2.2 配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征分析

現(xiàn)代汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的形式多種多樣，其主要區(qū)別是氣門布置和數(shù)量、凸輪軸布置形式及凸輪軸的傳動方式等有所不同。對不同類型配氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征的了解和掌握，有利于我們在遇到配氣機構(gòu)出現(xiàn)問題時根據(jù)發(fā)動機的工作現(xiàn)象及配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征來查找故障部位，起到舉一反三、事半功倍的效果。

圖2-1 氣門頂置式配氣機構(gòu)

1—氣缸蓋 2—氣門導管 3—氣門 4—氣門主彈簧 5—氣門副彈簧 6—氣門彈簧座 7—鎖片 8—氣門室罩 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—正時齒輪

圖2-2 氣門側(cè)置式配氣機構(gòu)

1—氣缸蓋 2—氣缸墊 3—氣門 4—氣門導管 5—氣缸體 6—氣門彈簧 7—氣缸壁 8—氣門彈簧座 9—鎖銷 10—調(diào)整螺釘 11—鎖緊螺母 12—挺柱 13—挺柱導管 14—凸輪軸

1.按照氣門布置形式結(jié)構(gòu)特征分析

按照氣門布置形式，配氣機構(gòu)可以分為氣門頂置式配氣機構(gòu)和氣門側(cè)置式配氣機構(gòu)。

（1）氣門頂置式配氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征 如圖2-1所示，氣門頂置式配氣機構(gòu)是現(xiàn)代發(fā)動機使用最廣泛的一種配氣機構(gòu)形式，其進、排氣門都倒裝在氣缸蓋上。其主要特點是燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊、工藝性好；充氣阻力小，充氣效率高；具有良好的抗爆性（汽油機）和高速穩(wěn)定性能，易于提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性指標，因此國內(nèi)外汽車發(fā)動機普遍采用氣門頂置式配氣機構(gòu)。

（2）氣門側(cè)置式配氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征 氣門側(cè)置式配氣機構(gòu)的進、排氣門裝在氣缸體的一側(cè)，如圖2-2所示。氣門側(cè)置式配氣機構(gòu)的特點是氣門的開、閉由凸輪軸上的凸輪通過挺柱直接控制，省去了搖臂和搖臂軸、推桿等零件，簡化了配氣機構(gòu)。但是由于氣門布置在氣缸體的一側(cè)，使燃燒室的結(jié)構(gòu)不緊湊，不利于壓縮比的提高，同時由于進氣彎道多，進氣流動阻力增大，充氣效率低下，所以發(fā)動機的動力性較差。目前，這種形式的配氣機構(gòu)已被淘汰。

另外，也有采用進氣門頂置而排氣門側(cè)置的配氣機構(gòu)，這種布置形式，進氣門尺寸不受限制，可做得較大，進氣管可以做得粗且具有較理想的形狀，降低進氣阻力，因而充氣效率較高；側(cè)置排氣門可以得到良好的冷卻。這種配氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，目前僅在某些高速發(fā)動機上采用。

2.按照凸輪軸布置形式結(jié)構(gòu)特征分析

按照凸輪軸布置形式，配氣機構(gòu)可以分為凸輪軸上置式、中置式和下置式三種類型。三者都可用于氣門頂置式配氣機構(gòu)，而氣門側(cè)置式配氣機構(gòu)只能使用下置式凸輪軸。

（1）凸輪軸下置式配氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征分析 凸輪軸下置的配氣機構(gòu)中的凸輪軸位于曲軸箱底部靠近中部的位置，由曲軸正時齒輪驅(qū)動。這種配氣機構(gòu)的優(yōu)點是凸輪軸離曲軸較近，可用齒輪驅(qū)動，傳動簡單。但存在零件較多，傳動鏈長，系統(tǒng)彈性變形大，配氣相位準確性較低等缺點。大多數(shù)大、中型客車和載貨汽車均采用這種方式。

（2）凸輪軸上置式配氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征分析 凸輪軸上置式配氣機構(gòu)中的凸輪軸布置在氣缸蓋上，在這種結(jié)構(gòu)中，凸輪軸通過搖臂（或直接）驅(qū)動氣門，沒有挺柱、推桿，使往復運動質(zhì)量大大減小。因此它適用于高速發(fā)動機。但由于凸輪軸離曲軸中心線更遠，因此正時傳動機構(gòu)更為復雜，而且拆裝氣缸蓋也比較困難。缸徑較小的柴油機的凸輪軸上置時給安裝噴油器也帶來困難。

上置凸輪軸的另一種形式是凸輪軸直接驅(qū)動氣門，如圖2-3所示。這種配氣機構(gòu)的往復運動質(zhì)量最小，對凸輪軸和氣門彈簧設(shè)計的要求也最低，因此特別適用于高速強化發(fā)動機。這在國外的高速汽車發(fā)動機上得到廣泛的應用。

（3）凸輪軸中置式配氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征分析 凸輪軸中置式配氣機構(gòu)把凸輪軸位置移到氣缸體的上部，由凸輪軸經(jīng)過挺柱直接驅(qū)動搖臂，而省去推桿。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高時，可以減小氣門傳動機構(gòu)的往復運動質(zhì)量，從而減少慣性力。這種類型的發(fā)動機如仍舊采用齒輪傳動，由于凸輪軸和曲軸的中心距增大，必須在兩者之間加裝中間齒輪（惰輪）。圖2-4所示為YC6105QC柴油機配氣機構(gòu)，是一種典型的凸輪軸中置式的配氣機構(gòu)。

