第三章 配 气 机 构

1. 第三章 配 气 机 构

2. 本章教学提示 • 教学重点： （1）配气机构主要零部件的功用和结构特点； （2）配气相位和气门间隙的作用； （3）气门间隙的检查与调整。 • 教学难点： （1）配气相位分析； （2）气门间隙的两次调整法。

3. 本章教学要求 • 了解配气机构的功用； • 正确描述配气机构的分类、工作过程和配气相位的定义； • 正确描述配气机构的组成、主要零部件的构造和装配连接关系； • 正确描述配气机构的装配要求和调整方法； • 对配气机构各零件进行正确的检查与维修。

4. 理论知识 • 1. 配气机构的功用及组成 • 2. 配气定时及气门间隙 • 3. 气门组 • 4. 气门传动组

5. 配气机构的功用及组成 • 1. 配气机构的功用及分类 • 2. 配气机构的组成和工作情况

6. 一、配气机构的功用及分类 • 配气机构的功用：按发动机每一汽缸内所进行的工作循环或点火次序的要求，定时地开启和关闭进、排气门，使新鲜可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机)得以及时进入汽缸，废气得以及时从汽缸排出。

7. 配气机构多采用顶置式气门。 • 根据凸轮轴的位置分为下置式、中置式和上置式。 • 对配气机构的要求：减小进气和排气的阻力，使进气和排气都尽可能充分和完善。

8. 二、配气机构的组成和工作情况 • 发动机配气机构的基本组成由气门组和气门传动组组成。气门组的作用是封闭进排气道，气门传动组的作用是使进排气门按配气相位规定的时刻开闭。 • 配气机构按气门组的布置位置不同可分为顶置式配气机构和侧置式配气机构。

9. 顶置式配气机构气门行程大，结构较复杂，燃烧室紧凑，曲轴与凸轮轴传动比为2:1；顶置式配气机构气门行程大，结构较复杂，燃烧室紧凑，曲轴与凸轮轴传动比为2:1； • 侧置式配气机构进排气门都布置在汽缸的一侧，结构简单、零件数目少，气门布置在同一侧导致燃烧室结构不紧凑、热量损失大、进气道曲折、进气阻力大，使发动机性能下降，已趋于淘汰。 • 目前广泛采用的是顶置式配气机构，这里以顶置式配气机构为基础，按凸轮的布置位置介绍几种类型的配气机构。

11. (一)配气机构的组成 1. 凸轮轴下置式配气机构 • 目前，大多数载货汽车和大中型客车发动机都采用这种结构形式，如图所示。

13. 气门组主要包括气门、气门座、气门弹簧、气门弹簧座、气门导管、气门锁片等。气门组主要包括气门、气门座、气门弹簧、气门弹簧座、气门导管、气门锁片等。 • 气门传动组包括驱动气门动作的所有零件，主要零件包括正时齿轮、凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂轴和摇臂等。 • 凸轮轴安装在汽缸体下部的曲轴箱内，位置与曲轴靠近，这样有什么优缺点呢？ • 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，润滑比较方便；但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。

14. 凸轮轴位于汽缸体的上部，如图所示。 2. 凸轮轴中置式配气机构

16. 当发动机转速较高时，为了减少气门传动机构的往复运动质量，可将凸轮轴位置移到汽缸体的上部，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，而省去推杆，但凸轮轴与曲轴距离仍比凸轮轴下置式要远，因而使用一对正时齿轮之间加装一个中间传动齿轮的方法。当发动机转速较高时，为了减少气门传动机构的往复运动质量，可将凸轮轴位置移到汽缸体的上部，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，而省去推杆，但凸轮轴与曲轴距离仍比凸轮轴下置式要远，因而使用一对正时齿轮之间加装一个中间传动齿轮的方法。

17. 现代轿车使用的高速发动机大多采用这种结构形式，如图所示。现代轿车使用的高速发动机大多采用这种结构形式，如图所示。 3. 凸轮轴顶置式配气机构

19. 凸轮轴仍与曲轴平行布置，但位于气门组上方，凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门开启和关闭，省去了推杆，使往复运动质量大大减小。凸轮轴仍与曲轴平行布置，但位于气门组上方，凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门开启和关闭，省去了推杆，使往复运动质量大大减小。 • 但此种布置使凸轮轴距离曲轴较远，因此不便于使用齿轮传动，现多采用同步齿形胶带传动．这种结构形式的气门传动组主要由凸轮轴、同步齿形胶带、摇臂，摇臂轴等组成。

