2.3　配氣機構

2.3.1　配氣機構功用

按照發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)得以及時進入氣缸,廢氣得以及時排出氣缸。

2.3.2　對配氣機構的要求

① 按照確定的規律定時開閉氣門。

② 進氣充分、排氣干凈,換氣效果好。

③ 氣門開啟迅速,落座平穩,無反跳或抖動。

④ 工作可靠,振動噪聲小。

⑤ 結構簡單,維修方便。

2.3.3　配氣機構的組成

配氣機構有氣門組、氣門傳動組組成,如圖2?3?1所示。

2.3.3.1　氣門組

由氣門、氣門座、氣門導管、氣門彈簧、氣門彈簧座和氣門鎖環等組成。

氣門組作用:封閉進、排氣道。

(1)氣門

① 組成:氣門是由頭部和桿部組成的。頭部用來封閉氣缸的進、排氣通道,桿部則主要為氣門的運動導向。

a.氣門頭部的形狀主要有以下幾種形式(圖2?3?2、表2?3?1):

(a)凸頂:凸頂的剛度大,受熱面積也大,用于某些排氣門[圖2?3?2(a)];

(b)平頂:平頂的結構簡單、制造方便,受熱面積小,應用最多[圖2?3?2(b)];

(c)凹頂:凹頂,也稱漏斗形,其質量小、慣性小,頭部與桿部有較大的過渡圓弧,使氣流阻力小,具有較大的彈性,對氣門座的適應性好(又稱柔性氣門),容易獲得較好的磨合,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,如圖2?3?2(c)所示。　　

② 氣門錐角。

a.定義:氣門頭部與氣門座圈接觸的錐面與氣門頂部平面的夾角。

b.作用:獲得較大的氣門座合壓力,提高密封性和導熱性;氣門落座時有較好的對中、定位作用;避免氣流拐彎過大而降低流速。

c.氣門錐角大小的影響(圖2?3?3):

(a)氣門錐角越小,氣門口通道截面越大,通過能力越強;氣門錐角越大,截面就越小,通過能力越弱。

(b)錐角越大,落座壓力越大,密封和導熱性也越好。另外,錐角大時,氣門頭部邊緣的厚度大,不易變形。

(c)進氣門錐角:主要是為了獲得大的通道截面,其本身熱負荷較小,往往采用較小的錐角,多用30°,有利于提高充氣效率。

(d)排氣門則因熱負荷較大而用較大的錐角,通常為45°,以加強散熱(大約75%的氣門熱量從氣門座處散失)和避免受熱變形,也有發動機為了制造和維修方便,二者都用45°。

③ 氣門的桿部。氣門桿部具有較高的加工精度和較低的粗糙度,與氣門導管保持有正確的配合間隙,以減小磨損和起到良好的導向、散熱作用。

④ 功用。燃燒室的組成部分,是氣體進、出燃燒室通道的開關,承受沖擊力、高溫沖擊、高速氣流沖擊。

⑤ 工作條件。

a.進氣門570~670K,排氣門1050~1200K。

b.頭部承受氣體壓力、氣門彈簧力等。

c.冷卻和潤滑條件差。

d.被氣缸中燃燒生成物中的物質所腐蝕。

(2)氣門座

① 概念:氣缸蓋的進、排氣道與氣門錐面相結合的部位。

② 作用:靠其內錐面與氣門錐面的緊密貼合密封氣缸;接受氣門傳來的熱量。

③ 氣門密封干涉角:比氣門錐角大0.5°~1°的氣門座圈錐角。

氣門密封干涉角的作用(圖2?3?4):

a.減小了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;

b.可擠出二者之間的夾雜物,即具有自潔作用;

c.在氣體壓力作用下產生彈性變形時,可趨向全錐面接觸,即隨氣體壓力的增加,單位壓力變化較小。如果干涉角相反即產生負干涉角時,便將起相反作用;

d.能防止加工時出現負干涉角,若產生負干涉角,除前述相反作用外,還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。

上述中提高密封能力和加速磨合是主要的作用,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。

(3)氣門導管

① 作用:氣門導管為氣門的運動導向,保證氣門直線運動兼起導熱作用。

② 工作條件:工作溫度較高,約500K。潤滑困難,易磨損。

③ 材料:用含石墨較多的鑄鐵,能提高自潤滑作用。

④ 加工方法:外表面加工精度較高,內表面精鉸。

(4)氣門彈簧

① 作用:保證氣門的回位;保證氣門與氣門座的座合壓力;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。