圖2-3 凸輪軸上置式配氣機構(gòu)

1—曲軸正時齒形帶輪 2—張緊輪 3—凸輪軸正時齒形帶輪 4—同步齒形帶 5、6—凸輪軸 7—氣門 8—氣門導管

3.按曲軸和配氣凸輪軸的傳動方式結(jié)構(gòu)特征分析

按照曲軸和配氣凸輪軸的傳動方式，配氣機構(gòu)可以分為齒輪傳動、鏈條傳動和齒形帶傳動（同步帶傳動）三種。

（1）齒輪傳動結(jié)構(gòu)特征分析（圖2-5）由曲軸到配氣凸輪軸一般只需要一對正時齒輪，必要時加裝中間齒輪（惰性輪），適合凸輪軸下置、中置式配氣機構(gòu)發(fā)動機采用。正時齒輪一般用斜齒輪并用不同材料制成，曲軸正時齒輪常用鋼材制造，凸輪軸正時齒輪常用鑄鐵或夾布膠木制造，目的是使嚙合平穩(wěn)減小噪聲和磨損。所有齒輪上都有正時記號，裝配時必須按要求對齊。解放CA1091型載貨汽車使用的是齒輪傳動。

（2）齒形帶傳動結(jié)構(gòu)特征分析（圖2-6）現(xiàn)代高速發(fā)動機廣泛采用齒形帶傳動。齒形帶用氯丁橡膠制成，中間夾有玻璃纖維和尼龍織物，以增加強度。齒形帶的張力可以由張緊輪進行調(diào)整。這種傳動方式可以減小噪聲，減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量和降低成本。一汽奧迪轎車采用的是同步帶傳動裝置。

圖2-4　YC6105QC柴油機配氣機構(gòu)

1—搖臂 2—氣門彈簧 3—氣門導管 4—氣門座 5—氣門 6—推桿 7—挺柱 8—凸輪軸 9—曲軸

圖2-6 一汽奧迪轎車的同步帶傳動裝置

1—張緊輪 2—正時同步帶 3—中間軸正時帶輪 4—曲軸正時帶輪 5—凸輪軸正時帶輪

（3）鏈傳動結(jié)構(gòu)特征分析（圖2-7）其優(yōu)點是布置容易，若傳動距離較遠時，還可用兩級鏈傳動。其缺點是結(jié)構(gòu)質(zhì)量及噪聲較大，鏈的可靠性和耐久性不易得到保證。

4.按氣門數(shù)目及布置形式結(jié)構(gòu)特征分析

根據(jù)氣門數(shù)目不同，發(fā)動機配氣機構(gòu)可以分為二氣門和多氣門配氣機構(gòu)。一般發(fā)動機都采用每缸兩氣門，即一個進氣門、一個排氣門的結(jié)構(gòu)。許多中高級新型轎車發(fā)動機上普遍采用每缸多氣門結(jié)構(gòu)，如三氣門、四氣門、五氣門等。如天津夏利TJ7100采用的是每缸三氣門（二進一排）結(jié)構(gòu)；奔馳190E2.3L型發(fā)動機采用的是每缸四氣門結(jié)構(gòu)（兩進兩排）；一汽捷達王轎車EA113型發(fā)動機采用每缸五氣門結(jié)構(gòu)（三進兩排），如圖2-8所示。多氣門結(jié)構(gòu)使發(fā)動機進、排氣氣道的斷面面積大大增加，使發(fā)動機的充氣效率得到大幅度提升，從而改善了發(fā)動機的動力性能及經(jīng)濟性能。

圖2-7 凸輪軸的鏈傳動裝置

1—液力張緊裝置 2—驅(qū)動液壓泵的鏈輪 3—曲軸 4—導鏈板

圖2-8 一汽捷達王轎車 EA113型發(fā)動機的五氣門結(jié)構(gòu)

（1）每氣缸兩個氣門的布置結(jié)構(gòu)特征分析 兩氣門結(jié)構(gòu)要求有較大的氣門通道斷面面積，發(fā)動機進氣門直徑大于排氣門直徑。為了使發(fā)動機進氣順暢及配氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，二氣門布置方式主要有以下幾種類型：

1）合用氣道（圖2-9a、b）：氣門在機體上縱向排成一列，相鄰兩個進氣門或排氣門合用一個氣道，優(yōu)點是氣道簡化，并可得到較大的氣道通道面積。

2）交替布置（圖2-9c）：進、排氣門交替布置，每缸單獨用一個進、排氣道，優(yōu)點是可使氣缸均勻冷卻，對熱負荷較嚴重的發(fā)動機更適宜。

3）分開布置（圖2-9d）：進、排氣道分置于機體兩側(cè)，對于柴油機來說，為了避免排氣加熱進氣，常把進、排氣道分置于發(fā)動機機體兩側(cè)，對于汽油機來說，為了使汽油更好地霧化，需采用排氣歧管的廢氣熱量對發(fā)動機進行預熱，進、排氣道多置于機體同一側(cè)。

（2）每氣缸四個氣門的布置結(jié)構(gòu)特征分析 四氣門結(jié)構(gòu)一般是兩個進氣門，兩個排氣門。其排列形式主要有串聯(lián)和并聯(lián)兩種。

