4.1 配氣機構與進排氣系統的構造

發動機配氣機構的類型有：氣門式、氣孔式和氣孔-氣門式等三種類型。四沖程內燃機普遍采用氣門式配氣機構。內燃機對配氣機構及進排氣系統的要求是：進入汽缸的新鮮空氣或可燃混合氣要盡可能多，排氣要盡可能充分；進、排氣門的開閉時刻要準確，開閉時的振動和噪聲要盡量小；另外，要工作可靠、使用壽命長和便于調整。本節著重講述四沖程內燃機的氣門式配氣機構及其進排氣系統。

4.1.1 配氣機構的結構形式及工作過程

氣門式配氣機構由氣門組（氣門、氣門導管、氣門座及氣門彈簧等）和氣門傳動組（推桿、搖臂、凸輪軸和正時齒輪等）組成；進排氣系統由空氣濾清器、進氣管、排氣管和消聲器等組成。

內燃機配氣機構的結構形式較多，按照氣門相對于汽缸的位置不同可分為兩種形式：氣門布置在汽缸側面的稱為側置式氣門配氣機構；氣門布置在汽缸頂部的稱為頂置式氣門配氣機構。采用側置式氣門配氣機構布置的燃燒室橫向面積大，結構不緊湊，而高度又受氣流和氣門運動的限制不能太小，所以當壓縮比大于7.5時，燃燒室就很難布置。對于柴油機，由于壓縮比不能太低，所以廣泛采用頂置式氣門配氣機構。按凸輪軸的布置位置可分為上置凸輪軸式、中置凸輪軸式和下置凸輪軸式；按曲軸與凸輪軸之間的傳動方式可分為齒輪傳動式和鏈條傳動式；按每缸的氣門數目可分為二氣門、三氣門、四氣門和五氣門機構。本節主要介紹常見的頂置式氣門、下置凸輪軸、齒輪傳動式、二氣門的配氣機構。

頂置式氣門配氣機構如圖4-1所示，由凸輪軸15、挺柱14、推桿13、氣門搖臂10和氣門3等零件組成。進、排氣門都布置在汽缸蓋上，氣門頭部朝下，尾部朝上。如凸輪軸為了傳動方便而靠近曲軸，則凸輪與氣門之間的距離就較長。中間必須通過挺柱、推桿、搖臂等一系列零件才能驅動氣門，使機構較為復雜，整個系統的剛性較差。

頂置式氣門配氣機構工作過程如下：凸輪軸由曲軸通過齒輪驅動。當內燃機工作時，凸輪軸即隨曲軸轉動，對于四沖程內燃機而言，凸輪軸的轉速為曲軸轉速的1/2，即曲軸轉兩轉完成一個工作循環，而凸輪軸轉一轉，使進、排氣門各開啟一次。當凸輪軸轉到凸起部分與挺柱相接觸時，挺柱開始升起。通過推桿13和調整螺釘12使搖臂繞搖臂軸轉動，搖臂的另一端即壓下氣門，使氣門開啟。在壓下氣門的同時，內、外兩個氣門彈簧也受到壓縮。當凸輪軸凸起部分的最高點轉過挺柱平面以后，挺柱及推桿隨凸輪的轉動而下落，被壓緊的氣門彈簧通過氣門彈簧座6和氣門鎖片7，將氣門向上抬起，最后壓緊在氣門座上，使氣門關閉。氣門彈簧在安裝時就有一定的預緊力，以保證氣門與氣門座貼合緊密而不致漏氣。

4.1.2 配氣機構的主要零件

配氣機構按其功用可分兩組零件：以氣門為主要零件的氣門組和以凸輪軸為主要零件的氣門傳動組。

4.1.2.1 氣門組

氣門組包括氣門、氣門座、氣門導管、氣門彈簧、彈簧座及鎖緊裝置等零件。圖4-2所示為內燃機廣泛采用的氣門組零件。

（1）氣門

在壓縮和燃燒過程中，氣門必須保證嚴密的密封，不能出現漏氣現象。否則內燃機的功率會下降，嚴重時內燃機由于壓縮終了溫度和壓力太低，一直不能著火（點火）啟動。氣門在漏氣情況下工作，高溫燃氣長時間沖刷進氣門，使氣門過熱、燒損。

氣門是在高溫、高機械負荷及冷卻潤滑困難的條件下工作的。氣門頭部還承受氣體壓力的作用。排氣門還要受到高溫廢氣的沖刷，經受廢氣中硫化物的腐蝕。因此，要求氣門具有足夠的強度、耐高溫、耐腐蝕和耐磨損的能力。

氣門分為進氣門和排氣門兩種。頂置式氣門配氣機構有每缸二氣門（一個進氣門、一個排氣門）、三氣門（兩個進氣門、一個排氣門）、四氣門（兩個進氣門、兩個排氣門）和五氣門（三個進氣門、兩個排氣門）之分。二氣門多用于中小功率的內燃機；后三者用于強化程度較高的中、大型內燃機，并以四氣門結構的居多。

