2.3 配氣機構

2.3.1 配氣機構概述

1.配氣機構的功用

按照汽缸工作循環和發動機點火次序的要求，定時開啟和關閉各進、排氣門，使新鮮工質得以及時進入汽缸，廢氣得以及時從汽缸排出。

2.配氣機構的基本形式

配氣機構按其功用可分為氣門組和氣門傳動組兩大部分。氣門組包括氣門、氣門導管、氣門座、氣門彈簧座、氣門彈簧、氣門鎖片等零件；氣門傳動組一般由搖臂、搖臂軸、推桿、挺柱、凸輪軸和正時齒輪組成（如圖2.36所示）。氣門組包括氣門及與之相關聯的零件，其組成與配氣機構的形式基本無關。氣門傳動組是從正時齒輪開始至推動氣門動作的所有零件，其組成視配氣機構的形式而有所不同。

3.配氣機構的工作過程

發動機工作時（如圖2.36所示），曲軸通過正時齒輪驅動凸輪軸旋轉。當凸輪軸轉到凸輪的凸起部分頂起挺柱時，挺柱通過推桿使搖臂繞搖臂軸擺動，壓縮氣門彈簧，使氣門離座，氣門即開啟；當凸輪的凸起部分滑過挺柱后，上頂力消失，氣門便在氣門彈簧力的作用下落座，氣門即關閉。

由上述工作過程可知：氣門的運動是在凸輪的頂力和彈簧的彈力共同作用下進行的，凸輪的輪廓曲線決定了氣門的開閉時刻與規律。

四沖程發動機每完成一個工作循環，曲軸旋轉兩周，各缸的進、排氣門各開啟一次，凸輪軸只旋轉一周。因此曲軸與凸輪軸的轉速之比應為2∶1。

4.配氣機構的其他結構類型

如圖2.36所示配氣機構是發動機中較早使用的形式，目前在商用車中還有一定的應用。隨著人類對環保的日益重視及科技的發展，發動機性能也發生相應的改變，從而使配氣機構的形式也呈現多樣性。

根據凸輪軸在發動機機體上位置的不同，常見的基本形式有三類：凸輪軸下置式、凸輪軸中置式和凸輪軸上置式（如圖2.37所示）。

根據凸輪軸的數量可分為單凸輪軸式和雙凸輪軸式（如圖2.38所示）。

根據氣門開閉響應時間不同，可分為搖臂式配氣機構和無搖臂配氣機構（如圖2.39所示）。

根據氣門的打開時間適應寬泛的發動機轉速變化要求不一，可分為可變配氣相位式（可變氣門式）（如圖2.40所示）和固定配氣相位式配氣機構。

如前所述，不論何類形式的配氣機構，氣門組的組成大致相同，氣門傳動組不盡相同。氣門傳動組不盡相同的根本原因取決于發動機的功率、轉速，以及配氣相位等因素的綜合考慮。一般地說，扭矩大、轉速較低的發動機宜采用凸輪軸下置或中置，配氣相位固定的配氣機構；扭矩較小、轉速較高的發動機宜采用凸輪軸頂置式，配氣相位可變的配氣機構。而凸輪軸的下置、中置還是頂置的布局帶來了氣門傳動組的不同。

5.配氣相位

在發動機工作中，“定時”的概念是以曲軸轉過的角度來定義的。配氣機構功能中的“定時”應理解為：曲軸轉了幾度氣門開啟，曲軸轉過幾度氣門關閉，即氣門的開閉時刻和持續時間對應曲軸轉了幾度。這種以曲軸轉過的度數來定義氣門開閉時刻和時間的度量方式稱為“配氣相位”（如圖2.41所示）。

（1）進氣門的配氣相位。發動機實際工作中，在排氣沖程接近完成時，活塞到達上止點之前，進氣門便開始開啟。從進氣門開始開啟到活塞到達上止點所對應的曲軸轉角稱為進氣提前角，用α表示。一般α值在10～30°之間。進氣門早開，可使活塞到達上止點開始向下運動時，進氣門已有一定的開度，可較快地獲得較大的進氣通道截面積，減小進氣阻力。在進氣沖程結束，活塞到達下止點時，進氣門尚未關閉，而是在活塞上行一段距離后才關閉。從活塞位于下止點到進氣門完全關閉所對應的曲軸轉角稱為進氣延遲角，用β表示。一般β值在40～80°之間。活塞到達下止點時，汽缸內的壓力仍低于大氣壓，且氣流還有相當大的慣性，適當延遲關閉進氣門，可利用壓力差和氣流慣性繼續進氣。進氣門開啟持續時間內對應的曲軸轉角，即進氣持續角α+180°+β，約為230～290°。

