第03章 配气机构.docx

第03章 配气机构.docx

《第03章 配气机构.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第03章 配气机构.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

第03章配气机构

第03章配气机构教案

1.授课时间

2.授课方式多媒体

3.授课题目配气机构

4.教学内容配气机构基本构造与工作原理

5.教学重点配气相位原理与气门间隙的调整

6.思考题

●气门为什么要早开晚关？

●什么是配气相位，气门重叠角？

●气门顶置式配气机构有哪几种形式？

7.参考资料

《汽车构造》陈家瑞主编机械工业出版社

《汽车构造》关文达主编清华大学出版社

《内燃机学》周龙保主编机械工业出版社

8.课后小节

第03章配气机构讲稿

第一节配气机构

一、配气机构的类型

1.功用：

配气机构是按照气缸的工作顺序和工作过程的要求，准时地开闭进排气门，向气缸供给可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）并及时排出废气。

要求进气充分、排气彻底。

2.充气效率

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。

3.型式

（1）气门布置方式

气门位于气缸盖上称为气门顶置式配气机构，由凸轮、挺柱、推杆、摇臂、气门和气门弹簧等组成。

进气阻力小，燃烧室结构紧凑，能达到较高的压缩比，目前国产的汽车发动机都采用气门顶置式配气机构。

气门位于气缸体侧面称为气门侧置式配气机构，由凸轮、挺柱、气门和气门弹簧等组成。

省去了推杆、摇臂等零件，简化了结构。

进排气门阻力较大，发动机的动力性和高速性均较差。

（2）凸轮轴布置方式

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,凸轮轴位于气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,凸轮轴布置在气缸盖上。

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。

（3）凸轮轴传动方式

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。

（4）气门数目及气道布置

一般发动机都采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门的结构。

为了改善换气，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。

但是由于燃烧室尺寸的限制，气门直径最大一般不能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保证良好的换气质量。

因此，在很多新型汽车发动机上多采用每缸四个气门结构。

即两个进气门和两个排气门。

二、配气机构的构造

气门组和气门传动组

1.气门组

包括：

气门、气门座、气门导管、气门弹簧、锁片、卡簧。

（1）气门（valve）

功用：

控制进、排气管的开闭

工作条件：

承受高温、高压、冲击、润滑困难。

要求：

足够的强度、刚度、耐磨、耐高温、耐腐蚀、耐冲击。

材料：

进气门采用合金钢（铬钢或镍铬等），排气门采用耐热合金钢（硅铬钢等）。

构造：

气门由头部、杆身和尾部组成。

气门头部是一个具有圆锥斜面的圆盘，气门锥角一般为450，也有300，气门头边缘应保持一定厚度，一般为1~3mm，以防工作中冲击损坏和被高温烧蚀。

气门密封锥面与气门座配对研磨。

气门头顶部形状有平顶，球面顶和喇叭形顶等。

平顶：

结构简单、制造方便、吸热面积小，质量小、进、排气门均可采用。

球面顶：

适用于排气门，强度高，排气阻力小，废气的清除效果好，但受热面积大，质量和惯性力大，加工较复杂。

喇叭形顶：

适用于进气门，进气阻力小，但受热面积大。

有的发动机进气门头部直径比排气门大，两气门一样大时，排气门有记号。

杆身与头部制成一体，装在气门导管内起导向作用，杆身与头部采用圆滑过渡连接。

尾部制有凹槽（锥形槽或环形槽）用来安装锁紧件。

（2）气门导管（valveguide）

功用：

①起导向作用，保证气门作直线往复运动。

②起导热作用，将气门头部传给杆身的热量，通过气缸盖传出去。

为了保证导向，导管应有一定的长度，气门导管的工作温度也较高，约500k。

气门导管和气门的润滑是靠配气机构飞溅出来的机油进行润滑的，因此易磨损。

为了改善润滑性能，气门导管常用灰铸铁或球墨铸铁或铁基粉未治金制造。

导管内、外圆面加工后压入气缸盖的气门导管孔内，然后再精铰内孔。

为了防止气门导管在使用过程中松脱，有的发动机对气门导管用卡环定位。

（3）气门座（valveport）

气门座与气门头部密封锥面配合密封气缸，气门头部的热量亦经过气门座外传。

气门座可以在缸盖或缸体上直接镗出，也可以采用镶嵌式结构。

镶嵌式结构气门座都采用较好的材料（合金铸铁、奥氏体钢等）单独制作。

（4）气门弹簧（valvespring）

功用：

保证气门回位

气门弹簧的作用在于保证气门回位，在气门关闭时，保证气门与气门座之间的密封，在气门开启时，保证气门不因运动时产生的惯性力而脱离凸轮。

气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧，它的一端支承在气缸盖上，另一端压靠在气门杆尾端的弹簧座上，弹簧座用锁片固定在气门杆的尾端。

