项目三配气机构.

项目三配气机构知识目标：1.掌握配气机构的功用、组成、工作原理及结构形式；2.熟悉可变配气相位；能力目标：1.握配气机构异响故障的诊断；2.掌握气门间隙的调整方法。配气机构是控制发动机进气和排气的装置，它应能保证发动机进气充分、排气（废气）干净，对现代汽车发动机转速的提高、性能的改善有着重要意义。现代轿车发动机多采用多气门、凸轮轴上置、齿形带传动式结构。一些高性能轿车发动机采用可变配气相位和气门升程电子控制系统，它能根据发动机的运行状况而改变发动机的配气相位和气门升程，使发动机在所有工作转速下都能获得较佳的配气相位和气门升程，从而提高发动机的动力性和经济性。本模块主要介绍配气机构的类型、组成、工作原理、配气相位、常见故障的诊断等内容。一、配气机构的作用和组成（一）配气机构的作用配气机构是控制发动机进气和排气的装置。其作用是根据发动机的工作顺序和各缸工作循环的要求，定时开启和关闭进、排气门，使新鲜可燃混合气（汽油机）或空气（柴油机）准时进入气缸，废气得以及时排出气缸。进入气缸内的新鲜可燃混合气或空气（也称进气量）对发动机性能的影响很大。进气量越多，发动机的有效功率和转矩越大。因此，配气机构首先要保证进气充分，进气量尽可能多。同时，废气要排除干净，因为气缸内残留的废气越多，进气量将会越少。其次，配气机构的运动件应该具有较小的质量和较大的刚度，以使配气机构具有良好的动力特性。（二）配气机构的组成发动机配气机构基本可分成两部分：气门组和气门传动组。气门组用来封闭进、排气道，主要零件包括气门、气门座、气门弹簧和气门导管等。气门组的组成与配气机构的形式基本无关，但结构大致相同。气门传动组是从正时齿轮开始至推动气门动作的所有零件，作用是使气门定时开启和关闭，它的组成视配气机构的形式不同而异，主要零件包括正时齿轮(正时链轮和链条或正时带轮和正时带)、凸轮轴、挺杆、推杆、摇臂轴和摇臂等。发动机工作时，曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴旋转，使凸轮轴上的凸轮凸起部分通过挺杆和推杆推动摇臂绕摇臂轴摆转，摇臂的另一端便向下推开气门，并使气门弹簧进一步压缩。当凸轮的顶点转过挺杆后，气门在气门弹簧的弹力作用下，开度开始逐渐减小，直至最后关闭。二、配气机构的分类和工作原理（一）配气机构的分类发动机配气机构形式多种多样，其主要区别是气门布置形式和数量、凸轮轴布置形式和驱动方式。1.按气门布置形式分类按气门布置形式分类可分为侧置气门和顶置气门，其中顶置气门应用最广泛，侧置气门已被淘汰。以下配气机构如果不特别说明，则都为顶置气门式。一般发动机都采用每缸两气门，即一个进气门和一个排气门的结构。为了进一步提高气缸的换气性能，许多中、高级新型轿车的发动机上普遍采用每缸多气门结构，如三气门、四气门以及五气门等，其中以四气门为多见。如图3-1所示为奥迪V8发动机每缸五气门(三个进气门、两个排气门)结构。图3-1奥迪车五气门示意图气门数目的增加，使发动机的进、排气通道的断面面积大大增加，提高充气效率，改善了发动机的动力性能。2.按凸轮轴的传动方式分类配气机构按凸轮轴的传动方式分有齿轮传动式、链条传动式和齿形带传动式，如图3-2所示。由于四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转2圈，而各缸只进、排气1次，即凸轮轴只需转1圈，所以曲轴与凸轮轴的传动比为2∶1。（a）齿轮传动式（b）链条传动式（c）齿形带传动式图3-2凸轮轴的传动方式（1）齿轮传动式凸轮轴下置式、中置式配气机构大多采用圆柱形正时齿轮传动。一般从曲轴到凸轮轴的传动只需一对正时齿轮，如图3-2（a）所示，多用于汽油机，如CA6102、EQ6100-1型汽油机。采用这种传动，若齿轮直径过大，可在中间加装一个惰轮，如图3-3所示，柴油机多采用这种结构，如CA6110、YC6105、QC6120型柴油机。凸轮轴正时齿轮大，曲轴正时齿轮小，通常采用斜齿，以保证传动平稳。安装时，齿轮上的正时记号必须对准，确保配气正时。