- 汽車維修技能全程圖解(第二版)
- 周曉飛
- 14745字
- 2020-03-13 15:33:31
第2章 發動機系統維修
2.1 發動機機械系統維修
2.1.1 機械結構原理和基本檢修
(1)發動機基本概念
① 止點 止點是指活塞移動的終點,活塞在止點處改變移動方向。止點分為上止點(TDC)和下止點(BDC)。到達上止點處時燃燒室的容積最小,到達下止點處時容積最大。
② 排量 一個汽缸的排量是指活塞在一個行程過程中所經過的空間;或者活塞上止點與下止點位置之間的汽缸空間。在發動機的技術數據中,排量通常指的是發動機的總排量。總排量即所有汽缸的單個排量之和。
③ 壓縮室 指的是活塞到達上止點位置時活塞以上的空間,此時燃燒室的容積最小。
④ 燃燒室 燃燒室的邊界由汽缸蓋、活塞和汽缸壁構成。到達上止點位置時,燃燒室即壓縮室。到達下止點位置時,燃燒室容積為壓縮室容積和排量之和。
⑤ 壓縮比 壓縮比是指排量和壓縮室容積之和與壓縮室容積之比。
⑥ 行程/缸徑比 指的是行程與缸徑之比(圖2-1)。

圖2-1 行程和缸徑示意
圖解
根據發動機類型可分為長行程發動機和短行程發動機。長行程發動機的行程大于汽缸內徑,短行程發動機的行程小于或等于汽缸內徑。汽缸內徑(缸徑)與行程相等的發動機屬于短行程發動機。這種發動機也稱為等徑程發動機。
⑦ 連桿曲軸比(λ) 指的是連桿長度(兩個連桿頭中點之間的距離)與曲軸半徑(主軸承軸頸軸線與曲柄軸頸軸線之間的距離)之比。
⑧ 平均活塞速度 即使發動機轉速保持不變,活塞也會不斷加速和減速。到達上止點和下止點時,活塞瞬時處于靜止狀態。處于這兩個位置之間時,活塞速度增至最大值隨后減至最小值。由于活塞速度不斷變化,因此采用平均活塞速度進行計算,該速度是一個恒定的理論速度。平均活塞速度通常是指額定轉速時的速度,并用作發動機負荷的衡量標準。
⑨ 最大活塞速度 連桿與曲軸半徑形成直角時,活塞速度最大。最大活塞速度大約為平均活塞速度的1.6倍。
⑩ 規定的發動機轉速 發動機轉速是指曲軸每分鐘的轉動圈數。每個發動機都有多個不同的重要轉速:啟動轉速是發動機啟動時所需的最低轉速;達到怠速轉速時,已啟動的發動機可自動繼續運行;處于額定轉速時,發動機達到最大功率;最高轉速是避免造成發動機機械損傷的最大允許轉速。
(2)點火間隔
點火間隔是指兩次連續點火之間的曲軸轉角。
在一個工作循環過程中每個汽缸點火一次。在四沖程發動機的工作循環(進氣、壓縮、做功、排氣)中曲軸轉動整整2圈,即曲軸轉角為720°。
相等的點火間隔可在所有轉速情況下確保穩定的發動機運行特性。該點火間隔計算方式為:
點火間隔 = 720°/汽缸數
汽缸數越多,點火間隔越小,發動機運行越平穩。至少從理論上來講,質量平衡因素也起到了一定作用,該因素取決于發動機結構形式和點火順序。
(3)發動機機械機構
發動機機械機構分為三大系統:發動機殼體;曲軸傳動機構;氣門機構。
這三個系統始終處于相互配合的狀態。
① 發動機殼體 發動機殼體起到與外界隔離密封的作用并吸收發動機運行過程中的各種作用力。
圖解
發動機殼體由圖2-2所示的主要組成部分構成。此外,為了確保發動機殼體完成其工作任務,還需要密封墊和螺栓。這些工作主要包括:
① 吸收發動機運行過程中產生的各種作用力。

圖2-2 發動機殼體
1—汽缸列1的汽缸蓋罩;2—汽缸列1的汽缸蓋;3—曲軸箱;4—底板;5—油底殼;6—汽缸列2的汽缸蓋;7—汽缸列2的汽缸蓋罩
② 對燃燒室、發動機油和冷卻液起到密封作用。
③ 固定曲軸傳動機構、氣門機構以及其他部件。
② 曲軸傳動機構 曲軸傳動機構是一個將燃燒室壓力轉化為動能的功能分組。在此過程中,活塞的往復運動轉化為曲軸的轉動。在功效、效率和技術實用性上,曲軸傳動機構是實現上述目的的最佳選擇。
圖解
圖2-3展示了曲軸傳動機構的組成部分。圖2-4所示為曲軸傳動機構部件的運動方式,包括:
① 活塞在汽缸內上下運動(往復運動)。

圖2-3 發動機的曲軸傳動機構
1—活塞;2—飛輪;3—連桿;4—曲軸;5—扭轉減振器;6—正時鏈

圖2-4 曲軸傳動機構部件的運動方式
1—往復運動;2—擺動;3—旋轉
② 連桿通過小連桿頭以可轉動方式連接在活塞銷上,也進行往復運動。大連桿頭連接在曲柄軸頸上并隨之轉動。連桿軸在曲軸圓周平面內擺動。
③ 曲軸圍繞自身軸線轉動(旋轉)。
③ 氣門機構 必須周期性地為發動機供應新鮮空氣,并排出所產生的廢氣。四沖程發動機吸入新鮮空氣和排出廢氣的過程稱為換氣過程。在換氣過程中,進氣和排氣通道通過進氣門和排氣門周期性地開啟和關閉。進氣門和排氣門使用提升式氣門。氣門運動的時間和順序由凸輪軸決定。
負責將凸輪行程傳給氣門的機械機構稱為氣門機構。
氣門機構承受較高的加速度和減速度,由此產生的慣性力隨發動機轉速增加而增大并使結構承受很大負荷。此外,排氣門必須能夠抵抗廢氣的高溫。
發動機氣門機構見圖2-5、圖2-6。發動機的氣門機構組件見圖2-7、圖2-8。

