汽车发动机构造与维修03

,配气机构的构造与检修,项目3.1 配气机构的 功用和组成,3.1.1 配气机构的功用,配气机构的功用是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时地开启和关闭各缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气（汽油机）或纯空气（柴油机）得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。,新鲜空气或可燃混合气被吸进气缸越多，则发动机发出的有效功率和转矩越大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度可用充气效率表示。充气效率越高，表明进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气越多，燃烧所放出的热量越大，发动机发出的功率越大，动力性越好。 影响发动机充气效率的因素很多，提高充气效率可以从多方面人手。就配气机构而言，主要是要求其构造有利于减小进气和排气的阻力，而且进、排气门的开启时刻和持续开启时间比较适当，使进气充分和排气彻底。,3.1.2 配气机构的组成和类型,配气机构主要由气门组、气门传动组两部分组成。气门组包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座等零件；气门传动组包括正时齿轮（或带轮、链轮）、正时皮带（或链条）、凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴等零件。配气机构的组成如图3.1所示。 配气机构可以从气门的布置形式、凸轮轴的布置形式等不同的角度来分类。,图3.1 配气机构的组成,1气门的布置形式 按气门的布置形式，配气机构可分为气门顶置式和气门侧置式两种。 气门顶置式配气机构应用广泛，其进气门和排气门都倒挂在气缸上，如图3.2(a)所示。现代汽车发动机均采用气门顶置式配气机构。 气门侧置式配气机构的进气门和排气门都装置在气缸的一侧，如图3.2(b)所示，导致燃烧室构造不紧凑，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，目前在汽车发动机上已不再采用。,图3.2 气门的布置形式,2凸轮轴的布置形式 按凸轮轴的布置位置，配气机构可分为下置凸轮轴式、中置凸轮轴式和上置凸轮轴式3种。 (1)下置凸轮轴式配气机构 凸轮轴位于气缸下部（曲轴箱内）的配气机构为下置凸轮轴式配气机构，如图3.3(a)所示。 下置凸轮轴式配气机构的凸轮轴布置在曲轴箱上，主要优点是凸轮轴离曲轴近，可由曲轴正时齿轮驱动，传动简单。缺点是气门与凸轮轴相距较远，传动链长，零件较多，在高速运转时，整个系统产生弹性变形， 影响气门运动规律和开启、关闭的准确性。因此，多用于转速较低的发动机，现代发动机上已很少采用。,(2)中置凸轮轴式配气机构 中置凸轮轴式配气机构的凸轮轴位于气缸体的中上部，如图3.3(b)所示。与下置凸轮轴式配气机构的组成相比，大大缩短了推杆的长度，甚至可以省去推杆，从而减轻了配气机构的往复运动质量，增大了机构的刚度，相对于下置凸轮轴式更适用于较高转速的发动机。,(3)上置凸轮轴式配气机构 凸轮轴置于气缸盖上。这种配气机构可省去推杆，甚至可省去摇臂，即由凸轮轴通过挺柱直接驱动气门。其主要优点是运动件少，传动距离短，整个机构的刚度大，适合于高速发动机，现代发动机基本上都采用这种构造。,此外，根据发动机每个气缸气门的个数，配气机构可分为2气门式、3气门式、4气门式和5气门式等。根据上置凸轮轴的个数，配气机构又分为单上置凸轮轴( SOHC)和双上置凸轮轴(DOHC)两种。单上置凸轮轴，如图3.3(c)所示，仅用一根凸轮轴同时驱动进、排气门，构造简单，布置紧凑。双上置凸轮轴由两根凸轮轴分别驱动进、排气门，如图3.1所示。,图3.3 凸轮轴的布置形式,3.1.3 配气相位,进气门和排气门的打开和关闭时刻对充气效率有很大的影响，并直接影响发动机的工作性能。用曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻和开启的持续时间，称为配气相位。