图3-3加中间惰轮的齿轮传动（柴油机用）Ａ、Ｂ、Ｃ正时记号（2）链条传动式凸轮轴上置式配气机构的凸轮轴离曲轴较远，采用链条传动或齿形带传动。采用链条传动时，在曲轴和凸轮轴上装有链轮，曲轴通过链条驱动凸轮轴，在链条侧面有张紧机构和链条导板，利用张紧机构调整链条张力，如图3-2（b）所示。其特点是工作可靠，使用寿命长，但工作噪声大，润滑、维修较麻烦。（3）齿形带传动式从20世纪80年代初开始，齿形带传动逐渐得到广泛使用。与链条传动相似，采用齿形带传动时，曲轴上的齿形带轮通过齿形带驱动凸轮轴上的齿形带轮，并用张紧轮调整齿形带张力，如图3-2（c）所示。齿形带由纤维和橡胶制成，一面具有齿形，另一面是平面。齿形带传动噪声小，不需要润滑。齿形带要求汽车每行驶1×104ｋｍ检查一次，以确保工作可靠。上海别克、奥迪、桑塔纳等轿车均采用这种传动。安装时和齿轮传动式一样，在主动轮和被动轮上都有正时记号，必须按要求对准正时记号，以确保配气正时。3.按凸轮轴布置形式和驱动方式分类（1）凸轮轴下置式：大多数载货汽车和大中型客车发动机都采用这种结构形式，如图3-4所示。气门组由气门、气门导管。气门弹簧、气门弹簧座和气门锁片等组成。气门传动组由凸轮轴、凸轮轴正时齿轮、挺柱、推杆、摇臂和摇臂轴等组成。其结构特点是凸轮轴平行布置在曲轴一侧，位于气门组下方，配气机构的工作通过曲轴和凸轮轴之间的一对正时齿轮将曲轴的动力传给凸轮轴来带动。图3-4凸轮轴下置式配气机构凸轮轴下置式配气机构的工作情况如图3-5所示。发动机工作时，曲轴通过正时齿轮带动凸轮轴旋转。当凸轮轴上凸轮的凸起部分向上运动时，依次顶起气门挺柱、推杆和调整螺钉，使摇臂绕其轴摆转，摇臂的另一端便向下推动气门，气道被逐步打开，同时使气门弹簧受到压缩。当凸轮的凸尖上升到最高位置时，气门开度最大，如图3-5（a）所示。当凸轮的凸尖离开挺柱以后，在气门弹簧弹力的作用下，气门开度逐渐减小，待气门及其传动件恢复原位后，气门关闭，如图3-5（b）所示。发动机在压缩和做功行程中，气门在其弹簧张力的作用下严密关闭，使气缸密封。(a)气门开启(b)气门关闭图3-5凸轮轴下置式配气机构的结构和工作简图（2）凸轮轴中置式：一些速度较高的柴油机将凸轮轴位置抬高到缸体上部，如图3-6所示。图3-6凸轮轴中置式配气机构配气机构工作原理如图3-7所示。发动机工作时，正时齿轮带动凸轮轴旋转，当发动机需要进行换气行程时，凸轮凸起部分通过挺柱、推杆以及高速螺钉推动摇臂摆转，使得摇臂的另一端向下推开气门，并压缩气门弹簧。凸轮凸起部分的顶点转过挺柱后，凸轮对挺柱的推力减小，气门在弹簧张力下逐渐关闭，凸轮凸起部分离开挺柱时，气门完全关闭，换气行程结束，压缩和做功行程开始。气门在弹簧张力作用下严密关闭，使气缸密闭。（a)气门关闭（b)气门打开（c)气门关闭图3-7配气机构工作原理（3）凸轮轴上置式：现代轿车使用的高速发动机大多采用这种结构形式，如图3-8所示。凸轮轴仍与曲轴平行布置，但位于气门组上方，凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门开启和关闭，省去了推杆，使往复运动质量大大减小，但此种布置使凸轮轴距离曲轴较远，因此，不方便使用齿轮传动，现多采用同步齿形胶带传动，这种结构形式的气门传动组主要由凸轮轴、同步齿形胶带、挺柱、摇臂及摇臂轴等组成。图3-8凸轮轴上置式配气机构凸轮轴上置式配气机构有单上置和双上置之分。①单上置凸轮轴式配气机构。单上置凸轮轴式配气机构在缸盖上布置1根凸轮轴驱动进、排气门。通过挺柱驱动的称直接驱动式（见图3-9），通过摇臂驱动的称摇臂驱动式，如图3-10所示。图3-9凸轮轴直接驱动气门图3-10摇臂驱动②双上置凸轮轴式配气机构。双上置凸轮轴式配气机构是在气缸盖上布置2根凸轮轴，一根驱动进气门，一根驱动排气门，如图3-11、图3-12所示。这种结构有利于多气门的布置。图3-11气门双上置式凸轮轴配气机构图3-12气门双上置式凸轮轴配气机构由上述工作过程可知：传动组的运转使气门开启，气门弹簧释放张力使气门关闭；凸轮的轮廓曲线则决定了气门的开闭时刻与规律。