《汽车构造》全书教案——第三讲：配气机构

精心整理汽车构造教案课程名称汽车构造课时2授课班级教学方式讲授课题任课教师教学目的与要求1．了解配气机构的功用及组成;2．掌握配气机构的三种传动方式及特点；3．掌握液压挺柱的结构及工作原理；4．理解充气效率的含义；5．熟知配气相位的基本内容；6．了解可变式配气机构的工作特点。重、难点配气相位液压挺柱的结构及工作原理；教学内容第３章配气机构3.1概述.1配气机构的功用据发动机每一气缸内所进行的工作循环或发火次序的要求，定时打开和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机)得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出,使换气过程最佳，以保证发动机在各种工况下工作时发出最好的性能。2.四冲程内燃机采用气门式配气机构是由气门组、传动组和驱动组三部分组成，气门组包括：气门、气门座、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座及锁紧装置等零件；传动组包括：挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴等零件；驱动组包括：凸轮轴，凸轮轴轴承和止推装置等。3.2配气机构的构造1气门式配气机构的布置形式一、分类配气机构的分类可以从以下方面来进行：（1）按气门的布置型式，主要有气门顶置式和气门侧置式；（2）按凸轮轴的布置位置，可分为凸轮轴下置式、凸轮轴1.气门的布置形式2.凸轮轴的布置形式3.凸轮轴的传动方式4.气门间隙一、进气门的配气相位1.进气提前角2.进气迟后角二、排气门精心整理中置式和凸轮轴上置式；（3）按曲轴和凸轮轴的传动方式，可分为齿轮传动式、链条传动式和齿带传动式；（4）按每缸气门数目，有二气门式、三气门式、四气门式和五气门式。二、气门的不同机构特点顶置气门、下置凸轮轴配气机构(OHV)，如图3—1所示。顶置气门、下置凸轮轴配气机构的凸轮轴或位于气缸体侧部，或位于气缸体上部，或位于v型内燃机气缸体的v型夹角内。结构简单，安装、调整容易，气门所受侧向力很小，工作可靠。顶置气门、上置凸轮轴配气机构(OHV／OHC)如图3—2所示。顶置气门、上置凸轮轴配气机构的凸轮轴安装在气缸盖上.它可以直接驱动沿气缸体纵向排成一列的二个气门.也可以通过摇贸或摆杆驱动气门，如图3－2a所示。为了减小气门的侧向力.凸轮轴与气门杆顶部间没有气门导筒或摆杆，如图3－2b所示。顶置气门、双摇臂、上置凸轮轴配气机构(OHV／OHC)，如图3－3所示。顶置气门、双摇臂、上置凸轮轴配气机构是用—个凸轮轴通过进、排气凸轮和两个摇臂分别控制进、排气门。四气门比二气门能增大功率和扭矩15％，油耗可降低5％。由于气门的相位角和重叠角减小，有害废气排放可减少。如奥迪1.8L四缸汽油机，每缸从二个气门增加为四个气门(二进二排)，进气面积增加30％，排气面积增加50％，功率增大25％。顶置气门、上置双凸轮轴配气机构(OHV／DOHC)如图3－4所示。顶置气门、上置双凸轮轴配气机构是放在气缸盖上的两根凸轮轴通过气门导筒或气门调整盘，分别控制气缸盖上两列进气门和排气门(即同名气门是沿气缸体纵向排列)。这种配气机构没有传动环节，其高速性最佳。对于每缸采用三气门(二个进气门，一个排气门)和五气门(三个进气门和二个排气门)的内燃机，其气门的驱动方式与四气门驱动方式类似3.2.2配气机构的传动1.齿轮驱动形式就是采用齿轮副来驱动凸轮轴。曲轴与凸轮轴的传动比为2：1。即曲轴旋转720o，完成一个工作循环，发动各缸工作一的配气相位1.排气提前角2.排气迟后角三、气门的叠开一、气门组（一）气门1.构造2.气门的工作条件与材料（二）气门座（三）气门导管（四）气门弹簧通过本次课的讲述，使学生了解气门传动组的组成，掌握其构造特点。1.理解精心整理次，对应的凸轮轴旋转360o给各缸近、排气一次。所以凸轮轴正时齿轮的齿数为曲轴正时齿轮齿数的二倍。凸轮轴下置时，一般都采用齿轮副驱动，正时齿轮多用斜齿。2.链驱动形式链式驱动，就是指曲轴通过链条来驱动凸轮轴如图3—6所示。