（5）气门旋转机构

为了使气门头部温度均匀，防止局部过热引起的变形和清除气门座积炭，可设法使气门在工作中相对气门座缓慢旋转。

气门缓慢旋转时在密封锥面上产生轻微的摩擦力，有阻止沉积物形成的自洁作用。

（6）锁片、卡簧

其功用是在气门弹簧力的作用下把弹簧座和气门杆锁住，使弹簧力作用到气门杆上。

2.气门传动组

功用：

传递凸轮轴气门之间的运动

气门传动组包括，凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂气门间隙调整螺钉等。

（1）凸轮轴（camshaft）

功用：

控制气门的开启和关闭，每一个进、排气门分别有相应的进气凸轮和排气凸轮。

凸轮的形状影响气门的开闭时刻及高度，凸轮的排列影响气门的开闭时刻和工作顺序。

（根据凸轮轴可以判断工作顺序）工作中，凸轮轴受到气门间歇性开启的周期性冲击载荷，因此对凸轮表面要求耐磨，凸轮轴要有足够的韧性和刚度。

（2）挺柱（tappet）

挺柱的功用是将凸轮的推力传给推杆（或气门杆），并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力，近年来，液压挺柱被广泛地采用。

（3）推杆（pushrod）

推杆的作用是将从凸轮轴传来的推力传给摇臂，它是配气机构中最容易弯曲的零件。

要求有很高的刚度，在动载荷大的发动机中，推杆应尽量地做得短些。

（4）摇臂（rockerarm）

摇臂实际上是一个双臂杠杆，将推杆传来的力改变方向，作用到气门杆端打开气门。

三、配气相位和气门间隙

1.配气相位（valvetiming）

（1）定义：

配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间，通常用环形图表示-配气相位图。

（2）理论上的配气相位分析

理论上进、压、功、排各占180°，也就是说进、排气门都是在上、下止点开闭，延续时间都是曲轴转角180°。

但简单配气相位对实际工作是很不适应的，它不能满足发动机对进、排气门的要求。

原因：

①气门的开闭有个过程开启总是由小→大关闭总是由大→小

②气体惯性的影响随着活塞的运动同样造成进气不足、排气不净

③发动机速度的要求

实际发动机曲轴转速很高，活塞每一行程历时都很短，当转速为5600r/min时一个行程只有60/（5600×2）=0.0054s，就是转速为1500r/min，一个行程也只有0.02s，这样短的进气或排气过程，使发动机进气不足，排气不净。

可见，理论上的配气相位不能满足发动机进饱排净的要求，那么，实际的配气相位又是怎样满足这个要求的呢？

下面我们就进行分析。

（3）实际的配气相位分析

为了便进气充足，排气干净，除了从结构上进行改进外（如增大进、排气管道），气门能否早开晚闭，延长进、排气时间呢？

①气门早开晚闭的可能从示功图中可以看出，活塞到达进气下止点时，由于进气吸力的存在，气缸内气体压力仍然低于大气压，在大气压的作用下仍能进气；另外，此时进气流还有较大的惯性。

由此可见，进气门晚关可以增加进气量。

进气门早开，可使进气一开始就有一个较大的通道面积，可增加进气量。

在作功行程快要结束时，排气门打开，可以利用作功的余压使废气高速冲出气缸，排气量约占50%。

排气门早开，势必造成功率损失，但因气压低，损失并不大，而早开可以减少排气所消耗的功，又有利于废气的排出，所以总功率仍是提高的。

从示功图上还可以看出，活塞到达上止点时，气缸内废气压力仍然高于外界大气压，加之排气气流的惯性，排气门晚关可使废气排得更净一些。

由此可见，气门具有早开晚关的可能，那么气门早开晚关对发动机实际工作又有什么好处呢？

进气门早开：

增大了进气开始时气门的开启高度，减小进气阻力，增加进气量。

进气门晚关：

延长了进气时间，在大气压和气体惯性力的作用下，增加进气量。

排气门早开：

借助气缸内的高压自行排气，大大减小了排气阻力，使排气干净。

排气门晚关：

延长了排气时间，在废气压力和废气惯性力作用下，使排气干净。

②气门重叠

由于进气门早开，排气门晚关，势必造成在同一时间内两个气门同时开启。

把两个气门同时开启时间相当的曲轴转角叫作气门重叠角。

在这段时间内，可燃混合气和废气是否会乱串呢？

不会的，这是因为：

a.进、排气流各自有自己的流动方向和流动惯性，而重叠时间又很短，不至于混乱，即吸入的可燃混合气不会随同废气排出，废气也不会经进气门倒流入进气管，而只能从排气门排出；b.进气门附近有降压作用，有利于进气。