1）串聯(lián)形式：如圖2-10a所示，即同名氣門排成兩列，其主要特點是：

a）可通用一根凸輪軸及驅(qū)動桿傳動。

b）進氣門間的進氣效率有差異。

c）排氣門的熱負荷也不相同。所以現(xiàn)在這種排列方式已經(jīng)很少采用。

2）并聯(lián)形式：如圖2-10b所示，即同名氣門排成一列，其主要特點如下：

a）能產(chǎn)生進氣渦流，進氣門進氣效率與排氣門熱負荷基本相同。

b）需用兩根凸輪軸傳動，所以大多數(shù)發(fā)動機都采用這樣的布置。

發(fā)動機配氣機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)根據(jù)發(fā)動機類型不同有一些區(qū)別，但基本可以分為兩部分，即氣門組和氣門傳動組。氣門組的主要作用是封閉進、排氣道；氣門傳動組的主要作用是傳遞從曲軸正時齒輪至氣門動作力的所有零部件，使氣門定時開啟或關(guān)閉。

圖2-9 兩氣門的布置形式

圖2-10 每缸四氣門的布置

a）同名氣門排成兩列（串聯(lián)） b）同名氣門排成一列（并聯(lián)）

1—T形件 2—氣門尾端的從動盤

2.2.1 氣門傳動組的結(jié)構(gòu)特征分析

氣門傳動組主要部件包括：正時輪組（正時鏈輪和鏈條或者正時帶輪）、凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂及搖臂軸等。

1.凸輪軸的結(jié)構(gòu)特征分析

凸輪軸的作用是驅(qū)動和控制發(fā)動機各個氣缸進、排氣門的開啟和關(guān)閉，使其符合發(fā)動機的工作順序、配氣相位及氣門開度變化等要求。此外，有些汽油機還用它來驅(qū)動汽油泵、機油泵和分電器等。凸輪軸是氣門驅(qū)動部件中最重要的零件之一。

凸輪軸由凸輪、凸輪軸頸及軸等組成，如圖2-11所示。凸輪可以分為進氣凸輪和排氣凸輪，分別用來驅(qū)動進氣門和排氣門的開啟和關(guān)閉。軸頸主要用于支承并裝配凸輪軸在氣缸體（或氣缸蓋）上。這些凸輪按照一定的順序和角度排列。

圖2-11 四缸四沖程汽油機凸輪軸結(jié)構(gòu)

a）發(fā)動機凸輪軸 b）各凸輪的相對角位置 c）進（排）氣凸輪投影 1—凸輪2—凸輪軸軸頸 3—驅(qū)動汽油泵的偏心輪 4—驅(qū)動機油泵和分電器的螺旋齒輪

由于凸輪在工作過程中不斷受到氣門間歇性開啟時反作用于挺柱的周期性沖擊載荷與摩擦，因此要求凸輪的工作表面必須具有較高的耐磨性和抗疲勞強度，同時要求凸輪軸具有足夠的韌性和剛度，以便能承受沖擊負荷，使受力后變形較小。大部分凸輪軸采用優(yōu)質(zhì)鋼模鍛而成，有些也采用球墨鑄鐵、合金鑄鐵鑄造而成，對凸輪和軸頸的工作表面經(jīng)過熱處理后精磨，以提高其耐磨性。

凸輪輪廓的形狀應該能保證氣門開閉的持續(xù)時間符合配氣相位的要求，并使氣門有合適的升程及運動規(guī)律。

圖2-12 凸輪的輪廓及確定

每種型號的發(fā)動機的凸輪具有不同的輪廓形狀。圖2-12所示的凸輪輪廓中，整個輪廓由凸頂、凸根、打開凸面以及關(guān)閉凸面組成。凸輪軸升程是指從基圓直徑往上凸輪能達到的高度。它決定了氣門的升程大小。凸輪的頂部稱作凸頂，它的長度決定了氣門將在完全打開的位置保持多長時間。凸頂可能有多種不同的輪廓形狀，這取決于氣門需在完全打開的位置保持多久。凸根是指凸輪軸外形的底部，當挺柱或氣門在凸根部分移動時，氣門處于完全關(guān)閉狀態(tài)。凸輪的這些外形特征決定了氣門開閉過程的具體特性——時間和速度。

同一氣缸的進、排氣凸輪的相對角位置是與既定的配氣相位相適應的。發(fā)動機各缸的進、排氣凸輪的相對角位置應符合發(fā)動機各缸的點火順序和點火間隔時間的要求。因此，必須根據(jù)凸輪軸的旋轉(zhuǎn)方向以及各缸進、排氣和凸輪的工作順序，來判定發(fā)動機的點火次序。對于四缸四沖程發(fā)動機來說，每完成一個工作循環(huán)，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周而凸輪軸旋轉(zhuǎn)一周，各氣缸分別進行一次進氣和一次排氣，且進氣與排氣時間間隔相等，即各缸進氣或者排氣凸輪彼此間的夾角為360°/4=90°，發(fā)動機的凸輪軸旋轉(zhuǎn)方向（從前端向后看）為逆時針，可以確定該發(fā)動機的點火順序為1-2-4-3；而對于六缸四行程發(fā)動機來說，同樣的每完成一個工作循環(huán)，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周而凸輪軸旋轉(zhuǎn)一周，各氣缸分別進行一次進氣和一次排氣，且各缸進氣和排氣間隔時間相等，所以各缸進氣和排氣凸輪彼此間的夾角為360°/6=60°。如圖2-13所示，同樣的道理，該發(fā)動機的點火順序可以確定為1-5-3-6-2-4。