通常将进、排气门的实际开闭时刻和持续时间用曲轴转角的环形图来表示，这种图形称为配气相位图，如图3.4(a)所示。,四行程发动机的每个行程，曲轴旋转180°。由于发动机的转速很高，一个行程经历的时间是很短的。例如，当发动机转速为2 800 r/min时，一个行程的时间只有0.01s。为了使进气更充分，排气更彻底，现代发动机让气门早开晚关，以延长进、排气时间，并充分利用进、排气气流的动力效应，改善进、排气状况，提高发动机的动力性。,如图3.4(b)所示，进气门是在排气冲程接近终了，活塞到达上止点前便开始开启，并一直到进气行程下止点之后才关闭。从进气门开始开启到上止点曲轴所转过的角度称为进气提前角，一般为10°一30°，记作。从进气行程下止点到进气门关闭曲轴转过的角度称为进气滞后角，一般为40° 80。，记作。整个进气过程持续的时间或进气持续角为 +180°+。由于进气门早开、进气门晚关，因此充分利用气流的惯性，以增加进气量。,同样，如图3.4(c)所示，排气门是在做功后期，活塞到达下止点前开始开启，并在排气行程结束之后。从排气门开始开启到下止点曲轴转过角度称为排气提前角，一般为40°80°，记作。从上止点到排气门关闭曲轴所转过的角度称为排气滞后角，一般为10°30°，记作。整个排气过程持续的时间或排气持续角为+180°+。,在做功后期，气缸内气体有较高的压力，由于排气门早开，废气能以很高的速度自由排出，当活塞到达上止点，气缸内的压力已大大下降，此时排气门已有一定的开度，从而使强制排气的阻力和排气消耗的功率大为减小。排气门晚关则是利用废气流动的惯性，在排气滞后角内继续排气，以减少气缸内的残余废气量。,图3.4 发动机配气相位图,由于进气门早开和排气门晚关，在上止点附近就出现了一段进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开。叠开期间的曲轴转角称为气门叠开角，其值为进气提前角与排气滞后角之和，即+。 由于气门的早开晚关，气门叠开现象是不可避免的。但是由于新鲜气体和废气都有各自的流动惯性，一般不会出现废气倒流回进气道和新鲜气体随废气一起排出的现象。相反，进入气缸内的新鲜气体可增加气缸内气体压力，有利于废气排出。使进气更充分，排气更干净。,项目3.2 气门的构造与检修,气门组包括气门、气门座、气门导管和气门弹簧等。气门组的功用是维持气门的关闭。气门组各零件之间的装配关系如图3.5所示。,3.2.1 气门组的构造,图3.5 气门组零件图,1气门 (1)气门的功用与要求 气门布置在气缸盖上，用于开启或关闭各缸的进、排气口。气门分进气门和排气门，位于进气口处的气门称为进气门，位于排气口处的气门称为排气门。,气门的工作条件非常恶劣。第一，气门直接与高温燃气接触，受热严重，而散热困难，因而工作温度很高。排气门最高温度可达10501200K，进气门温度达到570 670K；第二，气门承受气体压力、气门弹簧力以及气门落座时的惯性冲击力；第三，气门的冷却和润滑条件较差。 为保证气门能正常工作并有足够的使用寿命，要求气门必须具有足够的强度和刚度，并耐冲击、耐热、耐磨损和耐腐蚀。进气门一般用中碳合金钢制造，如铬钢、铬钼钢和镍铬钢等。排气门由于热负荷大，采用耐热合金钢，如硅铬钢、硅铬钼钢、硅铬锰钢等。为了节省耐热合金钢，有的排气门头部用耐热合金钢，而杆部用普通合金钢制造，然后将二者对焊在一起，尾部再加装一个耐热合金钢帽。,(2)气门的构造 汽车发动机的进、排气门一般是菌状的，由头部和杆部两部分组成，如图3.6所示。气门头部的作用是与气门座配合进行密封，杆部则与气门导管配合，为气门的运动起导向作用。 气门头部的形状有平顶、凸顶和凹顶等形状，如图3.7所示。平顶气门具有构造简单、制造方便、受热面积小等优点，多数发动机均采用此构造。凹顶气门的头部与杆部有较大的过渡圆弧，进气阻力小，受热面积大，只适合做进气门。凸顶气门的强度高，排气阻力小，受热面积大，只适合做排气门。,图3.6 气门构造及各部分名称,图3.7 气门头部的形状,气门头部与气门座接触的工作面称为密封锥面。它是一个与气门杆部同心的锥面，通常把该锥面与气门顶平面的夹角称为气门锥角。气门锥角一般为45°，有些发动机的进气门锥角为30°，如图3.8所示。这是考虑到在气门升程相同的情况下，气门锥角较小时，气流通过断面较大，进气阻力较小。