2.3　配氣機(jī)構(gòu)

2.3.1　配氣機(jī)構(gòu)基本知識(shí)

細(xì)節(jié)一：配氣機(jī)構(gòu)的功用

配氣機(jī)構(gòu)的功用是按照發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)和工作順序的要求，適時(shí)地開啟或關(guān)閉各個(gè)氣缸的進(jìn)氣門和排氣門，使可燃混合氣（汽油機(jī)）或新鮮空氣（柴油機(jī)）適時(shí)進(jìn)入氣缸，并將燃燒后產(chǎn)生的廢氣及時(shí)排出氣缸。

可燃混合氣或新鮮空氣進(jìn)入氣缸越多，發(fā)動(dòng)機(jī)可能輸出的功率將越大，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率要非常高。然而影響發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的因素很多，如進(jìn)氣系統(tǒng)自身對氣流的阻力引起進(jìn)氣終了時(shí)氣缸內(nèi)壓力下降，上一循環(huán)沒有排凈的殘余廢氣及燃燒室、活塞頂、氣門等高溫零件對進(jìn)入氣缸的新鮮氣體進(jìn)行加熱，使進(jìn)氣終了時(shí)氣體溫度升高，導(dǎo)致實(shí)際充入氣缸的可燃混合氣或空氣總是低于在大氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮氣體的質(zhì)量，即充氣效率總是小于1（通常為0.8～0.9）。因此對于配氣機(jī)構(gòu)而言，要提高充氣效率，應(yīng)盡可能地減小進(jìn)、排氣阻力，合理設(shè)置配氣正時(shí)，使進(jìn)氣和排氣盡量充分。

細(xì)節(jié)二：配氣機(jī)構(gòu)的組成

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)主要是由氣門傳動(dòng)組和氣門組兩部分組成。氣門傳動(dòng)組由凸輪軸、液壓挺柱、正時(shí)齒形帶、正時(shí)齒輪及中間軸齒輪、張緊輪等組成；氣門組包括進(jìn)排氣門、氣門導(dǎo)管、氣門座、氣門內(nèi)外彈簧、氣門彈簧座、氣門彈簧鎖片以及氣門油封等，如圖2-108所示。

細(xì)節(jié)三：充氣效率

在進(jìn)氣行程中，實(shí)際進(jìn)入氣缸內(nèi)的可燃混合氣或新鮮空氣的質(zhì)量與在進(jìn)氣系統(tǒng)理想狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的可燃混合氣或新鮮空氣的質(zhì)量之比，稱為充氣效率。

（1）充氣效率的計(jì)算　公式如下。

式中　M——進(jìn)氣過程中，實(shí)際進(jìn)入氣缸的新氣的質(zhì)量；

Mo——在理想狀態(tài)下，充滿氣缸工作容積的新氣質(zhì)量。

（2）對充氣效率的分析通常ηv<1（一般為0.8～0.9）。

（3）提高ηv方法減少進(jìn)氣與排氣阻力；進(jìn)、排氣門的開啟時(shí)刻和持續(xù)開啟時(shí)間要適當(dāng)。

細(xì)節(jié)四：配氣機(jī)構(gòu)的類型

（1）按氣門布置位置分類　根據(jù)氣門布置方式不同可分為氣門側(cè)置式與氣門頂置式兩種結(jié)構(gòu)類型，如圖2-109所示。氣門側(cè)置式壓縮比受到限制，進(jìn)排氣門阻力較大，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與高速性均較差，逐漸被淘汰。目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大多選用氣門頂置式布置結(jié)構(gòu)。

（2）按凸輪軸的布置位置分類　根據(jù)凸輪軸位置可分為上、中、下三種布置方式的結(jié)構(gòu)類型，分別見圖2-110。

①上置凸輪式配氣機(jī)構(gòu)：凸輪軸上置式配氣機(jī)構(gòu)的凸輪軸安裝于氣缸蓋上，多用于轎車的高速強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)。這種結(jié)構(gòu)都采用齒形帶傳動(dòng)或鏈傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)如圖2-110（a）所示。

②中置凸輪式配氣機(jī)構(gòu)：凸輪軸中置式結(jié)構(gòu)多用于柴油機(jī)。通常采用在一對正時(shí)齒輪之間加入一個(gè)中間齒輪（惰輪）進(jìn)行傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)如圖2-110（b）所示。

③下置凸輪式配氣機(jī)構(gòu)：凸輪軸下置式配氣機(jī)構(gòu)多用于載貨汽車及大、中型客車發(fā)動(dòng)機(jī)。這種結(jié)構(gòu)都采用一對正時(shí)齒輪傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)如圖2-110（c）所示。