圖2-13 六缸發(fā)動機凸輪軸及其進、排氣凸輪投影

1—凸輪 2—凸輪軸軸頸 3—驅(qū)動汽油泵的偏心輪 4—驅(qū)動分電器等的螺旋齒輪

圖2-14 挺柱的結(jié)構(gòu)形式

a）菌形 b）筒形 c）滾輪式 d）液壓式 e）滾輪搖臂式

2.挺柱的結(jié)構(gòu)特征分析

挺柱的作用是將凸輪的推力傳給推桿或氣門桿，推動推桿或氣門克服氣門彈簧的作用力而運動，同時承受凸輪軸旋轉(zhuǎn)時所施加的側(cè)向力。其安裝位置為氣缸體或氣缸蓋相應的導向孔，常用鎳鉻合金鑄鐵或冷激合金鑄鐵制造。

挺柱可以分為普通挺柱（圖2-14a、b、c）和液壓挺柱（圖2-14d）及滾輪搖臂式（圖2-14e）三種類型。

（1）普通挺柱結(jié)構(gòu)特征分析 普通挺柱有菌形挺柱（圖2-14a）、筒形挺柱（圖2-14b）和滾輪式挺柱（圖2-14c）三種形式。菌形和筒形挺柱由于采用中空形式，均可減輕本身重量；滾輪式挺柱由于接觸面為線接觸，滾輪可以自由滾動，可以減輕磨損。普通挺柱由于均為剛性結(jié)構(gòu)，無法自動消除氣門間隙，因此采用普通挺柱的發(fā)動機必須調(diào)整氣門間隙。

（2）液壓挺柱結(jié)構(gòu)特征分析 液壓挺柱較普通挺柱最大的優(yōu)點在于液壓挺柱能夠消除發(fā)動機氣門間隙，從而不需要對氣門間隙進行調(diào)整；同時，液壓挺柱亦可降低發(fā)動機的配氣機構(gòu)的傳動噪聲。

圖2-15所示為桑塔納和捷達轎車發(fā)動機采用的液壓挺柱。挺柱體由上蓋和圓筒焊接成一體，可以在缸蓋的挺柱體孔中上下運動。液壓缸的內(nèi)孔和外圓都經(jīng)過精加工研磨，外圓與挺柱內(nèi)導向孔相配合，內(nèi)孔則與柱塞配合，兩者都可以相對運動。液壓缸底部裝有一個補償彈簧，把球閥壓靠在柱塞的閥座上，它還可以使挺柱頂面和凸輪表面保持緊密接觸，以消除氣門間隙。當球閥關(guān)閉柱塞中間孔時，可將挺柱分成兩個油腔，即上部的低壓油腔和下部的高壓油腔；球閥開啟后，則形成一個通腔。

圖2-15 液壓挺柱

1—高壓油腔 2—缸蓋油道 3—油量孔 4—斜油孔 5—球閥 6—低壓油腔 7—鍵形槽 8—凸輪軸 9—挺柱體 10—挺柱體焊縫 11—柱塞 12—套筒 13—彈簧 14—缸蓋 15—氣門桿

圖2-16 推桿

1—上凹球頭 2—空心桿 3—下凸球頭

圖2-17 推桿

a）鋼制實心推桿 b）硬鋁棒推桿 c）、d）鋼管制成的空心推桿

3.推桿的結(jié)構(gòu)特征分析

推桿的作用是在頂置式氣門下置式凸輪軸的配氣機構(gòu)中，把凸輪軸經(jīng)挺柱傳來的推力傳遞給搖臂。推桿是配氣機構(gòu)中最易彎曲的細長零件。其結(jié)構(gòu)一般包括上凹球頭、下凸球頭和空心桿（實心桿）三個部位，如圖2-16所示。推桿通常采用冷拔無縫鋼管制成，也有些采用硬鋁制造，如圖2-16所示。鋼制實心推桿（圖2-17a）一般是同球形支座制成一個整體，再進行熱處理；硬鋁材料實心推桿（圖2-17b）兩端配以鋼制的支承，其上下端頭與桿身做成一體；鋼制空心推桿如圖2-17c、d所示，前者的球頭與桿身是整體鍛造出來的，后者的兩端與桿身是用焊接和壓配的方法聯(lián)成一體的。雖然結(jié)構(gòu)形式有一定差異，但是對推桿的要求是一樣的，即質(zhì)量輕、剛度大。一般情況下，為保證挺桿與搖臂、挺柱的正確配合，推桿上端焊有鋼質(zhì)的凹球形接頭與搖臂調(diào)節(jié)螺釘?shù)那蝾^相配合；下端焊有球形接頭，支撐在挺柱的凹球承座內(nèi)。

4.搖臂與搖臂組的結(jié)構(gòu)特征分析

搖臂的作用是改變力的傳遞方向，搖臂相當于一個杠桿結(jié)構(gòu)，它將推桿的作用力改變方向傳給氣門桿尾端從而推動氣門打開；利用兩邊臂長的比值（稱搖臂比）來改變氣門的升程，氣門搖臂一般制造成不等長的形式，靠氣門一邊比靠推桿一邊臂長30%～50%，這樣可以獲得較大的氣門升程。

搖臂可以分為普通搖臂和無噪聲搖臂。

（1）普通搖臂 圖2-18所示為普通搖臂，其長臂端部以圓弧形的工作面與氣門尾端接觸用以推動氣門。短臂的端部有螺孔，用來安裝調(diào)整螺釘及鎖緊螺母，以調(diào)整氣門間隙。螺釘?shù)那蝾^與推桿頂端的凹球座相連接。該連接部分接觸應力高，且有相對滑移，磨損嚴重，因此在該部分常堆焊有硬質(zhì)合金。因為靠氣門一端的臂長，所以在一定的氣門升程下，能減小推桿、挺柱等運動件的運動距離和加速度，從而減小了慣性力。搖臂內(nèi)一般鉆有油道，與搖臂軸中心相通，如圖2-19所示。壓力機油充滿搖臂軸中心，并從搖臂油孔流出，潤滑挺桿及氣門桿端等零件。