锥角小的气门头部边缘较薄，刚度较小，致使气门头与气门座的密封性及导热性较差。排气门因热负荷较大而采用较大的气门锥角。气门头部的边缘应保持一定的厚度，一般为13 mm，以防止工作中受冲击而损坏或被高温气体烧蚀。为了减少进气阻力，提高充气效率，一般迸气门头部直径较大。,图3.8 气门锥角,气门头部接受的热量一部分经气门座圈传给气缸盖；另一部分则通过气门杆和气门导管传给气缸盖，最终都被气缸盖水套中的冷却液带走。 气门杆部为圆柱形，其表面具有较高的加工精度和较低的粗糙度，与气门导管保持有正确的配合间隙，以减小磨损和起到良好的导向、散热作用。,(3)多气门发动机 普通汽车发动机大多数采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门。为了改善换气过程，要尽可能地增大进、排气门的直径，特别是增大进气门直径。目的是增大进气门通过断面面积，减小进气阻力，增加进气量。排气门头部直径略小，排气阻力稍大，但是排气阻力对发动机性能的影响比进气阻力小得多。凡是进气门和排气门数量相同时，进气门头部直径总比排气门大。,随着技术的发展，现代轿车发动机的最高转速一般可达6000r/min以上，完成一个行程只需0.005s时间，传统的两气门已不能在短促的时间内完成换气工作，限制了发动机性能的提高。解决这个问题的方法只能是扩大气体出入的空间。20世纪80年代开始采用的多气门技术，是解决这个问题的最好方法，使发动机的性能得到提升。,多气门发动机有两个进气门和一个排气门的三气门式；两个进气门和两个排气门的四气门式；三个进气门和两个排气门的五气门式，如图3.9所示。采用多气门技术的优点是在有限的气缸直径内，气流通过断面增大，进、排气充分，可以提高发动机的转矩和功率。其次是每个气门的头部直径较小，质量减轻，运动惯性力减小，有利于提高发动机转速。 三气门发动机每缸两个进气门，一个排气门，排气门头部直径比进气门大，如图3.9(a)所示。与二气门发动机相比，进气量有明显增加。,现代高性能汽车发动机普遍采用每缸两个进气门，两个排气门，如图3.9(b)所示的每缸四气门构造。采用四气门的优点是在有限的气缸直径内，气流通过断面面积大，进、排气充分。其次是每个气门的头部直径较小，质量减轻，运动惯性力也减小，有利于提高发动机转速。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。所以，采用四气门构造有利于提高充气效率，有利于改善配气机构的动力特性和排放。其缺点是发动机零件数量增多，制造成本增加。,与四气门相比，采用每缸五气门的发动机其气流通过截面更大，充气效率更高。当每缸采用五气门时，气门排列通常是同名气门排成一列，分别用进气凸轮轴和排气凸轮轴驱动，如图3.9(c)所示。,根据理论计算，当每个气缸的气门数增加到六个时，其进、排气门的气流通过总截面要比五气门小。因此，目前轿车的多气门发动机的每个气缸的气门数目都是三至五个，其中又以四个气门最为普遍。,图3.9 多气门发动机,2.气门座 气缸盖与气门锥面相结合的部位称气门座。气门座与气门头部一起对气缸起密封作用，同时接受气门头部传来的热量，起到对气门散热的作用。 气门座的形式有两种：一种是在气缸盖上直接镗出，另一种是单独制成气门座圈，以一定的过盈量镶嵌在气缸盖的座孑L中，如图3. 10所示。直接镗出式的气门座散热 效果好，但由于气门座经常在高温和冲击下工作，润滑条件又差，易磨损。,现代汽车发动机大多数采用镶嵌式气门座，以提高气缸盖的使用寿命和便于修理更换。镶嵌式气门座圈用耐高温、耐磨损的材料，如合金铸铁、铁基粉末冶金或奥氏体钢等材料制成。 气门座的锥角与气门锥角相适应。一般气门锥角比气门座锥角小0.5°1°，如图3.11所示，这样可以增加密封锥面的接触压力，加速磨合，并能切断和挤出二者之间的任何积垢或积碳，保持锥面良好的密封性。,图3.11 气门和气门座锥角,3。气门导管 气门导管的功用是对气门运动起导向作用，保证气门做直线往复运动，使气门与气门座正确贴合。此外，还在气门杆与气缸盖之间起导热作用。 气门导管的工作温度较高，气门杆在导管中运动时，仅靠配气机构飞溅出来的机油进行润滑，因此易磨损。导管材料要求耐磨性好，导热性好，加工性好。所以，气门导管大多数用含石墨较多的灰铸铁、球墨铸铁或铁基粉末冶金制造以提高自润滑性能。,