20. 顶置凸轮轴式配气机构根据凸轮轴数通常分为单顶置凸轮轴式(SOHC)和双顶置凸轮轴式(DOHC)两种。顶置凸轮轴式配气机构根据凸轮轴数通常分为单顶置凸轮轴式(SOHC)和双顶置凸轮轴式(DOHC)两种。 (1) 单顶置凸轮轴式配气机构 单顶置凸轮轴配气机构有很多的布置形式，但都是用一根安装在汽缸盖上的凸轮轴，通过挺杆直接(无摇臂总成)或间接(有摇臂总成)驱动所有汽缸的进、排气门。

21. 单顶置凸轮轴，无摇臂总成、一列气门式配气机构如图所示。单顶置凸轮轴，无摇臂总成、一列气门式配气机构如图所示。 • 凸轮轴通过液力挺柱直接驱动气门开启，气门传动组不但没有推杆，也取消了摇臂总成。使配气机构简单化，此种结构在轿车上应用非常广泛。

22. 有些发动机的配气机构，进、排气门也排成两列，但采用单顶置凸轮轴双摇臂轴的布置形式，如图所示。有些发动机的配气机构，进、排气门也排成两列，但采用单顶置凸轮轴双摇臂轴的布置形式，如图所示。

23. (2) 双顶置凸轮轴式配气机构 • 双顶置凸轮轴式配气机构如图所示。 • 特点是用两根凸轮轴分别驱动排成两列的进气门和排气门，此结构形式多用在多气门发动机上。 • 与单顶置凸轮轴式配气机构类似，可通过凸轮轴直接驱动气门，也可通过摇臂间接驱动气门。

24. (二)配气机构的工作情况 • 以顶置凸轮轴配气机构为例。 • ①当凸轮轴上的凸轮基圆部分与挺柱接触时，挺柱和基圆面接触，不升高，气门处于关闭状态。 • ②当凸轮轴转动时，凸轮凸起部分与挺柱接触，将挺柱顶起，挺柱通过推杆调整螺钉使摇臂绕摇臂轴转动，摇臂的长端向下压动气门，克服气门弹簧力使气门打开。

25. ③当凸轮轴继续转动，凸轮凸起部分转过挺柱后又恢复凸轮基圆部分与挺柱接触，凸轮不再向上顶动挺柱，气门在弹簧张力作用下，开度逐渐减小，直至关闭。③当凸轮轴继续转动，凸轮凸起部分转过挺柱后又恢复凸轮基圆部分与挺柱接触，凸轮不再向上顶动挺柱，气门在弹簧张力作用下，开度逐渐减小，直至关闭。

26. 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。气门的开闭时刻与规律完全取决于凸轮的轮廓曲线形状。每次气门打开时，压缩弹簧，为气门关闭积蓄能量。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。气门的开闭时刻与规律完全取决于凸轮的轮廓曲线形状。每次气门打开时，压缩弹簧，为气门关闭积蓄能量。

27. 三、节气门间隙 • 气门间隙是指当气门处于完全关闭状态时，且凸轮以基圆面作用于挺柱，这时气门杆尾端与摇臂头接触面之间的间隙。 • 发动机工作时，气门将因温度升高而膨胀，如果气门及其传动件间，在冷态时无间隙或间隙过小，则在热态时，气门及其传动件的受热膨胀将导致气门关闭不严，造成发动机在压缩和做功行程中漏气，而使功率下降，严重时甚至不易启动。

28. 为了消除这种现象，通常在发动机冷态装配时，在气门与其传动机构中，留有适当的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量，这一间隙通常称为气门间隙。气门间隙过大，将导致气门开启的时间缩短、开启的高度不足，影响进、排气，严重时还会产生撞击声而加速磨损。有的发动机采用液力挺柱，挺柱的长度能自动变化，随时补偿气门的热膨胀量，故不需要预留气门间隙。为了消除这种现象，通常在发动机冷态装配时，在气门与其传动机构中，留有适当的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量，这一间隙通常称为气门间隙。气门间隙过大，将导致气门开启的时间缩短、开启的高度不足，影响进、排气，严重时还会产生撞击声而加速磨损。有的发动机采用液力挺柱，挺柱的长度能自动变化，随时补偿气门的热膨胀量，故不需要预留气门间隙。

29. 1. 配气机构的功用：定时开关进排气门； 2. 配气机构的分类： 按凸轮轴的位置分：顶置式气门、下置式、中置式和上置式； 按气门组的布置分：顶置式、侧置式； 3. 配气机构的组成和作用：气门组、气门传动组； 气门组的作用：封闭进排气道； 气门传动组的作用：使进排气门按配气相位规定的时刻开闭； 4.气门组的组成：气门、气门座、气门弹簧、气门弹簧座、气门导管、气门锁片等； 5.气门传动组的组成：正时齿轮、同步齿形胶带、凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂轴和摇臂等； 6.气门间隙的作用和调整。 本讲小结