圖2-5 發動機氣門機構(一)
1—進氣凸輪軸;2—氣門導管;3—進氣門;4—排氣門;5—氣門彈簧;6—帶有HVA的桶狀挺桿;7—排氣凸輪軸

圖2-6 發動機氣門機構(二)

圖2-7 發動機氣門機構組件(一)
1—進氣門;2—底部氣門彈簧座(帶有氣門桿密封件);3—上部氣門彈簧座;4—HVA元件;5—進氣凸輪軸;6—排氣門;7—氣門彈簧;8—滾子式氣門搖臂;9—排氣凸輪軸

圖2-8 發動機氣門機構組件(二)
1—挺桿;2—排氣門;3—進氣門;4—氣門鎖夾;5—進氣凸輪軸;6—氣門桿密封件;7—上部氣門彈簧座;8—氣門彈簧;9—氣門彈簧座;10—排氣凸輪軸
(4)曲軸箱
曲軸箱或缸體(圖2-9),包括汽缸、冷卻水套和曲軸傳動機構殼體。現在許多新系統或改進系統都具有連接曲軸箱的接口。

圖2-9 曲軸箱仰視圖
① 曲軸箱主要有以下任務:吸收作用力和轉矩;固定曲軸傳動機構;固定和連接汽缸;支承曲軸;固定冷卻液和潤滑油輸送通道;集成一個曲軸箱通風系統;固定各種附屬總成;使曲軸空間與外界隔離密封。
圖解
曲軸箱帶有較大的縱向通風孔。這些縱向通風孔可使活塞上下運動過程中產生的往復式空氣柱保持壓力平衡。此外還需要針對機油供給和冷卻液冷卻調整單廢氣渦輪增壓器上的接口。曲軸箱(曲軸箱內的通風孔)見圖2-10。

圖2-10 曲軸箱(曲軸箱內的通風孔)
② 曲軸箱通風 發動機運轉時,氣體(泄漏氣體)由汽缸進入曲軸空間內;泄漏氣體中包含未燃燒的燃油和所有廢氣成分,它們在曲軸空間內與油霧形式的發動機油混合;泄漏氣體量取決于發動機負荷,曲軸空間內通過活塞運動產生的壓力也取決于轉速,這個壓力出現在所有與曲軸空間相連的空腔內(例如機油回流管路、正時鏈箱等)且會將機油擠向密封位置處的出油口。
為了避免發生這種情況,在此引入了曲軸箱通風裝置。開始時只是簡單地將泄漏氣體與發動機油的混合氣釋放到大氣中。很久以后才出于環保的考慮采用了封閉式曲軸箱通風裝置。
曲軸箱通風裝置將不含發動機油的絕大部分泄漏氣體送入進氣系統內并確保曲軸箱內不會產生壓力。
a. 非調節式曲軸箱通風。采用非調節式曲軸箱通風方式時,低壓壓力(真空)將機油與泄漏氣體的混合氣送入發動機的最高處。該低壓壓力(真空)由一個至進氣通道的連接裝置產生。混合氣從此處進入機油分離器,隨后使泄漏氣體與發動機油分離。
圖解
在采用非調節式曲軸箱通風的發動機上僅通過一個金屬絲網實現上述目的。“凈化”后的泄漏氣體送入發動機進氣系統,而發動機油回流到油底殼內。
曲軸箱內的低壓壓力(真空)受進氣管連接通道內校準孔的限制。曲軸箱內壓力過低時會造成發動機密封件(曲軸密封環、油底殼凸緣密封墊等)失效。
未過濾的空氣因此進入發動機內,從而加速機油老化和機油沉積。但是可以通過校準孔限制這種限壓作用。還可以通過金屬絲網控制機油分離效率。
曲軸密封環無法繼續正常工作時就會產生這些后果。如果在發動機轉速較高的情況下車輛處于滑行模式,就會因節氣門關閉而在進氣系統內產生非常高的真空度。如果密封環損壞,環境中的新鮮空氣就會進入曲軸箱內,并可能會吸入大量泄漏氣體。金屬網無法分離如此大量的機油,因此下次加速時會使一定量的機油隨之燃燒,尾氣中會產生明顯的藍色煙霧。
非調節式曲軸箱通風裝置見圖2-11。

圖2-11 非調節式曲軸箱通風裝置
1—節氣門;2—排氣通道;3—機油回流通道;4—曲軸空間;5—油底殼;6—連接進氣管的通道
b. 真空調節式曲軸箱通風。采用真空調節式曲軸箱通風裝置時,曲軸空間通過排氣通道、集氣室、機油分離器、調壓閥與節氣門后的進氣管相連。
圖解
由于節氣門和空氣濾清器產生氣流阻力,因此進氣管內會產生相對真空。
由于與曲軸箱之間存在壓力差,因此泄漏氣體吸入汽缸蓋內,并在此首先到達集氣室處。集氣室用于確保從凸輪軸等處噴出的機油不會進入曲軸箱通風裝置內。如果通過迷宮式密封裝置進行機油分離,則集氣室還負責消除泄漏氣體的壓力波動,這樣可以避免使調壓閥內的隔膜處于工作狀態。
在帶有氣旋分離器的發動機上非常需要這種壓力波動,因為可以由此改善機油分離效率。隨后氣體在氣旋分離器內達到平衡。因此,其集氣室的結構與通過迷宮式密封裝置進行機油分離的集氣室不同。
泄漏氣體通過輸送管路到達機油分離器,并在此處分離出發動機油。分離出的發動機油回流到油底殼內。
凈化后的泄漏氣體通過調壓閥進入進氣系統的潔凈空氣管內。
真空調節式曲軸箱通風裝置見圖2-12。

圖2-12 真空調節式曲軸箱通風裝置
1—節氣門;2—排氣通道;3—機油回流通道;4—曲軸空間;5—油底殼;6—連接機油分離器的通道;7—調壓閥;8—氣旋分離器;9—機油回流管
調壓閥的任務是確保曲軸箱內的真空度盡可能保持不變。
圖解
① 圖2-13為三種不同工作方式的調壓閥。