圖2-18 搖臂

1—氣門間隙調(diào)整螺釘 2—調(diào)節(jié)螺母 3—搖臂 4—搖臂軸套

圖2-19 搖臂中的油道

A、C—油道 B—油槽

（2）無噪聲搖臂 國外某些發(fā)動機采用無噪聲搖臂，主要目的是為了消除氣門間隙，減小由此而產(chǎn)生的沖擊噪聲。其工作流程如圖2-20所示，起主要作用的結(jié)構(gòu)為凸環(huán)。凸環(huán)以搖臂的一端為支點，并靠在氣門桿部的端面上。當氣門處在關(guān)閉位置時，在彈簧的作用下，柱塞推動凸環(huán)向外擺動，從而消除了氣門間隙；氣門開啟時，推桿便向上運動推動搖臂，由于搖臂已經(jīng)通過凸環(huán)和氣門桿部的端面處在接觸狀態(tài)，從而消除了氣門間隙。

搖臂組件的結(jié)構(gòu)如圖2-21所示，主要包括搖臂軸、搖臂軸支座、搖臂襯套、搖臂、限位彈簧、緊固螺栓、鎖緊螺母、調(diào)整螺釘?shù)取?/p>

2.2.2 氣門組的結(jié)構(gòu)特征分析

1.氣門的結(jié)構(gòu)特征分析

氣門的作用是封閉進、排氣通道。氣門的結(jié)構(gòu)主要由氣門頭部和氣門桿部兩部分組成。

圖2-20 無噪聲搖臂的工作過程

1—凸輪軸 2—挺柱 3—推桿 4—搖臂軸 5—搖臂 6—彈簧 7—柱塞 8—凸環(huán) 9—氣門

圖2-21 搖臂組件

1—密封端蓋 2—搖臂軸 3—螺栓 4—搖臂軸緊固螺栓 5—搖臂軸前支座 6—搖臂襯套 7—搖臂 8—鎖緊螺母 9—調(diào)整螺釘 10—搖臂軸中間支座 11—限位彈簧 12—搖臂軸后支座

（1）氣門頭部結(jié)構(gòu)特征分析 氣門頭部可以分為氣門頂部和氣門密封錐面兩個部分。氣門頭部直徑越大，氣門口通道截面也越大，進排氣阻力就越小。進氣門頭部直徑一般比排氣門頭部直徑大。這樣設(shè)計有利于減少進氣阻力，同時可以使排氣門頭部受熱面積減少，從而在高溫、高壓作用下也不易產(chǎn)生變形。

1）氣門頂部結(jié)構(gòu)特征分析：氣門頂部的形狀如圖2-22所示，主要有三種形式：平頂（圖2-22a）、凹頂（圖2-22b）和凸頂（圖2-22c）。平頂氣門結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，吸熱面積小，質(zhì)量也小，因此大多數(shù)發(fā)動機都采用這種形式的氣門；凹頂氣門也叫喇叭形氣門，其質(zhì)量小，慣性小，與桿部的過渡有一定的流線形，可以降低進氣阻力，但是頂部受熱面積較大，故常用作進氣門，而不作為排氣門使用；凸頂氣門即球面頂氣門的剛度大，受熱面積也大，排氣阻力小，廢氣清除效果好，主要用于某些排氣門。

2）氣門密封錐面結(jié)構(gòu)特征分析：氣門密封錐面是指氣門頭部與氣門座圈接觸的工作面。這個工作面的質(zhì)量關(guān)系到發(fā)動機的燃燒室的密封性和氣缸壓力，該工作面是與氣門桿部同一中心線的錐面，一般將這個錐面與氣門頂部平面的夾角稱為氣門錐角，如圖2-23所示，一般為30°～45°。氣門密封錐面的作用一般有：

①能提高氣門與氣門座的密封性和導熱性。

②氣門在彈簧作用下落座時，能夠自定位。

③避免氣流拐彎過大而降低流速。

④能自動擠掉接觸面積炭的沉淀物，起自潔作用。

圖2-22 氣門頂形狀

a）平頂 b）凹頂 c）凸頂

圖2-23 氣門錐角

圖2-24 氣門彈簧座的固定方式

a）鎖夾固定 b）鎖銷固定

1—氣門桿 2—氣門彈簧 3—彈簧座 4—鎖夾 5—鎖銷

一般情況下，氣門錐角比氣門座或者氣門座圈錐角要小一些，這主要是因為這樣可以使二者不以錐面的全寬接觸，這樣可以增加密封錐面的接觸壓力，加速磨合，并能切斷和擠出二者之間的積垢或者積炭等，由此可以保證密封錐面良好的密封性能。氣門頂邊緣與氣門密封錐面之間應該有一定厚度，一般為1～3mm，以防止工作中受到?jīng)_擊損壞或被高溫氣體燒壞。