③进、排气门的实际开闭时刻和延续时间

实际进气时刻和延续时间：

在排气行程接近终了时，活塞到达上止点前，即曲轴转到离上止点还差一个角度α，进气门便开始开启，进气行程直到活塞越过下止点后β时，进气门才关闭。

整个进气过程延续时间相当于曲轴转角1800+α+β。

α-进气提前角，一般α=100~300；β-进气延迟角，一般β=400~800，所以进气过程曲轴转角为230°~290°。

实际排气时刻和延续时间：

同样，作功行程接近终了时，活塞在下止点前排气门便开始开启，提前开启的角度γ一般为400~800，活塞越过下止点后δ角排气门关闭，δ一般为100~300，整个排气过程相当曲轴转角1800+γ+δ。

γ-排气提前角，一般γ=400~800；δ-进气延迟角，一般δ=100~300；所以排气过程曲轴转角为230°~290°，气门重叠角α+δ=200~600

从上面的分析，可以看出实际配气相位和理论上的配气相位相差很大，实际配气相位，气门要早开晚关，主要是为了满足进气充足，排气干净的要求。

但实际中，究竟气门什么时候开？

什么时候关最好呢？

这主要根据各种车型，经过实验的方法确定，由凸轮轴的形状、位置及配气机构来保证。

2.气门间隙（valveclearance）

（1）定义：

气门间隙是指气门完全关闭时（凸轮的凸起部分不顶挺柱），气门杆尾端与摇臂或挺柱之间的间隙。

（2）作用：

给热膨胀留有余地，保证气门密封。

不同机型，气门间隙的大小不同，根据实验确定，一般冷态时，排气门间隙大于进气门间隙，进气门间隙约为0.25~0.3mm，排气门间隙约为0.3~0.35mm。

间隙过大：

进、排气门开启迟后，缩短了进排气时间，降低了气门的开启高度，改变了正常的配气相位，使发动机因进气不足，排气不净而功率下降，此外，还使配气机构零件的撞击增加，磨损加快。

间隙过小：

发动机工作后，零件受热膨胀，将气门推开，使气门关闭不严，造成漏气，功率下降，并使气门的密封表面严重积碳或烧坏，甚至气门撞击活塞。

采用液压挺柱的配气机构不需要留气门间隙。

第二节换气系统

1.空气滤清器

由于汽车行驶时，速度快，引起道路两旁，特别是士路上的尘土飞扬，使周围空气中含有灰尘，而灰尘中又含有大量的砂粒，如果被吸入气缸里的话，就会粘附在气缸，活塞和气门座等另件的密封表面，加速它们的磨损，使发动机寿命大大下降。

因此，在车用发动机上，必须装上空气滤清器。

（1）功用与要求：

空气滤清器的功用就是把空气中的尘土分离出来，保证供给气缸足够量的清洁空气。

对空气滤清器的基本要求是滤清能力强，进气阻力小，维护保养周期长，价格低廉。

（2）型式和工作原理

目前，采用的空气滤清器的型式很多，但归纳起来可分为下面几类：

按滤清方式可以分为惯性式和过滤式；按是否用机油分干式和湿式。

把它们组合起来就有干惯性式、干过滤式、湿惯性式、湿过滤式，综合两种以上的叫综合式。

惯性式：

它是根据离心力或惯性力与质量成正比的原理，利用尘土比空气重的特点，引导气流作高速旋转运动，重的尘土就会自动的从空气中分离出去或着引导气流突然改变流动方向，重的尘土就会来不及改变方向而从空气中分离出去。