圖2-13 調壓閥的調節過程
1—大氣壓力;2—隔膜;3—壓力彈簧;4—殼體;5—壓力彈簧的彈簧力;6—進氣系統的真空壓力;7—曲軸箱內的有效真空壓力;8—來自曲軸箱的泄漏氣體
處于調節模式時,壓力彈簧3的復位力與承受曲軸箱真空壓力的隔膜2保持平衡。
隔膜背面通過殼體4上的一個開孔與大氣壓力相通。曲軸箱壓力增加時,調壓閥開啟截面面積就會變大。進氣系統內的真空壓力將泄漏氣體吸出曲軸箱,曲軸箱內的壓力下降。隨著壓力的下降,隔膜向“關閉”方向移動。
② 調節過程如下。
發動機處于靜止狀態時,調壓閥開啟[圖2-13(a)]。大氣壓力施加在隔膜兩側,即隔膜在彈簧力的作用下處于完全打開的位置。
啟動發動機時,進氣管內的真空壓力增加,調壓閥關閉[圖2-13(b)]。處于怠速運轉或滑行模式時通常會出現這種情況,因為此時不存在泄漏氣體。也就是說隔膜內側也會承受較大的相對真空壓力(與大氣壓力相比)。因此,施加在隔膜外側的大氣壓力克服彈簧力使閥門關閉。
在發動機負荷和轉速的作用下產生泄漏氣體。來自曲軸箱的泄漏氣體8使施加在隔膜上的相對真空壓力減小。因此壓力彈簧可使閥門開啟,從而吸入泄漏氣體。閥門會一直開啟,直至大氣壓力與曲軸箱真空壓力和彈簧力的合力達到平衡狀態[圖2-13(c)]。
產生的泄漏氣體越多,隔膜內側承受的相對真空壓力就越小,調壓閥開啟程度就越大。這樣可使曲軸箱內保持規定的真空壓力(通常為30mbar)。
(5)密封墊
在金屬部件之間放置一個絕緣密封墊可防止接觸腐蝕。這種情況包括油底殼密封墊和汽缸蓋密封墊,這些密封墊用于將鋁合金油底殼和汽缸蓋與曲軸箱分隔開。
圖解
發動機的汽缸蓋密封墊有一個密封唇。該密封唇用于防止灰塵和噴水進入密封接縫,從而防止接觸到金屬部件(圖2-14)。如果密封墊已損壞,那么汽缸蓋(如果是鋁合金)和曲軸箱(如果是鎂合金)之間很快就會出現接觸腐蝕。密封唇損壞嚴重時甚至會影響到密封墊核心的鋼制部分(圖2-15)。

圖2-14 帶有密封墊凸出物的油底殼密封墊

圖2-15 汽缸蓋密封墊的密封唇
維修提示
進行發動機的螺栓連接時需要特別注意。取下螺栓連接件后必須立即吹干螺紋孔,以免因冷卻液造成腐蝕。
圖解
重新安裝螺栓前也要完全吹干螺紋孔,避免以后在曲軸箱材料和螺栓之間形成接觸腐蝕(圖2-16)。

圖2-16 吹干螺紋孔
(6)汽缸蓋
① 汽缸蓋功能 汽缸蓋對發動機運行特性(如輸出功率、轉矩和尾氣排放特性、耗油量和噪聲等特性)有決定性影響。發動機正時控制幾乎都在汽缸蓋內進行。
汽缸蓋需要完成以下任務:
a. 吸收作用力;
b. 固定氣門機構;
c. 固定換氣通道;
d. 固定火花塞;
e. 固定冷卻液和潤滑油輸送通道;
f. 構成汽缸上限;
g. 向冷卻液散熱;
h. 固定附屬總成和傳感器。
② 結構 隨著發動機的不斷開發,汽缸蓋的設計結構變化很大。汽缸蓋的形狀在很大程度上由其包括的相關部件決定。
汽缸蓋的形狀主要受到以下因素影響:
a. 氣門的數量和位置;
b. 凸輪軸的位置和數量;
c. 火花塞的位置和數量;
d. 換氣通道的形狀。
氣門機構方案對汽缸蓋形狀的影響最大。為了提高發動機功率、減小污染物排放量和耗油量,換氣必須盡可能有效且靈活,容積效率必須較高。
為了在這些方面進行優化,過去主要進行改進頂置氣門、頂置凸輪軸、4氣門技術等來實現。
進氣和排氣通道流量較大時也可以提高換氣效率。對汽缸蓋提出的另一個要求是要具有盡可能緊湊的結構。如果再考慮到用于氣門間隙補償或盡量減小摩擦的元件、燃燒室形狀以及火花塞位置,所以汽缸蓋結構是比較復雜的。
維修提示
在直接噴射式發動機上和一些進氣管噴射式發動機上汽缸蓋中還裝有噴嘴。噴嘴的位置也會影響到燃燒是否充分。這一點同樣適用于汽缸蓋內裝有噴嘴的進氣管噴射式發動機。
在4氣門汽缸蓋上可以將火花塞布置在燃燒室頂中心,這有助于縮短燃燒室內的火焰行程。但是,隨著氣門數量的增加,汽缸蓋結構也變得很復雜。批量生產的產品中還有每個汽缸配有3個或5個氣門的汽缸蓋。跑車中甚至有6氣門汽缸蓋。
③ 燃燒室頂 汽缸蓋作為汽缸的頂部構成了燃燒室頂。它與活塞幾何因素一起決定了燃燒室的形狀。燃燒室是由活塞、汽缸蓋和汽缸壁圍成的空間。
圖解
圖2-17(a)中整個燃燒室都位于活塞內,圖2-17(b)所示的燃燒室分布在活塞和汽缸蓋內,圖2-17(c)所示的布置方式非常有利,因為其油氣混合氣可以非常有效地環繞火花塞流動。

圖2-17 4氣門汽缸蓋的不同燃燒室類型
維修提示
相對于燃燒室體積而言燃燒室表面較小,因此熱力學損耗較少。氣門傾斜角度最大可達25°。
(7)曲軸
曲軸由一個單一部件構成,但可以分為多個不同的部分。主軸承軸頸位于曲軸箱內的軸承內。
圖解
如圖2-18所示,連桿軸承軸頸或曲柄軸頸與曲軸通過曲柄臂連接起來。曲柄軸頸和曲柄臂的這部分也稱為曲柄。

