第3章

配气机构

3.1 概述

3.1.1 配气机构的功用及组成

配气机构是进、排气管道的控制机构，它按照汽缸的工作顺序和工作过程的要求，准时地开闭进、排气门，向汽缸供给可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）并及时排出废气。另外，当进、排气门关闭时，保证汽缸密封。

四冲程发动机都采用气门式配气机构。气门式配气机构由气门组和气门传动组两部分组成，见图3-1每组的零件组成则与气门的位置、凸轮轴的位置和气门驱动形式等有关。现代汽车发动机均采用顶置气门，即进、排气门置于汽缸盖内，倒挂在汽缸顶上。

3.1.2 配气机构的分类

按凸轮轴的布置位置，可分为凸轮轴下置式、凸轮轴中置式和凸轮轴上置式；按曲轴和凸轮轴的传动方式，可分为齿轮传动式、链条传动式和齿形带传动式；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。

1.凸轮轴布置方式（图3-2）

凸轮轴下置式，主要缺点是气门和凸轮轴相距较远，因而气门传动零件较多，结构较复杂，发动机高度也有所增加。

凸轮轴中置，凸轮轴位于汽缸体的中部由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，省去推杆，这种结构称为凸轮轴中置配气机构。

凸轮轴上置，凸轮轴布置在汽缸盖上。

凸轮轴上置有两种结构，一是凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门，这样既无挺柱，又无推杆，往复运动质量大大减小，此结构适于高速发动机。另一种是凸轮轴直接驱动气门或带液力挺柱的气门，此种配气机构的往复运动质量更小，特别适应于高速发动机。

2.凸轮轴传动方式（图3-3）

凸轮轴下置、中置的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只需一对正时齿轮传动，若齿轮直径过大，可增加一个中间齿轮。为了啮合平稳，减小噪声，正时齿轮多用斜齿。

链条与链轮的传动适用于凸轮轴上置的配气机构，但其工作可靠性和耐久性不如齿轮传动。近年来高速汽车发动机上广泛采用齿形皮带来代替传动链，齿形带传动噪声小、工作可靠、成本低。

3.1.3 每缸气门数及其排列方式

1.每缸两个气门方式

一般发动机较多地采用每缸两个气门，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，以改善汽缸的充气，但受燃烧室尺寸的限制。

2.每缸四个气门方式

每缸有两个进气门和两个排气门。采用这种形式后，进气门总的通过断面较大，充气效率较高，排气门的直径可适当减小，使其工作温度相应降低，提高了工作可靠性。此外，采用四气门后还可适当减小气门升程，改善配气机构的动力性，四气门的汽油机还有利于改善排放，见图3-4。

当每缸采用四个气门时，气门排列的方案有两种：① 同名气门排成两列（图3-4（a），由一个凸轮通过T形驱动杆同时驱动，并且所有气门都可以由一根凸轮轴驱动。在这种布置中，两同名气门在气道中的位置不同，可能会使二者的工作条件和工作效果不一致。② 同名气门排成同一列（图3-4（b））则弥补了上述缺点，但一般要用两根凸轮轴。

（a）同名气门排列成两列 （b）同名气门排列成一列

图3-4 每缸四气门的布置示意图

1-T形杆；2-气门尾端的从动盘

3.每缸五个气门方式

这五个气门包括3个进气门和2个排气门，见图3-5。

1-进气门；2-火花塞；3-排气门

采用五个气门可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，另外还可降低成本。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。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。

3.1.4 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，这种图称为配气相位图，见图3-6。

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180°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，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，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3-6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，称为进气滞后角。这样，整个进气过程中，进气门开启持续时间的曲轴转角，即进气持续角为180°+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入汽缸。当活塞到达下止点时，汽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

在做功行程接近终了，活塞到达下止点前，排气门便开始开启，提前开启的角度γ，称为排气提前角。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称为排气滞后角。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180°+γ+δ。排气门迟关，可以使废气排放得较干净。

3.气门的叠开

同一汽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3-6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入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。

3.1.5 气门间隙

为保证气门关闭严密，通常发动机在冷态装配时，在气门杆尾端与气门驱动零件（摇臂、挺柱或凸轮）之间留有适当的间隙，这一间隙称为气门间隙，见图3-7。发动机工作时，气门因温度升高而膨胀，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必会引起气门关闭不严，造成发动机在压缩和做功行程中漏气，从而使功率下降，严重时甚至不易启动。为了消除这种现象，通常留有适当的气门间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。气门间隙的大小由发动机制造厂根据试验确定，一般在冷态时，进气门的间隙为0.25～0.30mm，排气门的间隙为0.30～0.35mm。气门间隙过大，将影响气门的开启量，同时在气门开启时产生较大的冲击响声。为了能对气门间隙进行调整，在摇臂（或挺柱）上装有调整螺钉及其锁紧螺母。一些中、高级轿车由于装用液力挺柱，故不预留气门间隙。