30. 配气定时 • 配气定时就是进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表示。这种图形称为配气定时图。

31. 一、配气定时工作原理 • 理论上四冲程发动机的进气门应在曲拐位于上止点时开启，在曲拐转到下止点时关闭；排气门则在下止点时开启，在上止点时关闭。进气时间和排气时间各占180°曲轴转角。但实际发动机的曲轴转速都很高，活塞每一个行程历时都很短。 • 例如，上海桑塔纳轿车发动机在最大功率时的转速为5600r／min。一个行程历时仅为60／(5600*2)s=0.0054s。这样短时间的进气或排气过程，往往会使发动机充气不足或排气不净，从而使发动机的功率下降。

33. 因此，现代发动机都采用延长进、排气时间的方法，即气门的开启和关闭时刻并不正好是曲拐处在上止点和下止点的时刻，而是分别提前和延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机的动力性。因此，现代发动机都采用延长进、排气时间的方法，即气门的开启和关闭时刻并不正好是曲拐处在上止点和下止点的时刻，而是分别提前和延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机的动力性。

34. 在排气行程接近终了，活塞到达上止点之前，即曲轴转到曲拐离上止点的位置还差一个角度α，进气门便开始开启，直到活塞过了下止点重又上行，即曲轴转到曲拐超过下止点位置以后一个角度β时，进气门才关闭。在排气行程接近终了，活塞到达上止点之前，即曲轴转到曲拐离上止点的位置还差一个角度α，进气门便开始开启，直到活塞过了下止点重又上行，即曲轴转到曲拐超过下止点位置以后一个角度β时，进气门才关闭。 • 这样，整个进气行程持续时间相当于曲轴转角180°+α+β。α角一般为10°～30°，β角一般为40°～80°。

35. 进气门提前开启的目的，是为了保证进气行程开始时进气门已开大，新鲜气体能顺利地充入气缸。当活塞到达下止点时，气缸内压力仍低于大气压力，在压缩行程开始阶段，活塞上移速度较慢的情况下，仍可以利用气流惯性和压力差继续进气，因此进气门晚关一点是有利于充气的。进气门提前开启的目的，是为了保证进气行程开始时进气门已开大，新鲜气体能顺利地充入气缸。当活塞到达下止点时，气缸内压力仍低于大气压力，在压缩行程开始阶段，活塞上移速度较慢的情况下，仍可以利用气流惯性和压力差继续进气，因此进气门晚关一点是有利于充气的。 • 同样，作功行程接近终了，活塞到达下止点前，排气门便开始开启，提前开启的角γ一般为40°～ 80°。 • 经过整个排气行程，在活塞越过上止点后，排气门才关闭，排气门关闭的延迟角δ一般约为10°～ 30°。整个排气过程的持续时间相当于曲轴转角180°+γ+δ。

36. 由于进气门在上止点前即开启，而排气门在上止点后才关闭，这就出现了一段时间内排气门和进气门同时开启的现象。这种现象称为气门重叠，重叠时期的曲轴转角称为气门重叠角。由于新鲜气流和废气流的流动惯性都比较大，在短时间内是不会改变流向的。因此只要气门重叠角选择适当，就不会有废气倒流入进气管和新鲜气体随同废气排出的可能性，这对换气是有利的。由于进气门在上止点前即开启，而排气门在上止点后才关闭，这就出现了一段时间内排气门和进气门同时开启的现象。这种现象称为气门重叠，重叠时期的曲轴转角称为气门重叠角。由于新鲜气流和废气流的流动惯性都比较大，在短时间内是不会改变流向的。因此只要气门重叠角选择适当，就不会有废气倒流入进气管和新鲜气体随同废气排出的可能性，这对换气是有利的。

37. 二、可变配气定时典型机构 • 为了使高速和低速都能得到最佳的配气定时，20世纪80年代后，在轿车发动机上出现了一些可变配气定时的控制机构。 • 90年代初，日本本田公司推出了一种既可改变配气定时，又能改受气门运动规律的可变配气定时一升程的控制机构，称为VTEC机构。其配气凸轮轴上布置了高速和低速两种门轮，采用了设计特殊的摇臂，根据发动机转速的高低，自动切换凸轮，使摇臂分别被高速凸轮或低速凸轮驱动。由于凸轮的更换，从而实现了配气定时和气门运动规律均可变化的目的，其工作原理如下图所示。