（2）排氣門的配氣相位。在做功沖程后期，活塞到達下止點之前，排氣門便開始開啟。從排氣門開始開啟到活塞到達下止點所對應的曲軸轉角稱為排氣提前角，用γ表示。一般γ值在40～80°之間。做功沖程接近結束時，汽缸內的壓力約為0.3～0.5MPa，做功作用已經不大，此時提前打開排氣門，可使高溫廢氣迅速排出，減小活塞上行時的排氣阻力，減小排氣時的功率損失。高溫廢氣提早迅速排出，還可防止發動機過熱。在排氣沖程結束活塞，到達上止點又下行一段距離后，排氣門才關閉。從活塞位于上止點到排氣門完全關閉所對應的曲軸轉角稱為排氣延遲角，用δ表示。活塞到達上止點時，汽缸內的壓力仍高于大氣壓，且氣流還有一定的慣性，適當延遲關閉排氣門，可使廢氣排得更干凈。排氣門開啟持續時間內的曲軸轉角，即排氣持續角γ+180°+δ，約為230°～290°。

（3）氣門疊開與氣門疊開角。由于進氣門在排氣上止點之前已經開啟，而排氣門又在排氣上止點之后才關閉，這就出現了在同一段時間內，進氣門和排氣門同時開啟的現象，稱為氣門疊開。氣門疊開所對應的曲軸轉角稱為氣門疊開角，大小為α+δ。氣門疊開時，氣門的開度很小，且新鮮氣流和廢氣流各有自己的慣性，在短時間內不會改變流動方向。因此，只要氣門疊開角選擇適當，就有利于換氣而不會造成廢氣倒流入進氣管和新鮮氣體隨同廢氣排出。

（4）氣門間隙。發動機工作時，氣門將因溫度升高而膨脹。如果氣門及其傳動件之間，在冷態時無間隙或間隙過小，則在熱態下，氣門及其傳動件的受熱膨脹勢必引起氣門關閉不嚴，造成發動機在壓縮和做功行程中的漏氣，而使功率下降，嚴重時使發動機不易起動。為消除上述現象，通常在發動機冷態裝配時，在氣門與其傳動機構中，留有適當的間隙，以補償氣門受熱后的膨脹量。這一預留間隙通常稱為氣門間隙。采用液力挺柱的發動機，挺柱內部填充有液體，可使挺柱的長度自動變化，隨時補償氣門的熱膨脹量，故不需要預留氣門間隙。氣門間隙的大小一般由發動機制造廠根據試驗確定。通常在冷態時，進氣門的間隙為0.25～0.30mm，排氣門的間隙為0.30～0.35mm。如果間隙過小，發動機在熱態下可能發生漏氣，導致功率下降，嚴重時，將使氣門燒壞。如間隙過大，則會使傳動零件之間，以及氣門和氣門座之間產生撞擊、響聲，而加速磨損，同時也會使氣門升程減小，氣門開啟的持續時間減小，進氣不充分，排氣不干凈。

配氣相位決定進入發動機汽缸內的空氣量。傳統發動機是通過選擇發動機最常用轉速來確定最佳配氣相位的，一經確定則固定不變，配氣相位的大小由凸輪的形狀決定。

因為不同轉速對配氣相位的要求不一樣，這一段要具有良好的進排氣效果，具有良好的動力性和經濟性，近年來一些發動機上采用了可變配氣相位機構（如圖2.40所示）。

可變配氣相位機構有多種方案，目前實際應用的有本田汽車的可變氣門控制（VTEC）機構、三菱汽車的多模式可變氣門控制（MIVEC）機構、通用公司的無凸輪軸電子控制可變氣門控制機構、豐田和帕薩特B5的可變配氣正時控制（VVT-i）機構等。前三種機構既可以改變配氣相位，也可以同時改變氣門升程。第四種機構的實質是改變進氣門的開閉時刻，增大高速時的進氣遲閉角，以提高充氣效率。

6.每缸氣門數及其排列方式

（1）每缸氣門數。早期的發動機多采用每缸兩個氣門，即一個進氣門和一個排氣門的結構。這種每缸兩氣門結構的形式，不適應需進一步提高汽缸換氣效果的現代發動機，因為氣門直徑的增大受到燃燒室尺寸的限制。因此，在高轉速車發動機上多采用每缸4氣門或5氣門的結構，即2個進氣門和2個排氣門或3個進氣門和2個排氣門，如圖2.42所示。