進氣門由于工作溫度稍低，一般采用普通合金鋼；排氣門普遍采用耐熱合金鋼。為了節約成本，有時桿部選用一般合金鋼，而頭部采用耐熱合金鋼，然后將兩者焊接在一起。

氣門錐面是氣門與氣門座之間的配合面，氣門的密封性就是依靠兩個表面嚴密貼合來保證的。此外，氣門接受燃氣的加熱量的75%要通過錐面傳出。從有利于傳熱的觀點出發，氣門錐面與氣門座接觸的寬度應愈寬愈好，但是接觸面愈寬，密封的可靠性就愈低，因為工作面上的比壓減小，雜物和硬粒不易被碾碎和排走。所以通常要求氣門錐面密封環帶的寬度在1～2mm之間即可。

氣門頂面上有時還銑出一條較窄的凹槽，主要用于研磨氣門時能將工具插入槽中旋轉氣門。氣門和氣門座配對進行研磨，研磨后氣門即不能互換。

氣門錐面的錐角一般為30°或45°。也有少數內燃發動機做成60°或15°錐角的。錐角愈小，單位面積上的壓力也愈小，氣門與氣門座之間的相對滑動位移也較小，從而使氣門的磨損減輕。因此，有的內燃機進氣門錐面的錐角為30°。

排氣門由于高溫廢氣不斷流過錐面，廢氣中的碳煙微粒容易沉積附著在錐面上，影響密封性。因此，排氣門要求錐面上的比壓要高些，以利于積炭的排除。排氣門大多采用45°的錐角。為了制造和維修方便，不少內燃機進、排氣門錐角均采用45°。

氣門座的錐角有時比氣門錐角大0.5°～1°，使兩者接觸面積更小，可以提高工作面的比壓，從而提高其密封的可靠性。

氣門頭部的直徑對氣流的阻力影響較大。頭部直徑愈大，其流通截面也愈大，因而阻力減小。但直徑的大小受汽缸頂面的限制。考慮到進氣阻力對內燃機性能的影響比排氣阻力更大，所以一般都使進氣門的直徑比排氣門稍大。有些內燃機的進、排氣門直徑相同，以便于制造和維修。但如果兩者材料不同，則必須打上標記，以免裝錯。

氣門頭部邊緣應保持一定的厚度，一般為1～3mm，以防止工作時，由于氣門與氣門座之間的沖擊而損壞或被高溫氣體燒蝕。為了改善氣門頭部的耐磨性和耐腐蝕性，以增強密封性能，有些內燃機在排氣門的密封錐面上，堆焊一層特種合金。

（2）氣門導管

氣門導管的主要功用是保證氣門與氣門座有精確的同心度，使氣門在氣門導管內作往復直線運動。此外，還擔負部分傳熱的任務。

氣門導管在250～300℃的高溫及潤滑不良條件下工作，易磨損。氣門導管一般選用灰鑄鐵或球墨鑄鐵制造；近年來，我國廣泛應用鐵基粉末冶金加工氣門導管，它在潤滑不良的條件下也能可靠工作，磨損很小。

為了防止氣門導管可能落入汽缸中，在導管露出汽缸蓋部分嵌有卡環。氣門與氣門導管之間通常留有一定的間隙。間隙過小會影響氣門的運動，在桿身受熱膨脹時還可能卡死；間隙過大則氣門運動時會有擺動現象，使氣門座磨損不均勻。同時機油也容易從間隙中漏入汽缸，造成燒機油等不良后果。

（3）氣門座圈

氣門座是與氣門密封錐面相配合的支承面，它與氣門共同保證密封性能，同時它還要把氣門頭部的熱量傳遞出去。

氣門座可以直接在汽缸蓋或汽缸體上加工而成。為了提高氣門座表面的耐磨性，有時采用耐熱鋼、球墨鑄鐵或合金鑄鐵制成單獨的零件，然后壓入相應的孔中。這個零件即稱為氣門座圈。鋁制汽缸蓋或汽缸體進、排氣門座都必須采用氣門座圈。對于強化內燃機，排氣門熱負荷高、磨損嚴重，所以排氣門座通常都采用氣門座圈。有的增壓內燃機，由于進氣管中無真空度，所以進氣門處得不到機油的潤滑，而排氣門處由于有廢氣中的油煙可起到潤滑作用，所以進氣門座有座圈，而排氣門座則沒有。

采用氣門座圈的優點是提高了座面的耐磨性和壽命，更換和維修也比較方便。缺點是傳熱條件差，加工要求高，氣門座圈如工作時松脫則會造成事故。

氣門座圈的外表面有制成圓錐形或圓柱形兩種。錐形表面壓入座圈孔時，必須按規定的沖力將其壓緊。氣門座圈如壓入鋁合金汽缸蓋中時，其配合表面常制成溝槽，當氣門座圈壓入后，少量鋁金屬會擠入溝槽中，在對氣門座孔擴口時也會促使鋁合金擠入，以提高座圈在座孔中的緊固程度，防止松脫。

氣門座緊壓在汽缸蓋的座孔中，磨損后可以更換。氣門錐面是氣門與氣門座之間的配合面，氣門的密封性就是依靠兩個表面嚴密貼合來保證的。為了保證密封，每個氣門和氣門座都要配對研磨，研磨后氣門不能互換。

（4）氣門彈簧

氣門彈簧的功用是保證氣門在關閉時能壓緊在氣門座上，而在運動時使傳動件保持相互接觸，不致因慣性力的作用而相互脫離，產生沖擊和噪聲。所以氣門彈簧在安裝時就有較大的預緊力，同時有較大的剛度。