圖2-18 發動機曲軸
1—扭轉減振器的固定裝置;2—用于驅動機油泵的齒輪;3—主軸承軸頸(曲柄軸頸);4—連桿軸承軸頸;5—輸出端;6—平衡重塊;7—油孔;8—正時鏈輪;9—曲柄臂
連桿軸承軸頸與曲軸軸線之間的距離決定了發動機的行程。連桿軸承軸頸之間的夾角決定各汽缸的點火間隔。曲軸轉動整整2圈或720°后,各汽缸均點火一次。
該角度稱為曲柄軸頸偏置或曲柄角度,根據汽缸數、結構形式(V 型或直列發動機)和點火順序計算得出。其目的是獲得盡可能平穩、均勻的發動機運行狀態。
曲軸內有幾個油孔,這些油孔為連桿軸承提供機油。油孔從主軸承軸頸通向連桿軸承軸頸,并通過主軸承座與發動機機油回路連接在一起。
平衡重塊用于平衡圍繞曲軸軸線的慣性力,從而使發動機平穩運行。
(8)連桿
在曲軸傳動機構中,連桿負責連接活塞和曲軸。活塞的直線運動通過連桿轉化為曲軸的轉動。此外,連桿還要將燃燒壓力產生的作用力由活塞傳至曲軸上。
作為一個加速度很大的部件,連桿的重量直接影響發動機的工作效率和運行平穩性。
圖解
如圖2-19所示,梯形連桿小連桿頭的橫截面呈梯形。就是說,在小連桿頭處由連桿軸端部向連桿端部逐漸變細。

圖2-19 連桿
1—油孔;2—小連桿頭內的滑動軸承;3—連桿;4—連桿內的軸瓦;5—連桿蓋內的軸瓦;6—連桿蓋;7—連桿螺栓
這樣一方面可以進一步減輕重量,因為節省了未承受負荷一側的材料,而承受負荷一側則為整個軸承寬度。此外還能縮小活塞銷孔間距,這意味著活塞銷彎曲度較低。
另一個優點是可以取消小連桿頭內的油孔,因為機油通過滑動軸承的傾斜沿滲入。由于省去了油孔,因此也避免了對該側軸承強度造成的不利影響。這又可使該側連桿結構更窄小。這樣不僅可以減輕重量,還能節省活塞空間。
(9)活塞
活塞將燃燒產生的氣壓轉化為運動。活塞頂的形狀對混合氣的形成有決定性影響。活塞環負責燃燒室嚴密密封和控制汽缸壁上的油膜。
圖解
如圖2-20所示,活塞的主要部分包括活塞頂、帶有火力岸的活塞環部分、活塞銷座和活塞裙。活塞環、活塞銷和活塞銷卡環也是活塞總成的一部分。活塞頂構成了燃燒室的下部。在汽油發動機上可以采用平頂、凸頂或凹頂活塞。

圖2-20 活塞
1—活塞頂;2,6—氣環;3—活塞銷;4—活塞裙;5—刮油環
維修提示
活塞裙是現代活塞變化最明顯的部分。活塞裙負責使活塞在汽缸內直線運行。只有與汽缸之間的間隙足夠大時,才能完成上述任務。但是這個間隙會因連桿偏移而引起活塞擺動,這種情況稱為活塞二次移動。這種二次移動會影響活塞環的密封性和耗油量,而且還會導致活塞發出噪聲。許多參數都有利于活塞保持直線運行,例如活塞裙的長度、活塞裙形狀和裝配間隙。
(10)活塞環
活塞環通常有三個用于固定活塞環的環形槽,活塞環的作用是防止漏氣和漏油(密封)。活塞環岸位于環形槽之間。位于第一個活塞環上方的環岸稱為火力岸。一套活塞環通常包括兩個氣環和一個刮油環。
活塞環是金屬密封環,負責執行以下任務:密封燃燒室,使之與曲軸箱隔開;從活塞向汽缸壁導熱;調節汽缸套的油膜。
為了完成上述任務,活塞環必須緊靠在汽缸壁和活塞環形槽的側沿上。活塞環的徑向彈簧力使活塞環靠在汽缸壁上。刮油環通常由一個附加彈簧進一步支承。
活塞環在其環形槽內轉動。這是因為換側時側向力作用在活塞環上。此時活塞環的轉速很高,轉速大概最高可達到100r/min。這種換側作用可以清除環形槽上的沉積物,此外還能防止活塞環切口磨入汽缸套內。
① 氣環 氣環用于確保盡可能沒有燃燒氣體從燃燒室經過汽缸壁與活塞之間的間隙進入曲軸箱內。只有這樣,燃燒過程中燃燒室內才能產生足夠壓力,以使發動機達到設計功率。在壓縮行程階段,沒有氣環也無法達到點火所需的壓縮程度。
② 刮油環 刮油環負責調節汽缸壁上的油膜。它們將汽缸壁上多余的潤滑油刮掉并確保這些機油不會燃燒。因此,刮油環也決定了發動機的機油消耗量。
圖解
① 矩形環是在普通運行條件下使用的帶有矩形橫截面的氣環。通常還使用桶面環。
② 錐面環的運行表面呈錐形,錐面向上逐漸縮小。這樣可以縮短啟動時間。錐面環也是氣環,但具有刮油環的作用。
③ 由于內倒角矩形環的橫截面不對稱,因此安裝時會使其呈碟形。因此與汽缸壁的運行表面呈錐形。這種氣環與錐面環一樣,也具有輔助刮油的作用。
④ 鼻形環和鼻形錐面環既是氣環又是刮油環。這些活塞環的底部都有一個小槽口。鼻形錐面環的運行表面呈錐形。
⑤ 開槽油環通過兩個運行表面上較高的表面壓力實現其刮油作用。環壁上的開槽有助于刮下的潤滑油回流。在帶有管狀彈簧的開槽油環上,通過一個圓柱形螺旋彈簧(管狀彈簧)提高表面壓力和接觸面積。位于鑄鐵或鋼制活塞環圓形或V形固定槽內的彈簧使整個環壁均勻受力,因此這種活塞環結構靈活性較大。
⑥ 雙倒角環與開槽油環相似。兩個運行表面的倒角可以進一步提高表面壓力,從而達到更好的刮油效果。雙倒角環也可以采用帶有管狀彈簧的結構。
⑦ VF系統是一個三件式鋼帶刮油環。它由兩個鋼片和一個鋼制隔離彈簧構成。這種結構特別適用于較薄的活塞環。兩個鋼片彼此獨立徑向移動有助于提高刮油效果。
各種活塞環見圖2-21。