这种驱动形式一般多用于凸轮轴上置的远距离传动。奔驰轿车发动机就采用这种驱动方式。但链传动的可靠性和耐久性不如齿轮传动，且噪声较大、造价高，其传动性能的好坏直接取决于链条的制造质量。为使在工作时链条具有一定的张力而不致脱链，通常装有导链板14，张紧轮装置2、11等。3.齿形皮带驱动这种驱动方式与链驱动的原理相同。只是链轮改为齿轮，链条改成齿形皮带，如图3—7所示。这种齿形皮带用氯丁橡胶制成，中间夹有玻璃纤维和尼龙织物，以增加强度。齿形皮带驱动弥补了链驱动的缺陷，并降低了成本。气门顶置式配气机构，目前在汽车上应用最广泛。发动机具有较高的动力性。但气门顶置式与侧置式相比也有其缺点：凸轮轴与曲轴相距较远，使传动机构复杂，气缸盖结构复杂，发动机高度增加。3.2.3每缸气门数及其排列方式1.每缸两个气门方式一般发动机较多的采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门。这种结构在可能的条件下应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径，以改善气缸的换气。但是，由于燃烧室尺寸的限制，从理论上讲，最大气门直径一般不超过气缸直径的一半。当气缸直径较大，活塞平均速度较高时，每缸一进一排的气门结构就不能满足发动机对换气的要求。2.每缸四个气门方式3.每缸五个气门方式现代轿车发动机设计面临的主要任务是进一步降低燃油消耗和排放污染；提高动力性和改善噪声特性；另外还要降低成本。新型奥迪轿车的V型六缸五气门发动机和捷达EAll3型四缸五气门发动机就采用五气门技术，如图3-9所示。与四气门相比，采用每缸五气门的发动机其气门流通截面更大，充气效率更高。在四气门发动机缸盖和五气门发动机缸盖上，气门可能的最大直径是不相同的。对于四气门缸盖，气门的最大可能并掌握凸轮轴的构造特点；2.理解并掌握液力挺柱的原理；3.了解推杆及摇臂的构造特点。精心整理直径受火花塞和气门之间棱宽的限制，而对于五气门缸盖则主要受气门自身间棱宽的限制。由于气门和火花塞的间距增大，就有可能在铸件设计时把火花塞座和排气道分开，从而使整个区域的冷却得到显着改善，这就确保五气门发动机尽管气缸充气效率高，而爆燃敏感性却极小。因此每缸采用五个气门，为满足高性能指标要求提供了机会，即可以实现燃油消耗低、扭矩大及排污少，比目前使用的四气门发动机达到的性能指标更好。此外，如果将五气门技术与增压技术相结合，其性能指标的优势将更加明显。当每缸采用五气门时，气门排列的方案通常是同名气门排成一列，分别用进气凸轮轴和排气凸轮轴驱动。捷达EAll3型发动机的五气门是采用铝合金材料铸造而成的整体式缸盖；燃烧室采用了紧凑浴盆式，火花塞位于燃烧室中心，如图3-9所示。3.2.4配气相位配气相位就是用曲轴转角表示的进、排气门的实际开闭时刻和开启的持续时间。用曲轴转角的环形图来表示配气相位，这种图称为配气相位图(如图3-10)。理论上四冲程发动机的进气门应当在活塞处在上止点时开启，当活塞运动到下止点时关闭；排气门则应当在活塞处于下止点时开启，在上止点时关闭。进气时间和排气时间各占1800曲轴转角。但是实际发动机的曲轴转速都很高，活塞每一行程历时都很短。例如上海桑塔纳轿车发动机，在最大功率时的转速为5600r／rain，一个行程历时仅为0.0054s。这样短时间的进气和排气过程，往往会使发动机充气不足或排气不干净，从而使发动机功率下降。因此，现代发动机都采取延长进、排气时间的方法，即：气门的开启和关闭的时刻并不正好是活塞处于上止点和下止点的时刻，而是分别提前或延迟一定曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机的动力性。1.进气门的配气相位如图3-10所示，在排气行程接近终了，活塞到达上止点之前，进气门便开始开启，即曲轴转到活塞处于上止点位置还差一个角度α称为进气提前角。直到活塞过了下止点重又上行，即曲轴转到超过活塞下止点位置以后一个角度β时，进气门才关闭，称为进气迟后角。进气提前角，一般为10o~30o，进气迟后角，一般为40o~80o。这样，整个进气过程中，进气门开精心整理启持续时间的曲轴转角，即进气持续角为180o+α+β。