② 材料:高錳碳鋼、鉻釩鋼。

③ 要求:具有合適的彈力;具有足夠的強度和抗疲勞強度;采用優質冷拔彈簧鋼絲制成,鋼絲表面經拋光或噴丸處理;彈簧的兩端面經磨光并與彈簧軸線相垂直。

④ 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時,將會發生共振,造成氣門反跳、落座沖擊,并可使彈簧折斷。為此,采取如下幾種結構措施:

a.提高氣門彈簧的自然振動頻率。即設法提高氣門彈簧的剛度,如加粗鋼絲直徑或減小彈簧的圈徑。這種方法較簡單,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。

b.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,當某一彈簧發生共振時,另一彈簧可起減振作用。旋向相反,可以防止一根彈簧折斷時卡入另一根彈簧內,導致好的彈簧被卡住或損壞。另外,萬一某根彈簧折斷時,另一根彈簧仍可保持氣門不落入氣缸內。

c.采用不等螺距彈簧。這種彈簧在工作時,螺距小的一端逐漸疊合,有效圈數逐漸減小,自然頻率也就逐漸提高,使共振成為不可能。

d.采用等螺距的單彈簧,在其內圈加一個過盈配合的阻尼摩擦片來消除共振。

2.3.3.2　氣門傳動組

由凸輪軸正時齒輪、凸輪軸、挺柱、氣門推桿、搖臂和搖臂軸等組成(圖2?3?5)。

氣門傳動組作用:使進、排氣門按配氣相位規定的時刻開閉,且保證有足夠的開度。

(1)凸輪軸

① 作用:驅動和控制各缸氣門的開啟和關閉,使其符合發動機的工作順序、配氣相位及氣門開度的變化規律等要求。

② 材料:多用優質碳鋼或合金鋼鍛制,并經表面高頻淬火(中碳鋼)或滲碳淬火(低碳鋼)處理。

③ 工作條件:承受氣門間歇性開啟的沖擊載荷。

④ 組成:凸輪軸主要由凸輪、凸輪軸軸頸等組成。

(2)挺柱

① 作用:將凸輪的推力傳給推桿或氣門。

② 分類(表2?3?2)。

(3)氣門推桿

① 作用:將挺柱傳來的推力傳給搖臂。

② 工作情況:是氣門機構中最容易彎曲的零件。

③ 材料:硬鋁或鋼。

(4)搖臂

① 作用:將推桿或凸輪傳來的力改變方向,作用到氣門桿端以推開氣門。

② 組成(圖2?3?6)。

③ 材料:一般為中碳鋼,也有的用球墨鑄鐵或合金鑄鐵。

2.3.4　配氣機構的分類

(1)按氣門的布置位置分(側置式、頂置式兩種)

側置式:氣門布置在氣缸的一側。使燃燒室結構不緊湊,熱量損失大,氣道曲折,進氣流通阻力大,從而使發動機的經濟性和動力性變差,已被淘汰。

頂置式:氣門布置在氣缸蓋上。

(2)按凸輪軸的位置分類(圖2?3?7)

① 凸輪軸下置式。凸輪軸布置在曲軸箱上,由曲軸正時齒輪驅動。優點是凸輪軸離曲軸較近,可用齒輪驅動,傳動簡單。但存在零件較多,傳動鏈長,系統彈性變形大,影響配氣準確性等缺點。

② 凸輪軸中置式。?凸輪軸布置在曲軸箱上,與下置凸輪軸相比,省去了推桿,由凸輪軸經過挺柱直接驅動搖臂,減小了氣門傳動機構的往復運動質量,適應更高速的發動機。

③ 凸輪軸上置式。凸輪軸直接布置在氣缸蓋上,直接通過搖臂或凸輪來推動氣門的開啟和關閉。這種傳動機構沒有推桿等運動件,系統往復運動質量大大減小,非常適合現代高速發動機,尤其是轎車發動機。