氣門彈簧的材料通常為高碳錳鋼、硅錳鋼和鎳鉻錳鋼的鋼絲，用冷繞成型后，經熱處理而成。為了提高彈簧的疲勞強度，一般用噴丸或噴砂表面處理。氣門彈簧的形狀多為圓柱形螺旋彈簧。

氣門彈簧在工作時可能發生共振。當氣門彈簧的固有振動頻率與凸輪軸轉速或氣門開閉的次數成倍數關系時，就會產生共振。共振會使氣門彈簧加速疲勞損壞，配氣機構也無法正常工作，因而應盡力防止。

通過增加彈簧剛度來提高固有頻率是防止共振的措施之一。但剛度增加，凸輪表面的接觸應力加大，使磨損加快，曲軸驅動配氣機構所消耗的功也增加。有的內燃機采用變螺距彈簧來防止共振。工作時，彈簧螺距較小的一端逐漸疊合，有效圈數不斷減少，因而固有頻率也不斷增加。這種氣門彈簧在安裝時，應將螺距較小的一端靠近氣門座。

不少內燃機采用兩根氣門彈簧來防止共振。內、外兩根氣門彈簧同心地安裝在一個氣門上。采用雙彈簧的優點除了可以防止共振外，同時當一根彈簧折斷時，另一根還可繼續維持工作，不致產生氣門落入汽缸的事故。此外，在保證相同彈力的條件下，雙彈簧的高度可比一根彈簧的小，因而可降低整機高度。采用雙彈簧時，內、外彈簧的螺旋方向應相反，以避免當一根彈簧折斷時，折斷部分卡入另一根彈簧中。

（5）氣門彈簧鎖緊裝置

氣門彈簧裝在氣門桿部外邊，其一端支承在汽缸蓋上，而另一端靠鎖緊裝置固定在彈簧座上。氣門彈簧鎖緊裝置主要有以下三種。

第一種氣門彈簧鎖緊裝置如圖4-3（a）所示，為鎖片式鎖緊裝置。該裝置的氣門桿尾部有凹槽，分為兩半的錐形鎖片卡在凹槽中，鎖片錐形外圓與彈簧座錐孔配合，在彈簧的作用下使鎖片不致脫落。這種氣門彈簧鎖緊裝置應用最為普遍。

第二種氣門彈簧鎖緊裝置如圖4-3（b）所示，為鎖銷式鎖緊裝置。該裝置在氣門桿尾部鉆有小孔，在孔內可插入一根鎖銷，鎖銷兩端露出在氣門桿外。彈簧座先放入氣門桿中。當鎖銷插入孔中后，再將彈簧座提起，鎖銷即卡在彈簧座的凹槽中不致跳出。

第三種氣門彈簧鎖緊裝置如圖4-3（c）所示，為鎖環式鎖緊裝置。該裝置在氣門桿尾端制出錐面，大端靠尾部。彈簧座內孔也做成錐面。為了能使彈簧座裝入氣門桿中，在彈簧座上銑有寬度略大于氣門桿直徑的缺口。氣門桿尾端加粗后，氣門導管如為整體，則氣門無法裝入氣門導管，因此必須分為兩半。顯然這種結構在制造和裝配方面都比較麻煩。

（6）氣門旋轉機構

許多新型內燃發動機，為了改善氣門、氣門座密封錐面的工作條件，延長氣門與氣門座的使用壽命，采用了如圖4-4所示的氣門旋轉機構。氣門導管上套有一個固定不動的支承盤5，支承盤上有若干條弧形凹槽，槽內裝有鋼球4和回位彈簧6，支承盤的上面套有碟形彈簧3、支承圈2和卡環1，氣門彈簧下端座落在支承圈2上。

當氣門處于關閉狀態時，氣門彈簧的預緊力通過支承圈2將碟形彈簧3壓在彈簧支承盤5的上面，此時碟形彈簧3和鋼球4沒有接觸。當氣門處于開啟狀態時，氣門彈簧通過支承圈2壓縮碟形彈簧3，使碟形彈簧3和鋼球4接觸，鋼球4在碟形彈簧3的壓迫下，沿著彈簧支承盤5上的底面為斜坡的凹槽滾動一定距離。這樣，幾個小鋼球就拖動碟形彈簧3、支承圈2、氣門彈簧及氣門轉動一定角度。當氣門關閉后，鋼球和碟形彈簧脫離接觸，在回位彈簧的作用下回到坡面的高點上。氣門每開啟一次，就旋轉一定角度，從而減少氣門座合面的積炭，改善密封性，并減少氣門與氣門座局部過熱與不均勻磨損。氣門旋轉機構多用于高速、大功率內燃機的進氣門上。

4.1.2.2 氣門傳動組

氣門傳動組主要由凸輪軸、正時齒輪、挺柱、推桿、搖臂和搖臂軸等零部件組成。氣門傳動組的功用是按照規定時刻（配氣定時）和次序（發火或點火次序）打開和關閉進、排氣門，并保證一定的開度。