（3）按凸輪軸的傳動(dòng)方式分類　凸輪軸的位置有下置式、中置式與上置式三種布置方式，其相應(yīng)的傳動(dòng)方式依次是齒輪傳動(dòng)、齒形帶和帶輪傳動(dòng)（含鏈與鏈輪傳動(dòng)）。其結(jié)構(gòu)組成如圖2-111所示。

（4）按氣門驅(qū)動(dòng)形式分類配氣機(jī)構(gòu)根據(jù)氣門驅(qū)動(dòng)形式不同可分為搖臂驅(qū)動(dòng)、擺臂驅(qū)動(dòng)和凸輪直接驅(qū)動(dòng)三種結(jié)構(gòu)類型，參見圖2-112。

凸輪軸上置于氣缸蓋上的配氣機(jī)構(gòu)又稱為凸輪軸頂置式配氣機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)類型又可分為單頂置凸輪軸（SOHC）擺臂和雙頂置凸輪軸（DOHC）擺臂驅(qū)動(dòng)式配氣機(jī)構(gòu)。

通常擺臂驅(qū)動(dòng)氣門的配氣機(jī)構(gòu)比搖臂驅(qū)動(dòng)氣門的配氣機(jī)構(gòu)剛度要好，非常有利于高速發(fā)動(dòng)機(jī)。

由凸輪直接驅(qū)動(dòng)氣門的頂置式配氣機(jī)構(gòu)通常是凸輪通過吊杯形機(jī)械挺柱或吊杯形液壓挺柱直接驅(qū)動(dòng)氣門。

①兩氣門式配氣機(jī)構(gòu)：一般發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸有兩個(gè)氣門，一個(gè)進(jìn)氣門和一個(gè)排氣門，稱兩氣門發(fā)動(dòng)機(jī)。

②多氣門式配氣機(jī)構(gòu)：現(xiàn)代高性能汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用每缸三個(gè)、四個(gè)或五個(gè)氣門，四氣門發(fā)動(dòng)機(jī)為最多見，其優(yōu)點(diǎn)為氣門通過截面積大，進(jìn)、排氣充分，進(jìn)氣量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率提高。

（5）按每缸氣門數(shù)及其排列方式分類如圖2-113所示。

細(xì)節(jié)五：普通配氣機(jī)構(gòu)的工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，曲軸正時(shí)齒輪依據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)方式帶動(dòng)凸輪軸正時(shí)齒輪旋轉(zhuǎn)，凸輪軸就隨著其正時(shí)齒輪一同旋轉(zhuǎn)。當(dāng)凸輪軸上的凸輪由基圓經(jīng)緩沖段到工作段時(shí)，挺桿由于凸輪的作用推動(dòng)推桿向上運(yùn)動(dòng)。推桿通過氣門調(diào)整螺釘使得搖臂搖擺，搖臂的搖擺克服氣門彈簧的彈力將氣門向下頂開。凸輪跟隨著凸輪軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，挺桿逐漸從凸輪的工作段向緩沖段運(yùn)動(dòng)，這時(shí)推桿作用于搖臂上的推力逐漸減小，氣門在氣門彈簧的作用下也就慢慢關(guān)閉。當(dāng)挺桿完全落到凸輪基圓時(shí)，氣門完全關(guān)閉。如圖2-114所示。

1—?dú)飧咨w；2—?dú)忾T導(dǎo)管；3—?dú)忾T；4—?dú)忾T主彈簧；5—?dú)忾T副彈簧；6—?dú)忾T彈簧座；7—鎖片；8—?dú)忾T室罩；9—搖臂軸；10—搖臂；11—鎖緊螺母；12—調(diào)整螺釘；13—推桿；14—挺柱；15—凸輪軸；16—正時(shí)齒輪

這里指的普通配氣機(jī)構(gòu)是指下置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)。

細(xì)節(jié)六：可變氣缸數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的工作原理

為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗，有一種發(fā)動(dòng)機(jī)可根據(jù)功率的需求，使發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)的氣缸數(shù)目自動(dòng)地產(chǎn)生變化。如V8缸的發(fā)動(dòng)機(jī)，它可依據(jù)需要自動(dòng)地變?yōu)榘藗€(gè)缸、六個(gè)缸和四個(gè)缸進(jìn)行工作，此類型發(fā)動(dòng)機(jī)常被稱為“V8-6-4”可變氣缸數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)。它能根據(jù)汽車的行駛狀況，通過控制電腦對一些執(zhí)行元件（機(jī)械機(jī)構(gòu)）進(jìn)行調(diào)控，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣量，使選定氣缸的氣門暫停工作，從而達(dá)到氣缸數(shù)自動(dòng)改變的目的。

氣缸數(shù)目自動(dòng)變化機(jī)構(gòu)通常由氣門配氣機(jī)構(gòu)（圖2-115）與氣門選擇器的結(jié)構(gòu)（圖2-116）組成。在氣門配氣機(jī)構(gòu)中，電腦接受各種傳感器傳來的信號，經(jīng)過處理后由電磁閥轉(zhuǎn)變成機(jī)構(gòu)控制，使選定氣缸的氣門暫停工作。