(3)按曲軸到凸輪軸的傳動方式分類

凸輪軸的傳動方式如圖2?3?8所示。

① 齒輪傳動。

② 鏈傳動。

③ 齒形皮帶傳動。

2.3.5　配氣機構的工作原理

凸輪軸旋轉時,當凸輪軸上凸起部分與挺柱接觸時,將挺柱頂起,通過推桿、調整螺釘使搖臂繞搖臂軸順時針擺動,搖臂的長臂端向下推動氣門,氣門克服彈簧力,開啟直至最大位置。

當凸輪凸起部分的頂點轉過挺柱后,氣門開度逐漸減小,直至關閉。四沖程發動機完成一個工作循環曲軸旋轉兩圈(720°),凸輪軸旋轉一周,各缸進、排氣門各開啟一次。

由此可看出:氣門的開啟是通過氣門傳動組的作用完成的。而氣門的關閉是由氣門彈簧來完成的。

氣門的開閉時刻與規律完全取決于凸輪的輪廓曲線形狀。每次氣門打開時,壓縮彈簧,為氣門關閉積蓄能量。

2.3.6　配氣相位

2.3.6.1　定義

用曲軸轉角表示的進、排氣門的開啟時刻和開啟延續時間。

2.3.6.2　配氣相位圖

通常用環形圖表示——配氣相位圖,如圖2?3?9所示。

(1)進氣提前角

從進氣門開始開啟到上止點所對應的曲軸轉角,用α表示,α一般為10°~30°。

其目的是為了保證進氣開始時,進氣門已開啟較大,增加進入氣缸的新鮮氣體或可燃混合氣。

該角度過小,進氣充量增加少;該角度過大,又會導致廢氣流入進氣管。

(2)進氣遲后角

從下止點到進氣門關閉所對應的曲軸轉角,用β表示,β一般為40°~80°。

其目的是利用進氣氣流慣性和壓力差繼續進氣。該角度過小,進氣氣流慣性未能得到充分利用,降低了進氣充量;而該角度過大,進氣氣流慣性已用完,會導致已經進入氣缸的新鮮充量又被排出。

(3)排氣提前角

從排氣門開始開啟到下止點所對應的曲軸轉角,用γ表示,γ一般為40°~80°。

其目的是利用廢氣壓力,使氣缸內廢氣排得更干凈。但排氣提前角也不宜過大,否則將造成做功能力損失。

(4)排氣遲后角

從上止點到排氣門關閉所對應的曲軸轉角,用δ表示,δ一般為10°~30°。

其目的是利用排氣氣流慣性使廢氣排除更干凈,但角度過大會造成排出的廢氣又被吸入氣缸。

(5)氣門重疊與氣門重疊角

在排氣終了和進氣剛開始時,進排氣門同時開啟,這種現象稱為氣門重疊。進排氣門同時開啟過程對應的曲軸轉角,稱為氣門重疊角。氣門重疊角的大小為α+δ。

適宜的氣門重疊角,可以利用氣流壓差和慣性清除殘余廢氣,增加新鮮充量,稱此為燃燒室掃氣。

(6)進氣持續角:α+180°+β。

(7)排氣持續角:γ+180°+δ。

2.3.6.3　配氣相位對發動機工作性能的影響

(1)重疊角的影響

過大:廢氣倒流、新鮮氣體隨廢氣排出的現象。

過小:排氣不徹底和進氣量減少。

(2)進氣遲后角

過大:進氣門關閉過晚,會將進入氣缸內的氣體重新又壓回到進氣道內。

過小:進氣門關閉過早而影響進氣量。

(3)排氣提前角

過大:仍有做功能力的高溫高壓氣體提前排出氣缸,造成發動機功率下降。

過小:排氣阻力而增加發動機的功耗,造成發動機過熱。

(4)合理的配氣相位

不變配氣相位發動機:通過試驗來確定某一轉速下較合適的配氣相位。在其他轉速下運轉時,配氣相位就不是最合適的。

可變配氣相位發動機:通過電腦控制配氣相位可隨發動機轉速、負荷變化對發動機配氣相位進行自動調整。

發動機的結構不同,轉速不同,配氣相位也就不同,最佳的配氣相位角是根據發動機性能要求,通過反復試驗確定。

在使用中,由于配氣機構零部件磨損、變形或安裝調整不當,會使配氣相位產生變化,應定期進行檢查調整。