現代轎車發動機設計面臨的主要任務是進一步降低燃油消耗和排放污染，提高動力性，改善噪聲特性，降低成本。如新型奧迪轎車的V形六缸5氣門發動機和捷達EA113型四缸5氣門發動機采用了5氣門（3進2排）技術。與4氣門相比，采用每缸5氣門的發動機，其氣門流通面積更大。

（2）氣門排列方式。當每缸采用2個氣門時，為使結構簡化，大多數發動機采用所有氣門沿發動機機體縱向軸線排成一列的方式。這樣，相鄰兩缸的同名氣門就有可能合用一個氣道，有利于氣道簡化并能得到較大的氣流通過面積；也可以將進、排氣門交替布置，每缸單獨使用一個氣道，這樣有利于汽缸蓋均勻冷卻。

柴油發動機的進、排氣道一般分置于發動機機體的兩側，以免進氣受到排氣的加熱，導致沖氣效率下降。傳統汽油發動機的進、排氣道通常置于發動機機體的同一側，以便進氣受到排氣的預熱，形成均勻混合氣。電控汽油噴射發動機的進氣歧管內流動的是純空氣，故不需對進氣歧管進行預熱，其進排氣門也分置于機體兩側。

當每缸采用4個氣門時，氣門的排列方式有兩種：一種是同名氣門排成兩列，如圖2.43（a）所示，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。在這種排列方式中，兩同名氣門在氣道中的位置一遠一近，可能會使二者的工作條件和工作效果不一致。另一種方式是同名氣門排成一列，如圖2.43（b）所示。這種方式沒有上述缺點，但一般要用兩根凸輪軸分別驅動進、排氣門。

當每缸采用5氣門時，氣門的排列方式一般是同名氣門排成一列（如圖2.42所示），分別設置進氣凸輪軸和排氣凸輪軸驅動。

2.3.2 氣門組

氣門組（如圖2.44所示）應保證氣門能夠實現對汽缸的密封，因此要求：

①氣門頭部與氣門座貼合嚴密；

②氣門導管對氣門桿的上下運動有良好的導向作用；

③氣門彈簧的兩端面與氣門桿的中心線垂直，以保證氣門頭在氣門座上不偏斜；

④氣門彈簧的彈力足以克服氣門及其傳動件的運動慣性力，使氣門能及時關閉，并保證氣門緊壓在氣門座上。

1.氣門

氣門由頭部和桿部兩部分組成，頭部用來封閉汽缸的進、排氣通道，桿部則主要為氣門的運動導向（如圖2.45所示）。

為了減小進氣阻力，提高汽缸的充氣效率，多數發動機進氣門頭部的直徑比排氣門大，以使汽缸的進氣充分，這也是進、排氣門的一個明顯的區別。

氣門頭部的熱量是直接通過氣門座，以及氣門桿經氣門導管傳到汽缸蓋的。為了提高氣門頭部的散熱性能，氣門座孔區域應加強冷卻，氣門頭向氣門桿過渡部分的幾何形狀應盡量做到圓滑，以增加強度并減小熱流阻力。此外，氣門桿與氣門導管之間的間隙應盡可能小。

氣門桿呈圓柱形具有較高的加工精度和較低的粗糙度，保證其耐磨性及與氣門導管間的配合精度，并具有良好的導向和散熱作用。

氣門桿端部的形狀取決于氣門彈簧座的固定方式（如圖2.46所示）。常用的結構是用剖分成兩半的錐形鎖片來固定彈簧座，如圖2.46（a）所示，相應地在氣門桿的端部切出環槽來安裝鎖片。有些發動機其氣門彈簧座用圓柱銷固定，如圖2.46（b）所示，因而氣門桿端部有一個用來安裝圓柱銷的徑向孔。

2.氣門導管

氣門導管安裝在氣門與汽缸蓋之間，主要起導向作用，保證氣門做直線往復運動，使氣門與氣門座能正確貼合。氣門導管還在氣門桿與汽缸蓋之間起導熱作用，如圖2.47所示。

3.氣門座

氣門座是指汽缸蓋上與氣門頭部錐面配合的環形座，與氣門頭部共同對汽缸起密封作用，同時接受氣門傳來的熱量。

氣門座有兩種形式，一種是直接在汽缸蓋上鏜出，散熱效果好，但不耐磨；另一種是單獨制成氣門座圈，然后鑲嵌到汽缸蓋上（如圖2.48所示）。

鑲嵌式氣門座的缺點是導熱性差，加工精度要求較高。若氣門座的公差配合不當，工作時鑲嵌式氣門座容易脫落，導致重大事故。因此，當直接在汽缸蓋上加工出來的氣門座能滿足工作要求時，一般不用鑲嵌式氣門座。