圖2-21 活塞環
1—矩形環;2—桶面環;3—錐面環;4—內倒角矩形環;5—鼻形環;6—鼻形錐面環;7—開槽油環;8—帶有管狀彈簧的開槽油環;9—雙倒角環;10—帶有管狀彈簧的雙倒角環;11—VF系統(三件式鋼帶刮油環)
(11)雙質量飛輪
在帶有手動變速箱的車輛上,發動機燃燒過程的周期性會使傳動系統內產生扭轉振動。這將使變速箱和車身發出異響。為避免影響舒適性,很多車采用了雙質量飛輪(如大眾捷達、寶來等)。
圖解
雙質量飛輪將傳統飛輪的質量塊一分為二。一部分繼續用于補償發動機慣量;另一部分負責提高變速箱慣量,從而使共振范圍明顯低于正常運轉。
兩個非剛性連接的質量塊通過一個彈簧/減振系統連接起來。次級質量塊與變速箱之間不帶扭轉減振器的離合器從動盤負責分離和接合。
與發動機相連的飛輪質量塊承受發動機的不平穩運動時,在發動機轉速不變的情況下,與變速箱相連的質量塊速度保持不變。雙質量飛輪的功能見圖2-22。

圖2-22 雙質量飛輪的功能
圖解
由于以非剛性連接兩個質量塊,因此可在臨界發動機轉速范圍內消除變速箱噪聲。但有一個限制條件:振動質量塊的慣性力矩越大,共振程度以及與其相關的轉矩峰值就越大。采用雙質量飛輪時,啟動和關閉發動機時尤為明顯。使用附加減振單元(盤形彈簧)可有效防止共振時過載。
但在正常運行狀態下(發動機運轉時)該減振單元不起作用,此時通過彈簧減振器消除發動機的扭轉振動。
雙質量飛輪的構造見圖2-23。

圖2-23 雙質量飛輪的構造
1—蓋罩;2—次級飛輪;3—蓋板;4—密封隔膜;5—弧形減振彈簧;6—齒圈;7—主飛輪;8—輪轂凸緣;9—擋板
(12)凸輪軸
凸輪軸控制換氣過程和燃燒過程。其主要任務是開啟和關閉進氣門和排氣門。凸輪軸由曲軸驅動,其轉速與曲軸轉速之比為1∶2,即凸輪軸轉速只有曲軸轉速的1/2,這可以通過鏈輪傳動比實現。凸輪軸相對于曲軸的位置也有明確規定。但最新的發動機已不再采用固定傳動比方式,而是可以進行可變調節,如寶馬發動機VANOS系統。
圖解
凸輪軸傳感器也可能安裝在凸輪軸上。維修時需要用于安裝專用定位工具的雙平面軸頸3和用于裝配時頂住凸輪軸的扳手寬度面4。發動機凸輪軸見圖2-24。

圖2-24 發動機凸輪軸
1—軸頸和用于軸向導向的止推面;2—凸輪軸傳感器的參考基準;3—用于安裝專用定位工具的雙平面軸頸;4—用于裝配時頂住凸輪軸的扳手寬度面;5—凸輪;6—軸頸
(13)搖臂、壓桿和挺桿
搖臂、壓桿或挺桿負責將凸輪運動傳給氣門,因此這些部件也稱為傳動元件。傳動元件沿凸輪輪廓移動,直接或間接(以一定傳動比)傳遞運動。
① 搖臂 搖臂是一種間接驅動的氣門機構。搖臂支承在軸的中部。凸輪軸位于搖臂下方的一端。
② 壓桿 壓桿也是采用間接傳動方式的氣門機構部件。
圖解
壓桿的慣性矩和剛度在很大程度上取決于壓桿的結構形式。滾子式氣門壓桿見圖2-25。

圖2-25 滾子式氣門壓桿
1—用于隨凸輪移動的滾針軸承滾子;2—用于支承HVA元件的半球;3—壓在氣門上的操作面
使用滾子式氣門壓桿時,凸輪運動通過一個滾動軸承滾子而非滑動面傳遞。與滑動面壓桿或桶狀挺桿氣門機構相比,這種結構可減小摩擦,尤其是在對降低耗油量有較大影響的低轉速范圍內。但是,減小摩擦會明顯降低針對凸輪軸扭轉振動的減振作用,這對鏈條傳動機構有影響。
③ 挺桿 挺桿是進氣門和排氣門的直接傳動裝置,它不改變凸輪的運動或傳動比。這種直接傳動裝置始終具有很高的剛度,移動質量相對較小且所需安裝空間較小。挺桿用于傳遞直線運動,其導向部件位于汽缸蓋內。
a. 桶狀挺桿。桶狀挺桿采用桶狀結構,以倒置方式靠在氣門桿端部。
為確保凸輪接觸面均勻磨損,桶狀挺桿應能旋轉。為此可使凸輪相對于桶狀挺桿稍稍偏移(朝凸輪軸軸線方向),桶狀挺桿的接觸面略呈球形,這樣可使凸輪與挺桿之間的接觸點在整個運動過程中更接近桶狀挺桿表面的中心。因為此時杠桿作用較小,所以可減小桶狀挺桿的傾斜趨勢,從而可將氣門接觸面的磨損程度降至最低。但是,球面弧度也會影響氣門行程曲線以及凸輪與桶狀挺桿之間的摩擦力。
b. 室式挺桿。室式挺桿可以達到相當高的球面弧度,因此減少了凸輪和挺桿接觸點的移動距離。
圖解
與桶狀挺桿不同,室式挺桿不能旋轉。有一個導向凸臺用于防止挺桿旋轉。發動機的室式挺桿見圖2-26。

圖2-26 發動機的室式挺桿
1—球形接觸面;2—室式挺桿;3—導向凸臺
(14)機械式氣門間隙調節
采用機械式氣門間隙調節裝置時,只有在氣門關閉狀態下氣門桿與氣門操縱裝置之間存在間隙時,才能確保所需的氣門密封效果。由于氣門間隙隨發動機溫度變化而變化,因此必須將該間隙調節到足夠大的程度。
氣門間隙過大會產生令人不舒適的噪聲以及造成磨損加劇的沖擊負荷。
維修提示
氣門間隙影響發動機正時時間,從而影響發動機功率、行駛性能、耗油量和廢氣排放量。
氣門間隙過大會縮短正時時間,即氣門延遲開啟、提前關閉。
氣門間隙過小會延長正時時間,即氣門提前開啟、延遲關閉。
(15)帶有導向件和彈簧的氣門
① 帶有導向件和彈簧的氣門 見表2-1。
表2-1 帶有導向件和彈簧的氣門