（1）凸輪軸與正時齒輪

凸輪軸是氣門傳動組的主要零件，氣門開啟和關閉的過程主要是由它來控制。凸輪軸的結構如圖4-5所示，其主要配置有各缸進、排氣凸輪、凸輪軸軸頸以及驅動附件（如機油泵）的螺旋齒輪或偏心齒輪。凸輪軸上各凸輪的相互位置按發動機規定的發火次序排列。根據各凸輪的相對位置和凸輪軸的旋轉方向，即可判斷發動機的發火次序。為保證內燃機噴油（或點火）準時可靠，凸輪軸和曲軸必須保持一定的正時關系。

凸輪軸承受周期性沖擊載荷。凸輪與挺柱之間有很高的接觸應力，其相對滑動速度也很高，而潤滑條件則較差。因此凸輪工作表面磨損較嚴重，還可能出現擦傷、麻點等不正常磨損情況。凸輪軸一般用優質鋼模鍛而成。近年來廣泛采用合金鑄鐵和球墨鑄鐵鑄造。大多數凸輪軸做成整體式，即各缸進、排氣凸輪都在同一根軸上加工而成。

凸輪軸由曲軸驅動。由于凸輪軸與曲軸間有一定距離，中間必須通過傳動件來傳動。目前傳動方式主要有齒輪式傳動和鏈條式傳動兩種。由于齒輪式傳動方式工作可靠，壽命較長而應用最廣。齒輪式傳動方式通常在曲軸齒輪和配氣正時齒輪之間加裝中間齒輪，使齒輪直徑減小，以免機體橫向尺寸增大。

為了使齒輪嚙合平順，減少噪聲，正時齒輪一般采用斜齒，其傾斜角度約為10°，曲軸上的正時齒輪多用合金鋼制造，而凸輪軸上的正時齒輪多用夾布膠木或工程塑料制成。

由于斜齒輪傳動產生的軸向力，或由于工程機械加速都可能使凸輪軸發生軸向竄動。軸向竄動會引起配氣正時不準，因此，對凸輪軸必須加以軸向定位。

常見的凸輪軸軸向定位的方法有以下兩種。

①止推片軸向定位　如圖4-6所示，凸輪軸止推片4用螺釘固定在汽缸體上，止推片與正時齒輪之間應留有適當的間隙，此間隙的大小通常為0.05～0.20mm，作為零件受熱膨脹時的余地。此間隙的大小可通過更換隔圈5來調整。

②推力軸承軸向定位　如圖4-7所示，凸輪軸的第一道軸承為推力軸承，裝在軸承座孔內并用螺釘固定在機體上，其端面與凸輪軸的凸緣隔圈之間應留有適當的間隙。當凸輪軸軸向移動其凸緣通過隔圈碰到推力軸承時便被擋住。6135柴油機就是采用這種凸輪軸軸向定位裝置。

凸輪軸通常采用齒輪驅動，齒輪裝在凸輪軸前端，與曲軸上的齒輪直接或間接嚙合，稱為正時齒輪。對于四沖程內燃機，每完成一個工作循環，曲軸旋轉兩周，各缸進、排氣門各開啟一次，凸輪軸只旋轉一周，其傳動比為2∶1。曲軸上的正時齒輪經過一個或兩個中間齒輪，再傳到凸輪軸上的正時齒輪。

在裝配凸輪軸時，必須對準各對齒輪的正時記號，才能保證氣門按規定時刻開閉，柴油機的噴油泵按規定時刻供油（或汽油機的分電器按規定時刻點火）。圖4-8所示為6135柴油機傳動齒輪裝配定時關系圖。

（2）挺柱

挺柱的作用是將凸輪的推力傳給氣門或推桿。

挺柱由鋼或鑄鐵制成。一般制成空心圓柱體形狀，這樣既減輕重量，又可獲得較大壓力面積，以減小單位面積上的側壓力。推桿的下端即坐落在挺柱孔內。

為了使挺柱工作表面磨損均勻，挺柱中心線相對于凸輪側面的對稱線通常要偏移1～3mm，如圖4-9所示。或者將挺柱底面做成半徑為700～1000mm的球面，而凸輪型面則略帶錐度（約為7'30″～10'），如圖4-10所示。這樣，當凸輪旋轉時，迫使挺柱本身繞軸線旋轉，使挺柱底面和側面磨損都比較均勻。

（3）推桿

在頂置式氣門機構中，由于凸輪軸和氣門是分開設置的，兩者相距較遠，因此采用推桿來傳遞凸輪軸傳來的推力。

推桿一般采用空心鋼管制造，以減輕重量。推桿兩端焊有不同形狀的端頭。上端呈凹球形，氣門搖臂調節螺釘的球頭坐落其中；下端呈圓球形，插在氣門挺柱的凹球形座內。上下端頭多用鋼制成，并經熱處理提高硬度，改善其耐磨性。

（4）搖臂

搖臂是推桿與氣門之間的傳動件，起杠桿作用。

搖臂的兩臂長度不等，長短臂的比例約為a∶b=1.6∶1。長臂端用以推動氣門尾端，因此在一定的氣門開度下，可減小凸輪的最大升程，與氣門尾端接觸的表面做成圓柱面，并經熱處理和磨光。搖臂的短臂端裝有調整氣門間隙的調整螺釘和鎖緊螺母。搖臂軸通常是做成中空的，作為潤滑油道。潤滑油從支座的油道經搖臂軸通向搖臂兩端進行潤滑，如圖4-11所示。為了防止搖臂在工作時發生軸向移動，搖臂軸上兩搖臂之間裝有搖臂軸彈簧。