每次打开气门时摇臂压缩气门弹簧，为关闭气门积蓄能量。（二）配气相位新鲜空气或可燃混合气被吸入气缸愈多，则发动机可能发出的功率愈大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充气效率表示。充气效率越高，表明进入气缸的新气越多，可燃混合气燃烧时可能放出的热量也就越大，发动机的功率越大。发动机在换气行程中，若能够做到排气彻底、进气充分，则可以提高充气系数，增大发动机输出的功率。四冲程发动机的每一个工作行程曲轴要旋转180º。由于现代发动机转速很高，一个行程经历的时间是很短的。如上海桑塔纳的四冲程发动机，在最大功率时的发动机转速达到5600r／min，一个行程的时间只有O.0054s。在如此短的进气和排气行程中，很难达到进气充分，排气彻底。为改善换气行程，提高发动机性能，实际发动机的气门开启和关闭并不在上、下止点，而是适当提前或滞后，即气门开启过程都大于180º曲轴转角。用曲轴转角表示气门开启与关闭时刻和开启的持续时间，称为配气相位，如图3-13所示。图3-13配气相位图1.进气提前角在排气行程接近完成时，活塞到达上止点之前,进气门便开始开启。从进气门开始开启到上止点所对应的曲轴转角称为进气提前角，用α表示。一般α值为10º～30º。进气门早开，使得活塞到达上止点开始向下移动时，进气门已有一定开度，所以可较快地获得较大的进气通道截面，减少进气阻力。2.进气迟闭角在进气行程到达下止点时，进气门并未关闭，而是在活塞上行一段距离后才关闭。从活塞位于下止点至进气门完全关闭时对应的曲轴转角称为进气迟闭角，用β表示。一般β值为40º～80º。活塞在到达下止点时，气缸内的压力仍低于大气压力，且气流还有相当大的惯性，适当延迟关闭进气门，可利用压力差和气流惯性继续进气。进气门开启持续时间内的曲轴转角，即进气持续角为α+180º+β，约为230º～290º。进气门早开和迟关的目的进气门早开，则活塞到达上止点开始向下止点运动时，进气门已有一定开度，使新鲜气体顺利进入气缸。进气门迟关可充分利用气流的惯性和缸内外的压力差继续进气，加上进气门早开和迟关增加了进气时间。可见，进气门早开、迟关能增加气缸的充气量。3.排气提前角在做功行程的后期，活塞到达下止点前，排气门便开始开启。从排气门开始开启到活塞到达下止点时所对应的曲轴转角称为排气提前角，用γ表示。一般γ值为40º～80º。做功行程接近结束时，气缸内的压力约为0.3～O.5MPa，做功作用已经不大，此时提前打开排气门，高温废气迅速排出，减小活塞上行排气时的阻力，减少排气时的功率损失。高温废气提早迅速排出，还可防止发动机过热。4.排气迟闭角排气门是在活塞到达上止点后，又开始下行一段距离后才关闭的。从活塞位于上止点到排气门完全关闭时所对应的曲轴转角称为排气迟闭角，用δ表示。一般咖数值为10º～30º。活塞到达上止点时，气缸内的压力仍高于大气压，由于气流有一定的惯性，排气门适当延迟关闭可使废气排得更干净。排气门开启持续时间内的曲轴转角，即排气持续角为γ+180+δ，约为230º～290º。排气门早开，使废气能利用自身压力迅速、自由地排出气缸，减小排气行程活塞上行的阻力，可缩短废气在气缸内的停留时间，防止发动机过热。排气门迟关，可利用废气压力和废气流的惯性继续排气，加上排气门早开和迟关延长了排气时间。所以，排气门早开、迟关可以使气缸内的废气排除得更为干净。5.气门叠开与气门叠开角由于进气门早开和排气门晚关，在活塞位于排气上止点附近，出现一段进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开。同时开启的角度，即进气门提前角α与排气门迟后角δ之和称为气门重叠角。气门叠开时气门的开度很小，且新鲜气流和废气流有各自的惯性，在短时间内不会改变流向，适当的叠开角，不会出现废气倒流进气道和新鲜气体随废气排出的现象。相反，进入气缸内部的新鲜气体可增加气缸内的气体压力，有利于废气的排出。进气提前角α大或排气迟后角δ大使重叠角(α+δ)增大时，将导致废气倒流、新鲜气体随废气排出的现象，对汽油机则