（2）氣門桿部結(jié)構(gòu)特征分析 氣門桿部與氣門導管相接觸，一般做成圓柱形。發(fā)動機工作時，氣門桿在氣門導管中不斷上下往復運動，承受周期性沖擊，加之潤滑條件比較惡劣，密封性要求高，因此要求氣門桿與氣門導管必須有一定的配合精度和耐磨性，同時要求氣門桿部與頭部的過渡應盡量圓滑，以減少氣流阻力和應力集中。氣門桿表面都經(jīng)過熱處理和拋光處理。氣門桿尾部的結(jié)構(gòu)取決于氣門彈簧座的固定方式，如圖2-24所示，氣門桿與彈簧座連接方式主要有兩種。一種是鎖夾式（圖2-24a），由兩個半圓錐形鎖夾來固定氣門彈簧座；另一種是鎖銷式（圖2-24b），用鎖銷固定氣門彈簧座，鎖銷安裝在氣門桿尾部上對應的徑向孔中。

2.氣門彈簧的結(jié)構(gòu)特征分析

氣門彈簧的作用是保證氣門正確復位，即克服氣門關(guān)閉過程中氣門及傳動件慣性力而產(chǎn)生的間隙，保證氣門及時落座并緊密貼合，同時防止氣門在發(fā)動機振動時因跳動而破壞密封。氣門打開是靠曲軸經(jīng)氣門傳動組提供的力，氣門關(guān)閉是靠氣門彈簧的回彈力；氣門彈簧安裝時一端支承在氣缸蓋上，另一端則壓靠在氣門桿尾端的彈簧座上，用鎖環(huán)或鎖銷固定在氣門桿的末端。圖2-25所示為氣門彈簧安裝位置及氣門組圖。

為了保證彈簧有足夠的剛度和安裝預緊力，氣門彈簧多用高碳錳鋼或鉻釩鋼絲、硅鉻鋼絲制成。氣門彈簧一般制成圓柱形螺旋彈簧（圖2-26a）。發(fā)動機裝一根氣門彈簧時，采用不等距彈簧（圖2-26b），以防止共振，如紅旗CA7560型轎車8V100型發(fā)動機；裝兩根彈簧時（圖2-26c），彈簧內(nèi)、外直徑不同，旋向不同，它們同心安裝在氣門導管的外面，不僅可以提高彈簧的工作可靠性，防止共振的產(chǎn)生，還可以降低發(fā)動機的高度，同時當氣門彈簧某一根折斷時，另一根還能夠正常工作。如一汽奧迪100型、捷達、桑塔納、一汽解放CA6102、北京BJ492Q型汽車的汽油發(fā)動機均采用雙氣門彈簧結(jié)構(gòu)。

圖2-25 氣門彈簧安裝位置及氣門組

圖2-26 氣門彈簧

a）等螺距彈簧 b）不等螺距彈簧 c）雙彈簧

圖2-27 氣門導管和氣門座

1—氣門導管 2—卡環(huán) 3—氣缸蓋 4—氣門座

圖2-28 氣門導管

3.氣門導管的結(jié)構(gòu)特征分析

氣門導管（圖2-27）的作用是在氣門往復直線運動時進行導向，以保證氣門與氣門座之間的正確配合與開閉。當凸輪直接作用于氣門桿端時，承受側(cè)向作用力并起傳熱作用。氣門導管的外形如圖2-28所示，一般為圓柱形管，外表面具有較高的加工精度和較低的表面粗糙度，與氣缸蓋（體）的配合為過盈配合，以保證良好的傳熱并防松，氣門導管與氣門的配合則為間隙配合，一般留有0.05～0.12mm的微量間隙。該間隙過小，會導致氣門桿受熱膨脹與氣門導管卡死；間隙過大，會使機油進入燃燒室燃燒。為了防止過多的潤滑油進入燃燒室，有的在氣門導管上安裝有橡膠油封。氣門導管的定位大多數(shù)采用卡環(huán)（圖2-27）定位。

4.氣門座的結(jié)構(gòu)特征分析

氣缸蓋的進、排氣道與氣門錐面相貼合的部位稱為氣門座。氣門座的作用是與氣門頭部一起對氣缸起密封作用，同時接受氣門頭部傳來的熱量，起到對氣門散熱的作用。

氣門座可在氣缸蓋上直接鏜出，也可使用耐熱合金鋼或者合金鑄鐵單獨制成座圈（稱氣門座圈），壓入氣缸蓋（體）中，如圖2-29所示。這種氣門座圈具有耐高溫、耐磨損、耐沖擊、使用壽命長、損壞后易更換的特點，因而在現(xiàn)代發(fā)動機中被普遍采用。因氣門座圈熱負荷大，溫差變化大，又受氣門落座時的沖擊，為防止脫落并很好地散熱，氣門座與座孔之間應有較高的加工精度，較低的表面粗糙度和較大的配合過盈量。裝備時應注意使用溫差法壓入。

圖2-29 氣門座及氣門座圈

圖2-30 配氣相位圖

2.2.3 配氣機構(gòu)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征分析

配氣機構(gòu)的控制就是對配氣相位的保證，配氣相位就是用曲軸轉(zhuǎn)角表示的進、排氣門的實際開閉時刻和開啟的持續(xù)時間。

理論上四沖程發(fā)動機的進氣門應當在活塞處在上止點時開啟，當活塞運動到下止點時關(guān)閉；排氣門則應當在活塞處于下止點時開啟，在活塞運動到上止點時關(guān)閉。進氣時間和排氣時間各占180°曲軸轉(zhuǎn)角。但是實際發(fā)動機的曲軸轉(zhuǎn)速都很高，活塞每一行程歷時都很短，往往會使發(fā)動機充氣不足或排氣不干凈，從而使發(fā)動機功率下降。因此，一般采取延長進、排氣時間的方法，即氣門的開啟和關(guān)閉的時刻并不正好是活塞處于上止點和下止點的時刻，而是分別提前或延遲一定曲軸轉(zhuǎn)角，以改善進、排氣狀況，從而提高發(fā)動機的動力性。也就是說發(fā)動機進、排氣時間所占的曲軸轉(zhuǎn)角一般都大于180°。發(fā)動機的配氣相位一般用相對于上、下止點曲拐位置的曲軸轉(zhuǎn)角的環(huán)形圖來表示，即配氣相位圖，如圖2-30所示。