② 氣門座 氣門座承擔隔開燃燒室與氣道的作用。此外,熱量也通過此處從氣門傳至汽缸蓋。氣門處于關閉狀態時,氣門座表面與汽缸蓋氣門座圈靠在一起。氣門座表面的寬度沒有統一標準,氣門座表面較窄時可改善密封效果,但會削弱散熱能力。
通常情況下,承受較小負荷的進氣門座比承受高負荷的排氣門座窄。氣門座寬度為1.2~2.0 mm。確保氣門座位置正確非常重要。
圖解
氣門座位于氣門頭外緣時,氣門承受的機械負荷過高。氣門座過于靠內時,外緣散熱效果不佳,而且開啟截面面積減小。
氣門座角度是指氣門座與一個垂直于氣門桿的(理論)平面之間的夾角。密封效果和磨損情況也取決于氣門座角度。對于進氣門來說,氣門座角度還會影響新鮮空氣進氣量,從而影響混合氣形成過程。
氣門座的位置見圖2-27。

圖2-27 氣門座的位置
1—氣門座圈;2—氣門座表面
③ 氣門導管 氣門導管用于確保使氣門位于氣門座的中心并通過氣門桿將氣門頭處的熱量傳至汽缸蓋。為此需要在導向孔與氣門桿之間留有最佳間隙量。間隙過小時,氣門容易卡住。間隙過大時會影響散熱效果。最好留出盡可能小的氣門間隙。
維修提示
為確保氣門正常工作,氣門導管與氣門座圈之間的中心偏移量必須保持在公差范圍內。中心偏移過大會使氣門頭彎向氣門桿,這可能會造成構件過早損壞,還可能會導致泄漏、影響熱傳遞效果和增加耗油量。
氣門導管以壓配合方式安裝在汽缸蓋內。氣門導管不得伸入排氣通道內,否則會因溫度較高而導致導管變寬,燃燒殘余物可能會進入氣門導管內。
④ 氣門鎖夾 氣門鎖夾負責連接氣門彈簧座和氣門。連接方式分為夾緊式和非夾緊式。
圖解
采用夾緊式連接[圖2-28(a)]時,安裝后兩部分氣門鎖夾之間留有一定的間隙,因此氣門夾緊在氣門鎖夾之間,以防止其旋轉。

圖2-28 夾緊式和非夾緊式氣門鎖夾
1—氣門彈簧座;2—非夾緊式氣門鎖夾;3—夾緊式氣門鎖夾;4—氣門桿
這種夾緊式氣門鎖夾尤其適用于轉速很高的發動機。
采用非夾緊式連接[圖2-28(b)]時,處于安裝狀態下的兩部分氣門鎖夾相互支承。
⑤ 氣門彈簧 氣門彈簧負責以可控方式關閉氣門,就是說必須確保氣門隨凸輪一起運動,以使其即使在最高轉速時也能及時關閉。此外,其作用力也必須足夠大,以防止氣門關閉(又稱氣門跳動)后振動。氣門開啟時,氣門彈簧必須防止氣門與凸輪脫離。
圖解
標準結構形式為對稱圓柱彈簧。這種彈簧的螺距在彈簧兩端是對稱的且螺旋直徑保持不變。在彈簧壓縮過程中,簧圈部分接觸可使彈簧特性曲線產生階躍性變化(彈簧壓縮程度越大,彈簧力越大)。
氣門彈簧結構形式見圖2-29。

圖2-29 氣門彈簧結構形式
1—圓柱形、對稱式氣門彈簧;2—圓柱形、非對稱式氣門彈簧;3—錐形氣門彈簧;4—半錐形氣門彈簧
2.1.2 發動機維修拆解與裝配
(1)汽缸蓋維修
圖解
圖2-30汽缸蓋裝配示意圖中,前面標記“●”的零部件是不可重復使用的。

圖2-30 汽缸蓋裝配示意圖
① 汽缸蓋的拆解
a. 拆卸氣門桿蓋。
圖解
如圖2-31所示,從汽缸蓋上拆下氣門桿蓋。注意,按正確的順序擺放拆下的零件。

圖2-31 拆卸氣門桿蓋
b. 拆卸進氣門。
圖解
如圖2-32所示,用 SST(專用工具)和木塊壓縮(用專用工具向下壓氣門彈簧)并拆下氣門座圈鎖片。注意,按正確的順序擺放拆下的零件。

圖2-32 拆卸進氣門
拆下彈簧座圈、氣門彈簧和氣門。注意,按正確的順序擺放拆下的零件。
維修提示
拆卸進氣門和排氣門的操作程序一致。
c. 拆卸氣門桿油封。
圖解
如圖2-33所示,用尖嘴鉗拆下油封,在拆卸油封時,旋轉地往外拔就能很輕松地拆下,不要用很大勁。

圖2-33 拆卸氣門桿油封
d. 拆卸氣門彈簧座。
圖解
如圖2-34所示,用壓縮空氣和磁棒,吹入空氣以拆下氣門彈簧座。

圖2-34 拆卸氣門彈簧座
② 汽缸蓋的檢查
a. 檢查汽缸蓋平面度。
圖解
如圖2-35所示,使用精密直尺和測隙規,測量汽缸體和歧管接觸面的翹曲度。汽缸體側極限差值在0.05mm內。

圖2-35 檢查汽缸蓋平面度
如果翹曲度大于最大值,則更換汽缸蓋。
b. 檢查汽缸蓋是否破裂。
圖解
如圖2-36所示,用染色滲透法檢查進氣口、排氣口以及汽缸體表面是否有裂紋。如果有裂紋,則更換汽缸蓋。

圖2-36 檢查汽缸蓋是否破裂
c. 檢查凸輪軸軸向間隙。
圖解
如圖2-37所示,安裝凸輪軸,來回移動凸輪軸的同時,用百分表測量軸向間隙。最大軸向間隙一般為0.15mm。