4.氣門彈簧

氣門彈簧的作用是保證氣門在運動過程中按凸輪輪廓線規定的運動軌跡運動，為此，氣門彈簧應具有足夠的彈力和安裝預緊力。

氣門彈簧多為等螺距氣門彈簧，如圖2.49（a）所示，其材料為高碳錳鋼、鉻釩鋼等冷拔鋼絲，加工后要進行熱處理。鋼絲表面要進行磨光、拋光或噴丸處理，以提高疲勞強度，增強彈簧的工作可靠性。此外，為避免彈簧銹蝕，其表面應進行鍍鋅、鍍銅、磷化或發藍處理。

氣門彈簧在工作中，當其工作頻率與固有振動頻率相等或成某一倍數時，將發生共振。為了防止這一現象的發生，可采取如下措施：

①提高氣門彈簧自身剛度，即提高氣門彈簧的固有振動頻率。如加大彈簧簧絲的直徑，減小彈簧的外徑等。

②采用變螺距氣門彈簧。如圖2.49（b）所示，這種彈簧在工作時，螺距小的一端先疊合后張開，由于螺距梯度的變化，參加工作的有效圈數逐漸地變化，頻率也在不斷地變化，從而避免共振發生。如紅旗轎車的8V100發動機氣門彈簧。

③采用錐形氣門彈簧。如圖2.49（c）所示，錐形彈簧的剛度和固有振動頻率沿彈簧軸線方向是變化的，可以消除發生共振的可能性。

④采用雙氣門彈簧（如圖2.44（b）所示）。一些高速發動機通常在每一個氣門上都同心安裝兩根直徑不同、旋向相反的內外彈簧，這樣既可以提高氣門彈簧工作的可靠性，又可以防止共振，而且當一根彈簧折斷時，另一根還可維持工作，不致使氣門落入汽缸中。采用雙彈簧還可減小彈簧的高度，減小安裝空間。

⑤采用氣門彈簧振動阻尼器。當采用一個等螺距圓柱形氣門彈簧時，可在彈簧外圈加裝氣門彈簧振動阻尼器，如圖2.46（a）所示。

2.3.3 氣門傳動組

氣門傳動組主要由凸輪軸和正時齒輪、挺柱、推桿、搖臂、搖臂軸和搖臂軸支座等組成。凸輪軸上置式配氣機構省去了推桿，由凸輪軸直接驅動挺柱或搖臂打開氣門（如圖2.39所示）。氣門傳動組的主要作用是控制進、排氣門定時地開啟和關閉，且保證有足夠的開度。

1.凸輪軸

凸輪軸的作用是按照發動機的工作順序，使氣門驅動和控制氣門的開啟和關閉。有些凸輪軸還具有驅動分電器（汽油機）、機油泵和汽油泵（或輸油泵）的作用。

凸輪軸主要由各缸凸輪和軸頸組成（如圖2.50所示）。凸輪可分為進氣凸輪和排氣凸輪兩種，分別驅動進氣門和排氣門，使其按一定的工作順序和配氣相位及時開閉，并具有足夠的氣門升程。凸輪軸的軸頸一般都大于凸輪的輪廓，并從前向后依次減小，以便拆裝。凸輪軸的前端裝有正時齒輪。

凸輪軸安裝在汽缸蓋上，或汽缸體一側（上置式或中置式、下置式）的座孔中。

凸輪的功用是與氣門彈簧一起使氣門按照其輪廓線規定的運動去運動。凸輪的輪廓決定了氣門開啟和關閉過程的運動規律。每種發動機的凸輪輪廓形狀都不盡相同，但多采用函數凸輪，其輪廓線是對稱的。