40. 凸轮轴9上的高速凸轮11处在中摇臂2的位置，左右各有一个低速凸轮10和12，分别处在主摇臂8和次摇臂3的位置，在三个摇臂内装有同步柱塞4和5、定时柱塞6以及阻挡柱塞13。在转速低于6000r／min时，同步柱塞不移动，主、次摇臂驱动两个气门。凸轮轴9上的高速凸轮11处在中摇臂2的位置，左右各有一个低速凸轮10和12，分别处在主摇臂8和次摇臂3的位置，在三个摇臂内装有同步柱塞4和5、定时柱塞6以及阻挡柱塞13。在转速低于6000r／min时，同步柱塞不移动，主、次摇臂驱动两个气门。 • 当转速高于6000r／rain时，在压力机油的作用下，定时柱塞6移动，并推动同步柱塞4和5移动，将中摇臂2与主、次摇臂锁在一起，三个摇臂一道在高速凸轮的驱动下驱动气门，而高速凸轮两边的低速凸轮则随凸轮轴空转。这种机构在本田D18C型1.8L4缸直列式轿车汽油机上得到了应用。

41. 另一种配气定时可变的机构为Alfa Romeo公司开发的可变气门定时机构。链轮驱动的主要零部件包括外部具有螺旋花键而内部为直齿花键的定时套筒10、外部直齿花键轴2安装在凸轮轴上，以及控制柱塞3和外部控制电磁阀4。 • 当发动机工作时，电磁阀杆缩回，在压力作用下，发动机润滑机油从轴承座进入凸轮轴，并沿轴向流向凸轮轴的左端，然后被径向转移到花键轴2的外表面以及控制柱塞3的孔内，最终通过柱塞侧面的溢流孔流入油底壳。

42. 在某些预定的转速和负荷工况下，电磁阀由电控汽油喷射系统和点火管理系统激励，如下图所示，它使电磁阀杆伸出，推动控制柱塞3进入端盖直至挡住柱塞上的溢流孔。随后，来自柱塞的机油流动受到抑制，这会导致定时套筒10左侧的机油压力升高，结果使定时套筒向花键轴2的凸缘端移动。因此，定时套筒10的外螺旋花键逐渐使花健套1的内螺旋花键扭转，引起花键套和链轮相对于凸轮轴的花键轴2向前旋转一定的角度。于是进气门的提前角将增大，迟后角相应减小，其增减量相当于定时套筒10从花键轴2的左侧滑动到右侧时，花键套1相对定时套筒10的扭转角。在某些预定的转速和负荷工况下，电磁阀由电控汽油喷射系统和点火管理系统激励，如下图所示，它使电磁阀杆伸出，推动控制柱塞3进入端盖直至挡住柱塞上的溢流孔。随后，来自柱塞的机油流动受到抑制，这会导致定时套筒10左侧的机油压力升高，结果使定时套筒向花键轴2的凸缘端移动。因此，定时套筒10的外螺旋花键逐渐使花健套1的内螺旋花键扭转，引起花键套和链轮相对于凸轮轴的花键轴2向前旋转一定的角度。于是进气门的提前角将增大，迟后角相应减小，其增减量相当于定时套筒10从花键轴2的左侧滑动到右侧时，花键套1相对定时套筒10的扭转角。

45. 三、气门间隙 • 气门间隙的功用是补偿气门受热后的膨胀量。 • 发动机冷机状态装配时，在不装用液力挺杆的配气机构中，气门组与气门传动组之间必须留有一定的间隙，这一间隙称气门间隙。在凸轮轴通过摇臂间接驱动气门开启的配气机构中，气门间隙是指摇臂与气门杆尾部之间的间隙。

47. 气门间隙的功用 • 在凸轮轴直接驱动气门开启的配气机构(如上海桑塔纳轿车发动机装用普通挺杆的配气机构)中，气门间隙是指凸轮与挺杆之间的间隙。 • 在装有液力挺杆的配气机构中，由于液力挺杆能自动“伸长”或”缩短”，以补偿气门的热胀冷缩，所以不需留气门间隙。

48. 1. 配气定时的概念：进、排气门的实际开闭时刻，用配气定时图表示； 2. 配气定时工作原理 ： 为避免充气不足或排气不净而使发动机的功率下降， 整个进气行程持续时间相当于曲轴转角180°+α+β ， 整个排气过程的持续时间相当于曲轴转角180°+γ+δ ； 3. 气门重叠：进排气门均处于开启状态，重叠时期的曲轴转角称为气门重叠角； 4. 可变配气定时典型机构 ； 5.气门间隙的结构和功用。 本讲小结

49. 气 门 组 • 1. 气门 • 2. 气门座 • 3. 气门导管 • 4. 气门弹簧

50. 气 门 • 气门分进气门和排气门，结构基本相同。气门由头部与杆部两部分组成，如图所示。气门头部的作用是与气门座配合，对汽缸进行密封；杆部则与气门导管配合，为气门的运动起导向作用。