氣門選擇器的功能是用來操縱該缸的進(jìn)氣門和排氣門，并且控制搖臂的支點(diǎn)，使氣門開啟或關(guān)閉。氣門選擇器安裝在配氣機(jī)構(gòu)搖臂的中間，其內(nèi)部裝有內(nèi)簧，外部為選擇器體，選擇器上部有阻擋板，阻擋板和電磁閥連在一起。

細(xì)節(jié)七：可變配氣相位與氣門升程電子控制配氣機(jī)構(gòu)的工作原理

為了使發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率、轉(zhuǎn)矩盡量增加，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上設(shè)置了雙氣門和四氣門配氣機(jī)構(gòu)的氣門正時(shí)，但這種設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力性將急劇下降，燃料的經(jīng)濟(jì)性會(huì)變得非常差。因此，有些汽車近年來采用一種可變配氣相位和氣門升程電子控制（VTEC）的配氣機(jī)構(gòu)來控制進(jìn)氣時(shí)間與進(jìn)氣量，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工況下都能產(chǎn)生較大的輸出功率。

（1）VTEC機(jī)構(gòu)的組成　同一缸有主進(jìn)氣門和次進(jìn)氣門，主搖臂驅(qū)動(dòng)主進(jìn)氣門，次搖臂驅(qū)動(dòng)次進(jìn)氣門，中間搖臂位于主、次搖臂之間，不與任何氣門直接接觸。相應(yīng)凸輪軸上的凸輪同樣有主凸輪、中間凸輪和次凸輪之分，如圖2-117所示。

（2）工作原理　當(dāng)VTEC機(jī)構(gòu)不工作時(shí)，正時(shí)活塞與主同步活塞位于主搖臂缸內(nèi)，和中間搖臂等寬的中間同步活塞在中間搖臂液壓缸內(nèi)，次同步活塞和彈簧一起則在次搖臂液壓缸內(nèi)。正時(shí)活塞的一端與液壓油道相通，液壓油來自工作液壓泵，油道的開啟經(jīng)由ECM通過VTEC電磁閥控制。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)（圖2-118），因?yàn)镋CM不發(fā)出指令，油道內(nèi)沒有油壓，活塞位于各自的油缸內(nèi)，所以各個(gè)搖臂都獨(dú)自運(yùn)動(dòng)。于是主搖臂控制主凸輪開閉主進(jìn)氣門，以提供低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的混合氣。次凸輪則使次搖臂略微起伏，稍稍開啟次進(jìn)氣門，中間搖臂雖然也跟著中間凸輪大幅度運(yùn)動(dòng)，但是它對任何氣門都沒有作用。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于單進(jìn)雙排工作狀態(tài)，吸入的混合氣不及高速時(shí)的一半，因?yàn)榇藭r(shí)仍然是所有氣缸參與工作，所以發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)十分平穩(wěn)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)（圖2-119），ECM即向VTEC電磁閥發(fā)出指令開啟工作油道，此時(shí)工作油道中的壓力油推動(dòng)活塞移動(dòng)，壓縮彈簧，這樣主搖臂、中間搖臂及次搖臂就被主同步活塞、中間同步活塞和次同步活塞串聯(lián)為一體，作為一個(gè)同步活動(dòng)的組合搖臂。由于中間凸輪的升程大于另兩個(gè)凸輪，而且凸輪角度提前，所以組合搖臂按中間搖臂一起受中間凸輪驅(qū)動(dòng)，主、次氣門均大幅度地同步開閉，因此配氣相位發(fā)生變化，吸入的混合氣數(shù)量增多，符合發(fā)動(dòng)機(jī)大功率時(shí)的進(jìn)氣要求。

細(xì)節(jié)八：配氣正時(shí)

（1）配氣正時(shí)　以曲軸轉(zhuǎn)角表示的進(jìn)、排氣門開閉時(shí)刻及其開啟的持續(xù)時(shí)間稱為配氣正時(shí)。

（2）進(jìn)氣提前角　進(jìn)氣門在進(jìn)氣行程上止點(diǎn)之前開啟稱為早開。從進(jìn)氣門開啟到活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)時(shí)，曲軸所轉(zhuǎn)過的角度稱進(jìn)氣提前角，記為α。

（3）進(jìn)氣延遲角　進(jìn)氣門在進(jìn)氣行程下止點(diǎn)之后關(guān)閉稱為晚關(guān)。從進(jìn)氣行程下止點(diǎn)到進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)，曲軸所轉(zhuǎn)過的角度稱進(jìn)氣延遲角，記為β。