（1）進氣門的配氣相位 如圖2-30所示，在排氣行程接近終了，活塞到達上止點之前，進氣門便開始開啟，即曲軸轉(zhuǎn)到活塞處于上止點位置還差一個角度α，稱為進氣提前角。直到活塞過了下止點又重新上行，即曲軸轉(zhuǎn)到超過活塞下止點位置以后一個角度β時，進氣門才關(guān)閉，稱為進氣遲后角。這樣，整個進氣過程中，進氣門開啟持續(xù)時間的曲軸轉(zhuǎn)角，即進氣持續(xù)角為180°+α+β。

進氣門提前打開延遲關(guān)閉的目的，是為了保證進氣行程開始時進氣門已有一定開度，在進氣行程中獲得較大進氣通道截面，使新鮮氣體能順利地充入氣缸。當活塞到達下止點時，氣缸內(nèi)壓力仍低于大氣壓力，在壓縮行程開始階段，活塞上移開始的情況下，仍可以利用氣流較大的慣性和壓力差繼續(xù)進氣，因此進氣門延遲關(guān)閉是利于充氣的。發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，氣流慣性越大，遲閉角應取大值，以充分利用進氣慣性充氣。

（2）排氣門的配氣相位 在做功行程接近終了，活塞到達下止點前，排氣門便開始開啟，提前開啟的角度γ，稱為排氣提前角。經(jīng)過整個排氣行程，在活塞越過上止點后，排氣門才關(guān)閉，排氣門關(guān)閉的延遲角δ稱為排氣遲后角。這樣，整個排氣過程中，排氣門開啟持續(xù)時間的曲軸轉(zhuǎn)角，即排氣持續(xù)角為180°+γ+δ。排氣門遲關(guān)，可以使廢氣排放得較干凈。

（3）氣門的疊開 同一氣缸的工作行程順序是排氣行程后，接著便是進氣行程。在實際發(fā)動機中，在進排氣行程的上止點前后，由于進氣門在上止點前即開啟，而排氣門在上止點后才關(guān)閉，這就出現(xiàn)了在一段時間內(nèi)排氣門與進氣門同時開啟的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為氣門重疊，重疊的曲軸轉(zhuǎn)角α+δ稱為氣門重疊角。由于新鮮氣流和廢氣流的流動慣性比較大，在短時間內(nèi)保持原來的流動方向，因此只要氣門重疊角選擇適當，就不會產(chǎn)生廢氣倒流入進氣管或新鮮氣體隨同廢氣排出的可能性，這將有利于廢氣排放徹底和進氣充分。

1.機械控制方式的結(jié)構(gòu)特征分析

傳統(tǒng)配氣機構(gòu)配氣相位的控制是由曲軸正時齒輪、正時帶（正時鏈）、凸輪軸正時齒輪及凸輪軸控制的，如圖2-31所示。配氣相位控制的關(guān)鍵是由曲軸正時齒輪和凸輪軸正時齒輪的相對位置決定，拆裝檢修的關(guān)鍵要把握住這兩輪的相對位置，至于凸輪軸的凸輪位置在汽車發(fā)動機設(shè)計和制作時就已經(jīng)定位了，只與其磨損量有關(guān)。

2.電控液壓式控制方式的結(jié)構(gòu)特征分析

電控液壓式正時控制是在原有正時控制的基礎(chǔ)上增加改變配氣相位或氣門升程的控制。下面以MAZDA6發(fā)動機可變氣門正時控制系統(tǒng)S-VT（VVT）和本田ACCORD（雅閣）F23A和F20B1發(fā)動機的VTEC機構(gòu)為例說明。

圖2-31 配氣機構(gòu)的控制示意圖

（1）MAZDA6發(fā)動機可變氣門正時控制系統(tǒng)S-VT（VVT）MAZDA6可變氣門正時機構(gòu)由可變氣門正時執(zhí)行器、油壓控制閥（OCV）、曲軸位置傳感器（CKP）、凸輪軸位置傳感器（CMP）及發(fā)動機電腦（PCM）構(gòu)成。CKP傳感器發(fā)送的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號和CMP傳感器發(fā)送的氣缸識別信號被PCM接收到后，經(jīng)過分析和計算發(fā)出指令，輸出電流（占空比）控制油壓控制閥，改變其高液壓油的通道。油壓控制閥的油壓用來控制可變氣門正時執(zhí)行器，使其根據(jù)發(fā)動機不同的轉(zhuǎn)速，不斷調(diào)節(jié)進氣凸輪軸相位，使氣門正時達到最佳。可變氣門正時機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-32所示。

可變氣門正時傳動裝置有兩個液壓室：一是氣門正時提前室，二是氣門正時延遲室。這兩個液壓室位于凸輪軸鏈輪支承殼與凸輪軸轉(zhuǎn)子之間。油泵為兩室提供機油。由油壓控制閥（OCV）控制兩室的液壓水平，按照發(fā)動機運行條件調(diào)整凸輪軸鏈輪以及凸輪軸的相應相位，以獲得最優(yōu)配氣。