4.1.3 配氣相位和氣門間隙

（1）配氣相位

原理上內燃機的進氣、壓縮、做功和排氣等過程都是在活塞到達上止點和到達下止點時開始或完成。但是為了進氣更充分，排氣更干凈，進、排氣門要提早打開、延遲關閉。內燃機的進、排氣門開始開啟和關閉終了的時刻以及開啟的延續時間，通常用相對于上、下止點時的曲軸轉角來表示，稱為配氣相位或配氣定時。表示每缸進、排氣配氣相位（正時）關系的環形圖，稱配氣相位（正時）圖，如圖4-12所示。

在上止點附近，進、排氣門同時開啟的角度稱為氣門重疊角（以°CA表示）。由于新鮮氣體（或可燃混合氣）和廢氣流動慣性都很大，雖然進、排氣門同時開啟，但氣流并不互相錯位與混合。只要氣門重疊角取得合適，可以使進氣更充分、排氣更干凈。

氣門重疊角必須根據內燃機具體狀況通過試驗來確定。重疊角過小，達不到預期改善換氣質量的目的，過大則可能產生廢氣倒流現象，降低內燃機的工作性能。

配氣相位要根據內燃機的使用工況和常用轉速來確定。不同的內燃機，其配氣相位是不同的。配氣相位的數值要通過試驗確定。

為保證配氣相位的準確，在曲軸與凸輪軸驅動機構之間通常設有專門的記號，在裝配過程中必須按照相關說明書的要求將記號對準，不得隨意改動（如圖4-8所示）。

（2）氣門間隙

發動機工作時，氣門、推桿、挺柱等零件因溫度升高而伸長。如果在室溫下裝配時，氣門和各傳動零件（搖臂、推桿、挺柱）及凸輪軸之間緊密接觸，則在熱態下，氣門勢必關閉不嚴，造成汽缸漏氣。為保證氣門的密封性，必須在氣門與傳動件之間留出適當的間隙，習慣稱之為“氣門間隙”，并有“冷間隙”與“熱間隙”之分。

氣門傳動組（氣門與挺柱或氣門與搖臂之間）在常溫下裝配時必須留有適當的間隙，以補償氣門及各傳動零件的熱膨脹，此間隙稱為氣門的冷間隙；在發動機正常運轉時（熱狀態下），也需要一定的氣門間隙，保證凸輪不作用于氣門時，氣門能完全密閉。發動機在熱態下的氣門間隙稱為氣門的熱間隙。

在內燃機使用過程中，由于零件的磨損與變形，氣門間隙會逐漸增大，促使進、排氣門遲開、早關，導致進、排氣的時間變短，進氣不足，排氣不凈，致使內燃機的動力性與經濟性下降，同時使各零件之間的撞擊與磨損加劇，噪聲增大；若氣門間隙過小，則會引起氣門密封不嚴而漏氣，導致內燃機功率下降，油耗增加，甚至燒壞氣門零件。

因此，在使用過程中，應定期檢查和調整氣門間隙。內燃機的氣門間隙一般由制造廠給出，各機型都有具體規定。在常溫下（冷間隙），一般進氣門間隙在0.20～0.35mm之間，排氣門間隙在0.30～0.40mm范圍內。有的發動機只規定了冷間隙，此時的冷間隙數值能保證發動機在熱機狀態下仍有一定的氣門間隙。有的發動機則分別規定了冷間隙和熱間隙。裝配時應將氣門間隙調整到規定數值。

調整發動機氣門間隙最好在冷機狀態下，氣門完全關閉時進行。因為在熱機狀態下，由于內燃機工作時間的長短不同，其機溫也有所差別，氣門間隙的大小不好把握。調整時，首先轉動曲軸使要調整缸的活塞恰好處于壓縮沖程上止點位置，此時，進、排氣門處于完全關閉狀態，然后用螺釘旋具和厚薄規調整該缸的進、排氣門間隙，調整完畢后按同樣方法依次調整其他缸。調整氣門間隙的方法是：先松開調整螺釘的鎖緊螺母，再旋轉調整螺釘，用規定數值的厚薄規插入氣門桿與搖臂之間進行測量，使氣門間隙符合規定，調整好后再將鎖緊螺母擰緊，復查一次，直至氣門間隙在規定的范圍內。

4.1.4 進排氣系統

內燃機的進排氣系統主要由空氣濾清器，進、排氣管和消聲器等組成。

（1）空氣濾清器

空氣濾清器的功用是濾除空氣中的灰塵及雜質，將清潔的空氣送入汽缸內，以減少活塞連桿組、配氣機構和汽缸磨損。對空氣濾清器的要求是：濾清效率高、阻力小、應用周期長且保養方便。空氣濾清器的濾清方式有以下三種。

①慣性式（離心式）：利用灰塵和雜質在空氣成分中密度大的特點，通過引導氣流急劇旋轉或拐彎，從而在離心力的作用下，將灰塵和雜質從空氣中分離出來。

②油浴式（濕式）：使空氣通過油液，空氣雜質便沉積于油中而被濾清。

③過濾式（干式）：引導氣流通過濾芯，使灰塵和雜質被黏附在濾芯上。

為獲得較好的濾清效果，可采用上述兩種或三種方式的綜合濾清。空氣濾清器由濾清器殼和濾芯等組成，濾清器殼由薄鋼板沖壓而成。濾芯有金屬絲濾芯和紙質濾芯等。圖4-13所示為國產135系列4、6缸直列柴油機和12缸V型柴油機用空氣濾清器。