优点：

进气阻力小，保养简单。

缺点：

滤清能力不强，即滤清效果差。

过滤式：

它是根据吸附原理，引导气流通过滤芯（如金属网、丝、棉质物质和纸质等），将尘土隔离和粘附在滤芯上，从而使空气得到滤清。

优点：

滤清能力强，滤清效果好。

缺点：

进气阻力大，滤芯易堵塞。

综合式：

综合上述两种滤清方式，使空气通过惯性式，除去粗粒灰尘，然后再通过过滤式除去细粒灰尘。

因此，滤清能力强，可将空气中%的灰尘清除掉，而阻力增加不大，从而得到了广泛的应用。

2.进气管与排气管

功用：

进气管道的功用是将可燃混合气引入气缸，对多缸机要保证各缸进气量均匀一致。

排气管道的功用是将燃烧后的废气引入大气。

要求：

（1）进气阻力小，充气量要大。

（2）排气阻力小，排气噪音小。

进气阻力是影响充气量的主要因素，只有减小进气阻力，才能提高充气量，但进气阻力又和进气管道截面积的大小，弯曲程度以及管道内表面的形状有很大关系。

材料：

进、排气管一般用铸铁制成。

进气管也有用铝合金铸造的。

二者可铸成一体，也可分别铸出。

都固定在气缸盖上，接合面处装有石棉衬垫，以防漏气。

进气总管以凸缘连通化油器，排气总管连通排气消声器。

而进、排气支管则分别与进、排气门的通道连通。

3.催化转换器

汽车排出的废气，含有有害成分如：

无色无味有毒气体CO；对呼吸系统有刺激作用，对农作物有害的HC；对人体有害，引起肺炎，肺气肿的NOx。

催化转换器就是要降低这三种成分的含量。

催化器内装有催化剂，促进空气与这些有害成分起化学反应，使CO氧化为CO2，CH氧化为CO2和H2O，NOX还原为N2。

第三节四行程内燃机的换气过程

燃烧是做功之本，燃烧需要空气与燃料。

燃料受机械控制，容易加入。

而汽缸容积就那么大，要想多加空气就要困难得多。

因此，对发动机换气过程的研究就重要了。

配气定时

在下止点前排气－排气提前角40~80

在上止点后关闭－排气迟闭角10~35

在上止点前吸气－进气提前角0~40

在下止点后关闭－进气迟闭角40~80

进气提前角+排气迟闭角=气门叠开角

一、换气过程

1.自由排气阶段A

靠缸内压力将气体挤出气缸

2.强制排气阶段B

靠活塞上行将废气挤出气缸

3.进气过程和气门叠开角

由于节流作用,缸内产生负压；使新鲜介质进入缸内。

气阀叠开角：

非增压：

20~60CA。

增压：

110~140CA。

进气管p增加,扫气明显，气门叠开角可以增大很多。

如6135型高柴：

非增压：

40,增压：

124。

扫气的作用：

1清除废气,增加气缸内的新鲜充量。

2降低排气温度。

3降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。

二、换气损失

理论循环换气功与实际循环换气功之差。

如图：

换气损失功＝X+（Y+W）,其中（W+Y）

为排气损失功，X为进气损失功。

（一）排气损失功Y

W是因排气门提前开启而损失的膨胀功,

称为自由排气损失。

Y是活塞作用在废气上的推出功,称为强制排气损失功。

排气提前角增加，W增加，Y下降。

综合效果,要求（Y+W）下降,故（W+Y）有一个最佳值（W+Y）min。

对应排气提前角亦有一个最佳值,n增加，（W+Y）min增加。

（二）进气损失功X

进气损失功小于排气损失功，即X

（三）泵气损失功（X+Y-d）

在实际示功图中,把（W+d）归到指示功中考虑。

而把泵气损失功（X+Y-d）归到机械损失中考虑。

三、充气系数及其影响因素

为比较不同大小、不同类型发动机的充气品质和换气过程的完善程度,不受气缸工作容积的影响,引入充气效率的概念。

由于有进气阻力等因素的影响,实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。

二者之比称为充气效率,即

其中：

－实际充量的重量，质量和体积；

－理论充量的重量，质量和体积；

进气状态：

非增压：

空气滤清器后进气管内的气体状态,即当地的大气状态。

增压：

增压器出口状态。

充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要指标。

柴油机0.75~0.90汽油机0.70~0.85

其中

－大气压力和温度；

－进气终了时缸内的压力和温度；

四、影响充气效率的各种因素

一、提高进气终了压力

（一）降低进气系统的沿程阻力和局部阻力。

（二）转速

（三）负荷

二、减少排气系统阻力

三、减少对进气充量的加热

四、选择合适的进排气结构尺寸

五、选择合理配气相位