圖2-37 檢查凸輪軸軸向間隙
如果軸向間隙大于最大值,則更換凸輪軸殼。如果止推面損壞,則更換凸輪軸。
d. 檢查凸輪軸油膜間隙。
圖解
如圖2-38所示。

圖2-38 檢查凸輪軸油膜間隙
① 清潔軸承蓋和凸輪軸軸頸。
② 將凸輪軸放到凸輪軸殼上。
③ 將塑料間隙規擺放在各凸輪軸軸頸上。
④ 測量塑料間隙規最寬處。最大油膜間隙極限值為0.085~0.09mm。
如果油膜間隙大于最大值,則更換凸輪軸。如有必要,更換汽缸蓋。
e. 檢查壓縮彈簧。
圖解
如圖2-39所示。

圖2-39 檢查壓縮彈簧
①使用游標卡尺,測量氣門彈簧的自由長度。例如新威馳1ZR-FE發動機彈簧自由長度為53.36mm。
如果自由長度不符合規定,則更換氣門彈簧。
② 用鋼角尺測量氣門彈簧的偏移量。最大偏移量為1.0mm。
如果偏移量大于最大值,則更換氣門彈簧。
(2)汽缸體維修
a. 拆卸帶連桿的活塞分總成。
圖解
如圖2-40所示,用鉸刀去除汽缸頂部的所有積炭。

圖2-40 拆卸帶連桿的活塞分總成(一)
圖解
如圖2-41所示,檢查并確認連桿和連桿蓋上的裝配標記相互對準以確保正確裝配。

圖2-41 拆卸帶連桿的活塞分總成(二)
注意,連桿和連桿蓋的裝配標記是為了確保正確安裝。
圖解
如圖2-42所示,用力矩扳手均勻松開2個螺栓。

圖2-42 拆卸帶連桿的活塞分總成(三)
圖解
如圖2-43所示。

圖2-43 拆卸帶連桿的活塞分總成(四)
① 用2個已拆下的連桿蓋螺栓,通過左右搖動連桿蓋拆下連桿蓋和下軸承。
注意,保持下軸承插入連桿蓋。
② 從汽缸體的頂部推出活塞、連桿總成和上軸承。
注意,使軸承、連桿和連桿蓋連在一起。按正確的順序擺放活塞和連桿總成。
b. 安裝曲軸上止推墊圈。
圖解
如圖2-44所示,① 使機油槽向外,將2個止推墊圈安裝到汽缸體的3號軸頸下方。

圖2-44 安裝曲軸上止推墊圈
② 在曲軸止推墊圈上涂抹發動機機油。
c.安裝曲軸。
圖解
如圖2-45所示,①在上軸承上涂抹發動機機油,并將曲軸安裝到汽缸體上。

圖2-45 曲軸安裝(一)
② 在下軸承上涂抹發動機機油。
③ 檢查數字標記,并將軸承蓋安裝到汽缸體上。
④ 在軸承蓋螺栓的螺紋上和軸承蓋螺栓下涂抹一薄層發動機機油。
圖解
如圖2-46所示,暫時安裝10個主軸承蓋螺栓。

圖2-46 曲軸安裝(二)
圖解
如圖2-47所示,標記2個內軸承蓋螺栓并以此為導向,用手插入主軸承蓋,直到主軸承蓋和汽缸體間的間隙小于5mm。

圖2-47 曲軸安裝(三)
圖解
如圖2-48所示,① 用塑料錘輕輕敲擊軸承蓋以確保正確安裝。

圖2-48 曲軸安裝(四)
② 安裝曲軸軸承蓋螺栓。
特別注意:主軸軸承蓋螺栓的緊固要分兩步完成。
d. 活塞的安裝。
圖解
如圖2-49所示,使活塞朝前標記朝前,用活塞環壓縮器將相應標號的活塞和連桿總成壓入汽缸內。

圖2-49 活塞的安裝
特別注意:
① 將連桿插入活塞時,不要使其接觸機油噴嘴。
② 使連桿蓋與連桿的標號相匹配。
2.1.3 發動機機械故障
(1)正時鏈機構維修
維修導讀
以大眾EA888二代發動機為例(如邁騰1.8TSI),來執行正時鏈機構拆卸和安裝的重要事項和操作程序。
① 凸輪軸正時鏈機構部件及裝配示意見圖2-50。

圖2-50 凸輪軸正時鏈機構部件及裝配示意
1,5,7—螺栓;2—鏈條張緊器(處于彈簧壓力下在拆卸之前必須用定位銷);3—正時鏈張緊軌;4,14—導向螺栓;6—控制閥;8—墊圈;9—軸承橋;10,13—凸輪軸正時鏈的滑軌;11—凸輪軸殼罩;12—凸輪軸正時鏈(拆卸前用彩色筆標記轉動方向);15—鏈輪
② 拆卸和安裝凸輪軸正時鏈機構步驟及注意事項見表2-2。
表2-2 拆卸和安裝凸輪軸正時鏈機構步驟及注意事項

③ 平衡軸正時鏈機構
a. 平衡軸正時鏈機構部件及裝配示意見圖2-51。

圖2-51 平衡軸正時鏈機構部件及裝配示意
1,10—螺栓;2—平衡軸;3—平衡軸管;4—鏈條張緊器;5—汽缸體;6—平衡軸;7—O形環;8—支承軸銷;9,17—鏈輪;11—帶墊圈螺栓;12—正時鏈滑軌;13—導向螺栓;14—張緊軌;15,19—導向螺栓;16—正時鏈;18—滑軌
b. 拆卸和安裝平衡軸正時鏈機構步驟及注意事項見表2-3。
表2-3 拆卸和安裝平衡軸正時鏈機構步驟及注意事項

④ 拆卸和安裝進氣凸輪軸的平衡軸步驟及注意事項見表2-4。
表2-4 拆卸和安裝進氣凸輪軸的平衡軸步驟及注意事項

(2)正時皮帶機構拆裝和校對
圖解
如圖2-52所示,現在比較主流的大眾EA211系列1.4TSI發動機已經不再使用正時鏈條,正時機構及凸輪軸驅動使用皮帶,按廠家要求,正時皮帶每隔90000千米需要更換一次。