圖4-13（a）為135系列4、6缸直列柴油機用空濾器，這種紙質濾芯（金屬絲濾芯）濾清器目前應用廣泛，濾芯普遍采用樹脂處理的微孔濾紙制成，濾芯上下兩端由塑料密封墊圈密封。柴油機工作時，空氣經紙質濾芯濾清后，從接管沿進氣管被吸入汽缸。這種濾清器結構簡單、成本低、維護方便；但用于塵粒量大的環境時，工作壽命較短，且不甚可靠。

圖4-14所示為國產135系列增壓柴油機用的旋流紙質空氣濾清器。它主要由旋流粗濾器4（內部豎置有旋流管）、紙質主精濾芯2和安全濾芯1三部分組成。空氣經旋流管離心力的作用，使空氣中的絕大部分塵粒落入旋流管下端的集塵室5，塵粒再經排氣引射管（安裝在消聲器出口處，如圖4-15所示）隨柴油機廢氣一起排出。粗濾后較清潔的空氣通過紙質精濾及安全濾芯濾清，最后進入發動機汽缸。

當采用上述旋流紙質空氣濾清器時，消聲器出口處需預裝有與之匹配的排氣引射管，當柴油機排氣時，高速氣流通過喉管處使廢氣氣流增大，于是便形成了真空度。利用此真空度將空濾器集塵室中的塵粒經橡膠管吸入排氣引射管內，并與柴油機廢氣一起排出。

（2）進排氣管

進排氣管的功用是引導新鮮工質進入汽缸和使廢氣從汽缸排出。進排氣管應具有較小的氣流阻力，以減小進氣和排氣阻力。現代內燃機還要求進排氣管的結構形狀有利于氣流的慣性與壓力脈動效應，以提高充量和排氣能量的利用率。

進排氣管一般用鑄鐵制成。進氣管也有用鋁合金鑄造或鋼板沖壓焊接而成的。進排氣管均用螺栓固定在汽缸上（頂置式配氣機構），其結合處裝有密封襯墊，以防漏氣。內燃機進氣管內的氣流是新鮮空氣（或可燃混合氣），為避免受排氣管加熱而減小充氣量，現代內燃機的進排氣管均布置在機體的兩側，如圖4-16所示為6135柴油機進排氣管結構。三個缸共用一個進氣歧管，各裝一個空氣濾清器。其排氣歧管是由兩段套接而成，在套接處填有石棉繩，以保證密封；有的內燃機排氣歧管對應每一支管開有檢視螺孔，以便測量各缸的排氣溫度和檢查排氣情況，平時用埋頭螺塞封閉。

（3）消聲器

內燃機排出的廢氣在排氣管中流動時，由于排氣門的開閉與活塞往復運動的影響，氣流呈脈動形式，并具有較大的能量。如果讓廢氣直接排入大氣中，會產生強烈的排氣噪聲。消聲器的功用是減小排氣噪聲和消除廢氣中的火星。

消聲器一般是用薄鋼板沖壓焊接而成。

它的工作原理是降低排氣的壓力波動和消耗廢氣流的能量。

一般采用以下幾種方法：

①多次改變氣流方向；

②使氣流多次通過收縮和擴大相結合的流通斷面；

③將氣流分割為很多小的支流并沿不平滑的表面流動；

④降低氣流溫度。

圖4-17所示為6135基本型柴油機的消聲器，它是多腔膨脹共振型（在膨脹筒圓周充填有吸聲的超細玻璃纖維），在標定工況下可使噪聲下降約為30dB（A）。

4.1.5 柴油機的增壓系統

隨著生產的需要和科技水平的不斷提高，對柴油機的要求也越來越高，既要求柴油機輸出功率要大，經濟性要好，而且重量要輕，體積要小。柴油機輸出功率的大小，取決于進入汽缸的燃油和空氣的數量及熱能的有效利用率。由此可知：要提高柴油機的輸出功率，最經濟最有效的辦法是增加進入汽缸的空氣量。在柴油機汽缸容積保持不變的條件下，增加進入汽缸的空氣密度是提高柴油機輸出功率的主要手段。然而，空氣密度與壓力成正比，與溫度成反比，因此，增加進氣壓力，降低進氣溫度都能提高進氣密度，目前柴油機中采用增壓器來提高壓力，采用中冷器降低氣體的溫度。

所謂增壓，即用增壓器（壓氣機）將柴油機的進氣在缸外壓縮后再送入汽缸，以增加柴油機的進氣量，從而提高平均有效壓力和功率。

4.1.5.1 增壓方法

按照驅動增壓器所用能量來源的不同，基本的增壓方法可分為三類：機械增壓系統、廢氣渦輪增壓系統和復合增壓系統三類。除了利用上述三種方法來提高汽缸的空氣壓力外，還有利用進排氣管內的氣體動力效應來提高汽缸充氣效率的慣性增壓系統以及利用進排氣的壓力交換來提高汽缸空氣壓力的氣波增壓器。