1）發(fā)動機起動時：可變氣門正時傳動裝置的止動銷與轉(zhuǎn)子嚙合時（轉(zhuǎn)子由于彈簧力處于最大進氣延遲位置），凸輪軸鏈輪與凸輪軸作為一個整體旋轉(zhuǎn)。當油泵壓力升高并且止動銷脫離時，便可能對凸輪軸鏈輪與凸輪軸的相應角度進行調(diào)節(jié)。

2）氣門正時提前：油壓控制閥（OCV）的滑閥按照PCM信號移動到左側(cè)時，油泵液壓注入到氣門正時提前通道并最終到達可變氣門正時傳動裝置的氣門正時提前室。然后，轉(zhuǎn)子與凸輪軸一起向氣門正時提前方向旋轉(zhuǎn)，與曲軸驅(qū)動的殼相反，由此氣門正時被提前，如圖2-33所示。

圖2-32 可變氣門正時機構(gòu)示意圖

1—CKP傳感器 2—CMP傳感器 3—PCM 4—油壓轉(zhuǎn)換閥（OCV） 5—可變氣門正時執(zhí)行器 6—電信號 7—液壓

圖2-33 氣門正時提前工作流程圖

1—PCM 2—油壓控制閥（OCV） 3—滑閥 4—油泵 5—凸輪軸 6—可變氣門正時傳動裝置 7—轉(zhuǎn)子 8—殼 9—油底殼 10—通向氣門正時提前室 11—氣門正時提前室 12—來自氣門正時延遲室

3）氣門正時延遲：油壓控制閥（OCV）的滑閥按照PCM信號移動到右側(cè)時，油泵液壓注入到氣門正時提前通道并最終到達可變氣門正時傳動裝置的氣門正時延遲室。然后，轉(zhuǎn)子與凸輪軸一起向氣門正時延遲方向旋轉(zhuǎn)，與曲軸驅(qū)動的殼體相反，由此氣門正時被延遲，如圖2-34所示。

圖2-34 氣門正時延遲工作流程圖

1—PCM　2—油壓控制閥（OCV） 3—滑閥 4—油泵 5—凸輪軸 6—可變氣門正時傳動裝置 7—轉(zhuǎn)子 8—殼體 9—油底殼 10—通向氣門正時延遲室 11—氣門正時延遲室 12—來自氣門正時延遲室

4）保持氣門正時中間位置：油壓控制閥（OCV）的滑閥位于氣門正時提前與延遲的中間位置。由此，液壓同時被保持在可變氣門正時傳動裝置的提前室與延遲室內(nèi)。同時，轉(zhuǎn)子與殼體的相應角度被固定并保持，由此產(chǎn)生固定氣門正時，如圖2-35所示。

圖2-35 保持氣門正時中間位置工作流程圖

1—PCV　2—油壓控制閥（OCV） 3—油泵 4—通向氣門正時提前室 5—通向氣門延遲室

5）可變氣門正時傳動裝置：由一個與凸輪軸鏈輪一體的外殼、一個罩、一個凸輪軸轉(zhuǎn)子以及一個止動銷組成。當發(fā)動機停止時止動銷用來定位轉(zhuǎn)子與外殼（套管）。另外，轉(zhuǎn)子有一個薄片封口用來密封氣門正時提前室與延遲室。

可變氣門正時傳動裝置罩殼與轉(zhuǎn)子開槽，在監(jiān)控可變氣門正時傳動裝置時，被作為對正標記使用，如圖2-36所示。

圖2-36 可變氣門正時傳動裝置圖

1—凸輪軸鏈輪 2—殼3—轉(zhuǎn)子 4—止動銷 5—尖端封口 6—罩 7—開槽（刻痕）

6）油壓控制閥（OCV）：包括一個用來轉(zhuǎn)換機油通道的滑閥、一個用來移動滑閥的線圈、一個柱塞以及一個回位彈簧，如圖2-37所示。

圖2-37 油壓控制閥裝置圖

1—滑閥 2—線圈 3—柱塞 4—回位彈簧

（2）本田ACCORD（雅閣）F23A和F20B1發(fā)動機的VTEC機構(gòu) 如圖2-38所示，VTEC機構(gòu)主要由氣門、凸輪、搖臂、同步活塞等組成。

五段工作凸輪（圖2-39）：排氣凸輪與常規(guī)排氣凸輪相同。進氣有三個凸輪，主進氣凸輪有較大的進氣提前角和較大的氣門升程，輔助進氣凸輪有較小的進氣提前角和較小的氣門升程，還增加了一個中間進氣凸輪，使其具有最大的進氣提前角和最大的氣門升程。

三個進氣凸輪分別驅(qū)動三根搖臂（圖2-40），與主凸輪、輔助凸輪和中間凸輪相對應的搖臂分別為主搖臂、輔助搖臂和中間搖臂。三根搖臂內(nèi)部裝有由液壓控制移動的同步活塞、正時活塞等。

圖2-38　VTEC機構(gòu)

1—凸輪軸 2—搖臂軸 3—主搖臂 4—正時板 5—中間搖臂 6—止推活塞 7—輔助搖臂 8—同步活塞B　9—同步活塞A　10—正時活塞

圖2-39 五段工作凸輪

1—凸輪軸 2、6—排氣凸輪 3—主進氣凸輪 4—中間進氣凸輪 5—輔助進氣凸輪

圖2-40 搖臂組件

1—正時活塞 2—正時活塞彈簧 3—同步活塞A 4—同步活塞B　5—輔助搖臂 6—中間搖臂 7—主搖臂