（4）排氣提前角　排氣門在做功行程結(jié)束之前，即在做功行程下止點(diǎn)之前開啟，稱為排氣門早開。從排氣門開啟到活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)時(shí)，曲軸所轉(zhuǎn)過的角度稱排氣提前角，記為γ。

（5）排氣延遲角　排氣門在排氣行程結(jié)束之后，即在排氣行程上止點(diǎn)之后關(guān)閉，稱為排氣門晚關(guān)。從上止點(diǎn)到排氣門關(guān)閉時(shí)，曲軸所轉(zhuǎn)過的角度稱作排氣延遲角，記為δ。

進(jìn)氣門早開和排氣門晚關(guān)，致使活塞在上止點(diǎn)附近出現(xiàn)進(jìn)、排氣門同時(shí)開啟的現(xiàn)象，稱其為氣門疊開（重疊）。疊開期間的曲軸轉(zhuǎn)角稱為氣門疊開角，它等于進(jìn)氣提前角與排氣延遲角之和，即α+β。

增壓柴油機(jī)可以選擇較大的氣門疊開角，這是由于進(jìn)氣壓力較高，廢氣不可能流入進(jìn)氣歧管。此外還可以利用新鮮空氣將氣缸內(nèi)的廢氣掃除干凈。

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣正時(shí)應(yīng)該是進(jìn)氣延遲角和氣門疊開角隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增加。如果氣門升程也能隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而加大，則更有利于得到良好的發(fā)動(dòng)機(jī)高速性能。

細(xì)節(jié)九：配氣相位

為使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣更充足，排氣更徹底，通常將進(jìn)、排氣門設(shè)計(jì)成早開晚關(guān)角。而配氣相位是指從氣門的開啟到關(guān)閉時(shí)，曲軸所轉(zhuǎn)過的角度。

對汽車上常用的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)而言，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣四個(gè)工作過程分別占用一個(gè)行程，而活塞每走一個(gè)行程，曲軸正好轉(zhuǎn)半圈即180°。因此由于配氣相位的存在（即進(jìn)、排氣門的早開晚關(guān)），使得發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位都大于180°。其配氣相位所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角=氣門提前角+180°+氣門延遲角。如圖2-120所示為配氣機(jī)構(gòu)的配氣相位圖，圖2-121所示為配氣相位角的起始位置和測量方法。部分發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位見表2-13。

細(xì)節(jié)十：氣門間隙

（1）氣門間隙的定義　為保證氣門關(guān)閉嚴(yán)密，通常發(fā)動(dòng)機(jī)在冷態(tài)裝配時(shí)，在氣門桿尾端與氣門驅(qū)動(dòng)零件（搖臂、挺柱或凸輪）之間留有適當(dāng)?shù)拈g隙，該間隙稱為氣門間隙。

（2）氣門間隙的必要性　發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣門將由于溫度升高而膨脹（此時(shí)，桿身身長，頭部直徑變大），若氣門及其傳動(dòng)件之間，在冷態(tài)時(shí)無間隙或間隙過小，則在熱態(tài)時(shí)，氣門與傳動(dòng)件的受熱膨脹勢必引起氣門關(guān)閉不嚴(yán)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮和做功行程中漏氣，而使功率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至很難啟動(dòng)。為了消除這種現(xiàn)象，一般在發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)裝配時(shí)，留有氣門間隙，用來補(bǔ)償氣門受熱后的膨脹量。

有的發(fā)動(dòng)機(jī)采用液力挺柱，挺柱的長度可以自動(dòng)變化，隨時(shí)補(bǔ)償氣門的熱膨脹量，所以不需要預(yù)留氣門間隙，如圖2-122所示。

（3）氣門間隙大小直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能　氣門間隙過小，將導(dǎo)致氣門關(guān)閉不嚴(yán)而漏氣，功率下降，加速磨損，氣門工作面燒蝕等不良缺陷。氣門間隙過大，將造成氣門開度減小，進(jìn)氣不足，排氣不干凈，零件之間發(fā)生沖擊，加速磨損。氣門間隙的檢查調(diào)整一般是在冷態(tài)下進(jìn)行，通常內(nèi)燃機(jī)都規(guī)定有冷車時(shí)的氣門間隙，部分內(nèi)燃機(jī)也規(guī)定有熱車間隙，通常來說冷車間隙比熱車間隙要大，排氣門間隙比進(jìn)氣門間隙要大。

常見汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門間隙規(guī)定值見表2-14。

（4）氣門間隙位置及其調(diào)整部位　不同結(jié)構(gòu)類型的配氣機(jī)構(gòu)的氣門間隙所處的位置不一樣，調(diào)整方法也不同。但是無論是哪種結(jié)構(gòu)類型的配氣機(jī)構(gòu)，其氣門間隙都在氣門桿尾端和其傳動(dòng)件之間，如圖2-123所示。