（1）機械增壓系統

增壓器（壓氣機）由柴油機直接驅動的增壓方式稱為機械增壓系統。它由柴油機的曲軸通過齒輪、皮帶或鏈條等傳動裝置帶動增壓器旋轉。增壓器通常采用離心式壓氣機或羅茨壓氣機。空氣經壓縮提高其壓力后，再送入汽缸，如圖4-18所示。

由于機械增壓系統壓氣機所消耗的功率是由曲軸提供的，當增壓壓力較高時，所耗的驅動功率也會很大，使整機的機械效率下降。因此，機械增壓系統通常只適用于增壓壓力不超過160～170kPa的低增壓小功率柴油機。

（2）廢氣渦輪增壓系統

廢氣渦輪增壓是利用柴油機排出的廢氣能量來驅動增壓器，將空氣壓縮后再送入汽缸的一種增壓方法。柴油機采用廢氣渦輪增壓后，可提高輸出功率30%～100%以上，同時還可減少單位功率的質量，縮小外形尺寸，節省原材料，降低燃油消耗率，增大柴油機扭矩，提高載荷能力以及減少排氣對大氣的污染等優點，因而得到廣泛應用。尤其在高原地區，因氣壓低、空氣稀薄，導致輸出功率下降，一般當海拔高度每升高1000m，功率將下降8%～10%。若裝設渦輪增壓器后，可以恢復原輸出功率，其經濟效果尤為顯著。

柴油機廢氣渦輪增壓系統如圖4-19所示。將柴油機排氣管接到增壓器的渦輪殼上，柴油機排出的具有500～650℃高溫和一定壓力的廢氣經渦輪殼進入噴嘴環，噴嘴環的通道面積由大逐漸變小，因而可以做到：雖然廢氣的壓力和溫度在下降，但其流速在不斷提高，高速的廢氣流，按一定的方向沖擊渦輪，使渦輪高速旋轉。廢氣的壓力、溫度和速度越高，渦輪的轉速就越快。通過渦輪的廢氣最后排入大氣。

廢氣渦輪增壓器按進入渦輪的氣流方向，可分為軸流式和徑流式兩種。

①徑流式渦輪增壓器　徑流式渦輪增壓器的結構如圖4-20所示。它主要是由渦殼、噴嘴環、渦輪和轉子軸等組成。徑流式渦輪增壓器工作時，柴油機排出的廢氣進入增壓器的渦輪殼后，沿增壓器轉子軸的軸線垂直平面（即徑向）流動。這是由于當氣流通過噴嘴時，一部分壓能和熱能轉換為動能，由此獲得高速氣流。由噴嘴環出來的高速氣流按一定方向流入葉輪，在葉輪中被迫沿著彎曲通道改變流動方向，在離心力的作用下，氣流質點投向葉片凹面，壓力增加而相對速度降低；葉片凸面上則相對速度提高而壓力降低，因此，作用在葉片凹凸面上的氣流合力（即壓力差）在渦輪軸上形成推動葉片旋轉的力矩，因而從葉輪流出的廢氣經由渦輪中心沿軸排出。中型柴油機大多采用徑流式渦輪增壓器。

②軸流式渦輪增壓器　軸流式渦輪增壓器工作時，柴油機排出的廢氣進入增壓器的渦輪殼之后，氣流沿著增壓器的轉子軸的軸線方向流動，故稱軸流式。大型柴油發動機大多采用這種形式的增壓器。

廢氣渦輪增壓器按是否利用柴油發動機排氣管內廢氣的脈沖能量，可分為恒壓式和脈沖式兩種增壓器。

①恒壓式廢氣渦輪增壓器是將多缸柴油機全部汽缸的排氣歧管接到一根排氣總管內，再與增壓器渦輪殼相連接，而廢氣以某一平均壓力順著一個單一的渦輪殼進氣道通向整個噴嘴環，這種增壓器常用于大功率高增壓柴油機中。

②脈沖式廢氣渦輪增壓器的排氣系統示意圖如圖4-21所示。以六缸柴油發動機為例來說明，其發火次序為1—5—3—6—2—4，通常將1、2、3缸的排氣道連接到一根排氣歧管上，沿渦輪殼上的一條進氣道通向半圈噴嘴環；而將4、5、6缸的排氣道連接到另一根排氣歧管，沿渦輪殼上的另一條進氣道，通向另半圈噴嘴環，這樣各缸排氣互不干擾，這種結構可以充分利用廢氣的脈沖能量，并能利用壓力高峰后的瞬間真空掃氣，防止某缸排氣壓力波高峰倒流到正在吸氣的另一缸中，因此，在同一根排氣歧管的各汽缸發火間隔應大于180°曲軸轉角。目前，中型柴油機廢氣渦輪增壓均采用脈沖式增壓器。

廢氣渦輪增壓器的主要性能指標是空氣壓力升高比，簡稱壓比，用π_k表示，它是壓氣機出口空氣壓力p_k和壓氣機進口空氣壓力p_l的比值，即

π_k=p_k/p_l

壓氣機出口空氣壓力p_k值越大，進入汽缸的空氣密度也越大。渦輪增壓器按壓比大小可分為低、中、高增壓三種：

低增壓π_k<1.7；中增壓π_k=1.7～2.5；高增壓π_k>2.5。

一般π_k>1.8的中增壓，就要采用中冷器，以降低壓氣機出口空氣溫度，使進入汽缸的空氣密度增大。目前，柴油發動機上普遍采用低、中增壓徑流脈沖式廢氣渦輪增壓器。高增壓柴油機已成為發展趨勢。