进气门早开晚关的目的，是为了保证进气行程开始时进气门已有一定开度，在进气行程中获得较大进气通道截面，使新鲜气体能顺利地充人气缸。当活塞到达下止点时，气缸内压力仍低于大气压力，在压缩行程开始阶段，活塞上移速度较慢的情况下，仍可以利用气流较大的惯性和压力差继续进气，因此进气门晚关是利于充气的。发动机转速越高，气流惯性越大，迟闭角应取大值，以充分利用进气惯性充气。2.排气门的配气相位在作功行程接近终了，活塞到达下止点前，排气门便开始开启，提前开启的角度γ时，称为排气提前角，一般约为40o～80o。经过整个排气行程，在活塞越过上止点后，排气门才关闭，排气门关闭的延迟角δ称为排气迟后角，一般约为10o~30o。这样，整个排气过程中，排气门开启持续时间的曲轴转角，即排气持续角为180o+γ+δ。排气门早开晚关的目的是：它主要是利用排气过程后期，当作功行程接近下止点时，气缸内的气体仍有300~500kPa的压力，但就活塞作功而言，作用不大，这时若稍开启排气门，大部分废气在此压力作用下可高速从缸内排出；以减小排气行程消耗的功。排气迟后关闭角主要是利用排气气流惯性排出更多的废气。当活塞到下止点时，气缸内压力大大下降(约为1l0~120kPa)，这时排气门的开度进一步增加，从而减少了活塞上行时的排气阻力。高温废气的迅速排出，还可以防止发动机过热。当活塞到达上止点时，燃烧室内的废气压力仍高于大气压力，加之排气时气流有一定惯性，所以排气门迟关，可以使废气排放得较干净。3.气门的叠开同一气缸的工作行程顺序是排气行程后，接着便是进气行程。因此，在实际发动机中，在进排气行程的上止点前后，由图3-10可见，由于进气门在上止点前即开启，而排气门在上止点后才关闭，这就出现了在一段时间内排气门与进气门同时开启的现象，这种现象称为气门重叠，重叠的曲轴转角α+δ称为气门重叠角。由于新鲜气流和废气流的流动惯性比较大，在短时间内是保持原来的流动方向。因此只要气门重叠角选择适当，就不会产生废气倒流人进气管或新鲜气体随同废气排出的可能性，这将有利于换气。但应注意，如气门重叠角过大，当汽油精心整理机小负荷运转，进气管内压力很低时，就可能出现废气倒流，进气量减少。对于不同发动机，由于结构形式，转速各不相同，因而配气相位也不相同。合理的配气相位应根据发动机性能要求，通过反复试验确定。3.2.5气门间隙所谓气门间隙就是指：发动机在冷状态时，在气门传动机构中，留有一定的间隙。以补偿气门及传动机构受热后的膨胀量。发动机工作时，气门将因温度升高而膨胀。如果气门及其传动件之间，在冷态时无间隙或间隙过小，则在热态下，气门及其传动件的受热膨胀势会将气门自动顶开引起气门关闭不严，造成发动机在压缩和作功行程中的漏气，而使功率下降，严重时使发动机甚至不易起动。为消除上述现象，通常在发动机冷态装配时，在气门与其传动机构中，留有适当的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。气门间隙视配气机构的总体结构形式而定，同时这一间隙也可进行调整。气门间隙的大小一般由发动机制造厂根据试验确定。通常在冷态时，进气门的间隙为0.25~0.30mm，排气门的间隙为0.3~0.35mm。如果间隙过小，发动机在热态下可能发生漏气，导致功率下降严重时，将使气门烧坏。如间隙过大，则使传动零件之间以及气门和气门座之间将产生撞击、响声，而加速磨损，同时也使气门开启的持续时间减短，采用液力挺柱的发动机，挺柱的长度能自动变化，随时补偿气门的热膨胀量，故不需要预留气门间隙。如一汽奥迪、桑塔纳轿车无须预留气门间隙。3.2.6配气机构的零件和组件1.气门组气门组包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、弹簧座及锁片等零件，气门由头部和杆部两部分组成，头部用来封闭气缸的进、排气通道，杆部则主要为气门的运动导向。气门头部的工作温度很高，而且还要承受气体压力、气门弹簧力以及传动组零件惯性力的作用，其冷却和润滑条件又较差。因此，要求气门必须具有足够的强度、刚度、耐热和耐磨能力。精心整理进气门的材料通常采用中碳合金钢(如铬钢、镍铬钢、铬钼钢等)热负荷较大的进气门也采用耐热合金