凸輪輪廓由基圓和凸起兩部分組成，形狀如圖2.51所示。O點為凸輪旋轉中心。圓弧EA是以O點為圓心的基圓。

凸輪旋轉過程中，基圓與挺柱接觸時，挺柱不動，氣門處于關閉狀態。

當凸輪按圖中箭頭方向轉到A點與挺柱接觸時，挺柱（液力挺柱除外）開始上移，但由于存在氣門間隙，氣門仍不能開啟。

凸輪轉到B點與挺柱接觸時，氣門間隙已消除，氣門開始開啟。凸輪轉到C點與挺柱接觸時，氣門開度達到最大。

凸輪繼續轉動，挺柱開始下移，氣門在氣門彈簧彈力作用下開始關閉。當凸輪轉到D點與挺柱接觸時，氣門完全關閉。

凸輪軸上各缸的進氣凸輪或排氣凸輪稱為同名凸輪。從凸輪軸的前端看（如圖2.52所示），各缸同名凸輪的相對角位置按發動機各缸的點火順序逆凸輪軸轉動方向排列，夾角為點火間隔角的1/2。因此，根據凸輪軸的旋轉方向及各進氣（或排氣）凸輪的工作順序，就可以判定發動機的點火順序。

四缸四沖程發動機每完成一個工作循環，曲軸旋轉兩周，凸輪軸只旋轉一周，每個汽缸都要進行一次進氣（或排氣），且各缸進氣（或排氣）的時間間隔相等，即各缸進（或排）氣門的凸輪彼此間的夾角均為90°。由圖2.52（a）可見，該發動機的點火順序為1—3—4—2（凸輪軸旋轉方向，從前端向后看，如箭頭所示）。如圖2.52（b）所示為點火順序為1—5—3—6—2—4的六缸四沖程發動機的凸輪軸的凸輪排列及相對角位置示意圖，任何兩個相繼點火的汽缸進（排）氣凸輪間的夾角為360°/6=60°。

2.挺柱

挺柱安裝在推桿和凸輪之間（如圖2.53所示），它的功用是將凸輪的側向推力轉化成軸向推力傳給推桿或氣門，壓縮氣門彈簧開啟氣門。

挺柱根據其作用原理的不同，分為普通挺柱和液壓挺柱兩大類。

普通挺柱常見的形式有兩種：筒式和滾輪式。

大多數發動機采用筒式挺柱（如圖2.53（a）所示），以減輕重量。某些大缸徑柴油機采用滾輪式挺柱（如圖2.53（b）所示），其優點是可以顯著減小摩擦力和側向力，但結構復雜，重量較大。

液壓挺柱的作用是使凸輪和氣門間實現無間隙傳動，以解決配氣機構在工作中由于該間隙的存在所產生的沖擊和噪聲問題。越來越多的發動機，特別是轎車發動機采用了液壓挺柱。

3.推桿

采用下置式和中置式凸輪軸的配氣機構，利用推桿將挺柱傳來的推力傳給搖臂。推桿下端與挺柱接觸，上端與搖臂上的氣門間隙調整螺釘接觸。為防止發生運動干涉，推桿的下端一般制成凸球形，以便與挺柱的凹球形支座相適應；上端一般制成凹球形，以便與搖臂調整螺釘的凸球形頭部相適應（如圖2.54所示）。

4.搖臂

搖臂的功用是將推桿和凸輪傳來的力改變方向，作用到氣門桿端以推開氣門。搖臂實際上是一個不等長的杠桿（如圖2.55所示），搖臂的長、短臂長度的比值（稱為搖臂比）約為1.2～1.8，其中長臂一端是推動氣門的，這樣可利用小的凸輪升程獲得大的氣門開度。

搖臂長臂端頭的工作表面一般制成圓柱形，當搖臂擺動時可沿氣門桿端面滾滑，這樣可使兩者之間的力盡可能沿氣門軸線作用；搖臂短臂一端裝有調節氣門間隙的調整螺釘及鎖緊螺母，螺釘的球頭與推桿頂端的凹球座相接觸。

配氣機構小結。

綜合上面的介紹，可歸納為以下幾點：

（1）配氣機構的動力來源于曲軸。即曲柄連桿機構工作時產生的部分扭矩，通過曲軸與凸輪軸的某種聯系方式（齒輪、鏈條或齒形帶）傳給配氣機構，驅動配氣機構運動。

（2）配氣機構與曲柄連桿機構分屬兩套機構，為使配氣機構能夠“按照汽缸工作循環和發動機點火次序的要求，定時開啟和關閉”氣門，“定時”功能由凸輪軸正時齒輪和曲軸正時齒輪之間的安裝位置決定。

（3）氣門的打開和關閉按設計的軌跡進行。凸輪的輪廓線決定氣門的運動軌跡，氣門彈簧保證氣門按軌跡運動。

（4）配氣機構是氣體進出汽缸的通道，也是影響氣體進出汽缸的重要因素，為此，工程師們在這個因素上考慮的改進主要在三方面：氣門頭直徑、氣門個數和配氣相位的大小。