圖2-52 正時皮帶機構
1)找一缸“上止點”
圖解
將曲軸轉到 “上止點”位置的方法:
① 如圖2-53所示,將用于密封氣缸體 “上止點”孔的鎖定螺栓擰出,順時針旋轉曲軸,使曲軸轉過一缸上止點270°左右。

圖2-53 找一缸“上止點”位置空
② 將專用工具T10340以30N?m的扭矩擰到氣缸體上并擰到底。 將曲軸沿順時針方向轉動,至限位位置。圖2-54所示為找一缸上止點的專用工具T10340。

圖2-54 找一缸上止點的專用工具
維修提示
專用工具栓T10340頂在曲軸側壁,它只能在發動機轉動方向上鎖定曲軸于上止點的位置上。
2)拆卸正時皮帶重要程序和注意事項
圖解
① 用專用工具T10340將曲軸定位于上止點的位置。凸輪軸也應位于上止點。檢查方法:如圖2-55所示,在進氣和排氣凸輪軸的后端,不對稱的卡槽必須位于過圓心的水平中心線的上方。

圖2-55 進氣凸輪軸上止點位置
② 拆下曲軸皮帶輪,將專用工具(尼龍塊)放在曲軸正時皮帶輪前端,并用曲軸螺栓壓緊工具和曲軸正時皮帶輪,防止曲軸正時皮帶輪錯位。
③ 拆下正時皮帶前的曲軸前罩蓋、凸輪軸罩蓋、中間罩蓋。
④ 拆下凸輪軸后端的罩蓋及水泵。
圖解
⑤ 當凸輪軸位于上止點,即在凸輪軸的后端不對稱的卡槽位于過圓心的水平中心線上方時,如圖2-56所示,裝入凸輪軸鎖專用工具T10477, T10477必須能很容易裝入安裝位置,并用螺栓箭頭所示擰緊,這樣凸輪軸被固定在上止點位置了。

圖2-56 裝入凸輪軸鎖專用工具
維修提示
不能用強行沖擊的方法安裝專用工具T10477,否則將損壞零件。
圖解
⑥ 如圖2-57所示,用專用工具T10172/2和T10172擰松進氣凸輪軸皮帶輪的固定螺栓1,并用同樣方法擰松排氣凸輪軸皮帶輪的固定螺栓,此兩螺栓都松開一圈。

圖2-57 使用專用工具
注意:松此兩螺栓的反作用力,必須由專用工具T10172/2和 T10172承受,不能使凸輪軸鎖專用工具T10477受力,否則將損壞工具和零件。
圖解
⑦ 如圖2-58所示,松開螺栓1,用30mm梅花扳手或專用工具SW30-T10499松開偏心張緊輪2。

圖2-58 松開偏心張緊輪
⑧ 將齒形皮帶從凸輪軸上拆下。
3)裝配正時皮帶重要程序和注意事項
圖解
① 用專用工具T10340將曲軸定位于“上止 點”位置,用凸輪軸鎖專用工具T10477將凸輪軸固定在上止點位置。
② 更換凸輪軸皮帶輪固定螺栓,并將其擰上,但不要擰緊,使凸輪軸皮帶輪能在凸輪軸上轉動,但不能晃動。
③ 安裝張緊輪,如圖2-59所示,使張緊輪的凸耳必須嵌入在汽缸蓋的鑄造孔內,張緊輪的固定螺栓用手擰緊。

圖2-59 張緊輪安裝
④ 如圖2-60所示,按下列順序裝上齒形皮帶:曲軸齒形皮帶輪、張緊輪、排氣凸輪軸皮帶輪、進氣凸輪軸皮帶輪、中間輪導向輪。

圖2-60 在輪上按順序裝上齒形皮帶
⑤ 安裝曲軸前罩蓋。
4)檢查正時重要程序和注意事項
① 拆下用于定位曲軸“上止點” 位置的專用工具 T10340,拆下用于固定凸輪軸上止點位置的凸輪軸鎖專用工具T10477。
② 曲軸沿發動機轉動方向轉3 圈+270°,將專用工具T10340以30N·m的扭矩擰到汽缸體上并擰到底。 再將曲軸沿順時針方向轉到限位位置,現在曲軸處于上止點。如果凸輪軸鎖專用工具T10477能夠很容易地安裝到凸輪軸的止點位,并能用螺栓箭頭所示方向輕易地擰到底,則正時調整正確。
③ 如果凸輪軸鎖專用工具T10477無法順利安裝,則配氣相位不合格,必須重新調整配氣相位。
④ 如果正時調整正確,則拆下用于定位曲軸“上止點” 位置的專用工具T10340,再拆下用于固定凸輪軸上止點位置的凸輪軸鎖專用工具T10477。
⑤ 用專用工具T10172/2和T10172將凸輪軸皮帶輪的固定螺栓1、2擰緊至最終的規定擰緊力矩。
(3)發動機故障
圖解
如圖2-61~圖2-63所示,汽缸蓋解體發現進氣門錐面附著積炭很厚,進氣歧管及汽缸蓋進氣部位附著一層硬質光滑積炭。發動機進氣門錐面硬質積炭過多,冷車啟動時壓縮混合氣,在進氣門與氣門座圈縫隙漏出,造成汽缸壓力過低,夏季中午溫度很高或熱車時積炭軟化,氣門密封良好,引起冷機發動機不能啟動、熱機發動機啟動及工作正常。

圖2-61 進氣門積炭,排氣門良好

圖2-62 進氣門與氣門座圈有積炭

圖2-63 進氣歧管(進氣道)積炭
圖解
如圖2-64~圖2-68所示,將進氣歧管、進氣門、汽缸蓋進氣道部位硬質積炭清除,然后用清洗劑清洗。

圖2-64 清除氣門上的積炭

圖2-65 清洗積炭

圖2-66 清洗后的進氣道(一)

圖2-67 清洗后的進氣道(二)

圖2-68 清洗后的進氣道(三)
維修提示
① 如果空氣濾清器濾芯被嚴重污染或滲透,污物顆粒和液體可能會進入進氣歧管內。這將導致發動機受損,功率不足。
② 使用原裝空氣濾清器濾芯。
③ 安裝進氣軟管時請使用無硅潤滑脂。
④ 檢查連通至空氣濾清器濾芯的進氣通道上是否有污物。 如果發現有污物,應從空氣濾清器罩上清除掉。