錐角較小，多用300。因錐角越小，進氣通道截面越大，進氣量越多。排氣門錐角較大，通常為450。因錐角越大，氣門頭部邊緣的厚度大，不易變形。排氣門熱負荷較大而用較大的錐角，以加強散熱和避免受熱變形。且錐角越大，座合壓力越大，自潔作用越大。4/5/2023813）

氣門頭部直徑氣門頭部直徑越大，氣門口通道截面就越大，進、排氣阻力就越小。通常進氣門頭部直徑大于排氣門。另外，排氣門稍小些，還不易變形。h1<h2h1h24/5/2023822、

氣門的桿部氣門的桿部起導向、散熱作用。（1）

彈簧座的固定：鎖片式結構。氣門桿的尾部切有凹槽，用分成兩半的錐形鎖片卡在凹槽中，鎖片錐形外圓與彈簧座的錐形孔貼合，在彈簧作用下，鎖片與彈簧座的錐孔相互卡緊不會脫落。4/5/202383（2）氣門的防脫裝置：有些發(fā)動機的氣門，在桿部鎖片槽下面另有一條切槽裝一卡環(huán)以防萬一氣門彈簧折斷時氣門有落入氣缸發(fā)生搗缸的危險。4/5/202384（3）氣門油封發(fā)動機高速化后，進氣管中的真空度顯著提高，氣門室中的機油會通過氣門桿與導管之間的間隙被吸入進氣管和氣缸內，使機油消耗增加，在氣門上和燃燒室內產生積碳。為此，發(fā)動機的氣門桿上部都裝有機油防漏裝置，4/5/202385二、氣門座1、

定義：氣缸蓋（或缸體）的排氣道與氣門錐面相座合的部位稱為氣門座。2、

氣門座錐角氣門座錐角是與氣門錐角相適應的，以保證二者緊密座合，可靠地密封。氣門座錐角通常為450（或300）。b450（300）1507504/5/2023863、

氣門干涉角（1）定義：即氣門的錐角比氣門座的錐角小0.50～1.00。0.50~104/5/202387（2）

氣門干涉角的作用1）

減小二者之間的接觸面積，提高了單位壓力，加快了磨合速度，同時也提高了密封性；2）

可擠出二者之間的夾雜物，即具有自潔作用；3)在氣體壓力作用下產生彈性變形時，可趨向全錐面接觸；4/5/2023884）

防止加工時出現(xiàn)負干涉角，而使氣門暴露在熾熱燃氣中的受熱面積增加，使氣門的熱負荷增加。氣門干涉角上述諸作用中，提高密封能力和加速磨合是主要的，隨著走合期的結束，干涉角也逐漸自行消除，恢復了全工作面接觸。4/5/2023894、

氣門座的形成（1）

直接形成式：直接在缸蓋（或缸體）上加工出來。該種形式修復困難，且不經濟。b450（300）1507504/5/202390（2）

鑲座式優(yōu)點：可節(jié)省好材料，提高了使用壽命，便于更換修理。所以，大多數(shù)發(fā)動機的氣門座是用耐熱合金鋼或合金鑄鐵單獨制成座圈，然后壓入氣缸蓋（體）中。缺點：1）傳熱差。如排氣門鑲座式溫度可高出500～600。2)如果裝配不當，會發(fā)生松脫或與缸蓋配合不好，影響散熱。4/5/202391（3）

是否鑲座的幾種情況1）

鋁合金氣缸蓋必須鑲雙座圈，因其耐磨、耐熱性差。2）

有的汽油機的排氣門鑲座圈，而進氣門不鑲座圈。因為排氣門座熱負荷大，而進氣管中真空度大，會從氣門導管間隙吸進少量機油，對進氣門座進行潤滑。4/5/2023923)柴油機一般情況是進、排氣門都鑲座，有的柴油機只鑲進氣門座圈，這是由于柴油機的廢氣往往在排氣過程中還有未燃完的柴油，可對排氣門座進行潤滑。而柴油機因沒有節(jié)氣門，進氣管中真空度小，難以從近氣門導管處吸進機油，對進氣門座進行潤滑。4/5/202393三、氣門導管1、

作用（1）

為氣門運動導向。（2）

為氣門桿傳熱。材料：用含石墨較多的鑄鐵或粉末冶金制成。以提高自潤滑性能。4/5/2023942、

結構(1)防脫落結構1)一般外表面為無臺肩的圓柱形，其外表面加工精度較高，與缸蓋(體)過盈配合，以保證良好地傳熱和防止松脫。4/5/2023952)帶凸臺和帶卡環(huán)的導管過盈量較小，因氣門彈簧下座將凸臺或卡環(huán)壓住，使導管軸向定位可靠，不致脫落。鋁合金缸蓋常用帶凸臺和卡環(huán)的導管，其過盈量較小，便于拆裝。4/5/202396（2）

氣門導管壓入進、排氣歧管的深度1）

過深：氣流阻力大，對排氣門來說，還因廢氣對導管的沖刷面積加大，提高了工作溫度，而影響氣門的散熱。2）

過淺：氣門桿受熱面積加大，氣門桿溫度升高，會影響氣門頭部的散熱。措施：加大壓入深度，而將伸入端的內孔及外圓做成錐形，這樣既減少了廢氣對氣門桿的沖刷，也避免了導管高溫部分與氣門桿的接觸。伸入端的外圓做成錐形，是為了減小氣流阻力。4/5/202397四、氣門彈簧1、

作用(1)保證氣門自動回位關閉而密封。(2)保證氣門與氣門座的座合壓力。(2)吸收氣門在開啟和關閉過程中傳動零件所產生的慣性力，以防止各種傳動件彼此分離而破壞配氣機構正常工作。4/5/2023982、

要求因氣門彈簧承受著頻繁的交變載荷，為保證氣門彈簧可靠地工作，要求氣門彈簧（1）

具有合適的彈力；（2）

具有足夠的強度和抗疲勞強度；采用優(yōu)質冷拔彈簧鋼絲制成。鋼絲表面經拋光或噴丸處理。4/5/2023993、

氣門彈簧防共振的結構措施當氣門彈簧的工作頻率與其自然振動頻率相等或成某一倍數(shù)時，將會發(fā)生共振，造成氣門反跳、落座沖擊，并可使彈簧折斷。為此，采取以下幾種防共振的結構措施：(1)提高氣門彈簧的自然振動頻率，即提高彈簧的剛度：如加粗鋼絲直徑或減小彈簧的圈徑，即粗絲小徑。但由于彈簧剛度大，增加了功率消耗和零件之間的沖擊載荷。4/5/2023100（2）

采用雙氣門彈簧：每個氣門裝兩根直徑不同、旋向相反的內外彈簧。由于兩彈簧的自然振動頻率不同，當某一彈簧