（3）復合增壓系統

在一些柴油機上，除了應用廢氣渦輪增壓器外，同時還應用機械增壓器，這種增壓系統成為復合增壓系統，如圖4-22所示。大型二沖程柴油機，常采用復合式增壓系統。該系統中的機械驅動增壓器用于協助廢氣渦輪增壓器工作，以使在低負荷、低轉速時獲得較高的進氣壓力，從而保證二沖程柴油機在啟動、低速和低負荷時所必需的掃氣壓力。有時，對排氣背壓較高的水下運行的柴油機，要得到較高的增壓壓力也常采用這種系統。

復合增壓系統有兩種形式：一種是串聯增壓系統，柴油機的廢氣進入廢氣渦輪帶動離心式壓氣機，以提高空氣壓力，然后送入機械增壓器中再增壓，進一步提高空氣壓力后進入柴油機燃燒室中；另一種是并聯增壓系統，廢氣渦輪增壓器和機械增壓器分別將空氣壓力提高后，進入柴油機燃燒室中。

（4）其他增壓方法

①慣性增壓系統　這種增壓方式是利用進氣和排氣管內的氣體，由于進排氣過程中會產生一定的動力效應——氣體的慣性效應和波動效應，以改善柴油機的換氣過程和提高汽缸的充氣效率，圖4-23為慣性增壓系統示意圖。系統中僅適當加長進氣管，再加一個穩壓箱，不需專門的增壓設備和改變發動機結構尺寸。因此，慣性增壓系統易于在原機上安裝實現。這種增壓方法常用于小型高速柴油機上，尤其適用于負荷及轉速變化范圍不大的柴油機。一般可增加功率20%，降低燃油消耗10%左右，并可降低排氣溫度和改善尾氣排放。

②氣波增壓器　氣波增壓器是將柴油發動機排出的高壓廢氣直接與低壓進氣接觸，在相互不混合的情況下，利用氣波（壓縮波和膨脹波）原理，高壓廢氣的能量通過壓力波傳遞給低壓進氣，使低壓進氣壓縮，進氣壓力提高。實際上它是一個壓力轉換器。氣波增壓器的結構及其與柴油發動機的配置如圖4-24所示。

氣波增壓器主要由空氣定子5、轉子6、轉子外殼7和燃氣定子8等組成。在空氣定子5上設有低壓空氣入口及高壓空氣出口；在燃氣定子8上設有高壓燃氣入口和低壓燃氣出口；轉子6上裝有許多直葉片，構成了狹長的通道；轉子外殼7將轉子6包在里面。當轉子由曲軸通過V帶傳動4旋轉時，大氣中的低壓空氣進入轉子通道的左端，柴油機排出的高壓燃氣進入轉子通道的右端。高壓燃氣對低壓空氣產生一個壓力波進行壓縮，使空氣壓力增加，得到增壓的空氣，經出口進入柴油機的進氣管2充入汽缸，降低了壓力的燃氣經出口進入柴油機排氣消聲器排放到大氣中。

氣波增壓器的結構簡單、制造方便、不需要耐熱合金材料，具有良好的工作適應性、低速扭矩高、加速性能好、最高轉速較高，而且還具有環境污染小等優點，適用于中小型柴油機，尤其是車用柴油機上。氣波增壓器的缺點是：其本身是一個噪聲源，噪聲較大；它需要曲軸來驅動，安裝位置受限制；其重量和體積較大。

4.1.5.2 中冷器

目前，中、高增壓柴油發動機已普遍裝置中冷器。中冷器實質上是一個熱交換器，它安裝在渦輪增壓器和燃燒室之間。當柴油機增壓器的增壓比較高時，進氣溫度也較高，使進氣密度有所下降。為此，需要在發動機進氣系統中安裝中冷器。中冷器用于冷卻增壓空氣，降低增壓后的進氣溫度。增壓空氣在中冷器中的溫降一般為25～60℃。一方面可以提高充氣密度，另一方面還可降低進氣終了的汽缸溫度和整個循環的平均溫度。

發電用增壓柴油機一般采用“水冷式中冷器”。在安裝渦輪增壓器和中冷器后，柴油機的潤滑油路和冷卻水路也根據具體情況作相應的改變，以適應增壓和中冷的需要。KT-1150型康明斯柴油機的中冷器如圖4-25所示。中冷器由一個殼和一個內芯組成，中冷器殼作為發動機進氣歧管的一部分，內芯用管子制成，發動機冷卻液在其中循環。空氣在進入發動機燃燒室以前，流過芯子而受到冷卻。這樣，由于應用了中冷器，更好地控制了發動機的進氣溫度（冷卻），從而改善了發動機的燃燒狀況。

4.1.5.3 廢氣渦輪增壓器的結構與工作原理

下面以徑流式廢氣渦輪增壓器為例講述其結構與工作原理。廢氣渦輪增壓器由廢氣渦輪和壓氣機兩部分組成，如圖4-26所示。右邊為廢氣渦輪，左邊為壓氣機，兩者同軸。渦輪機殼用耐熱合金鑄鐵鑄造而成，進氣端與汽缸排氣管道相連出氣口端與柴油機排煙口相連。壓氣機進氣口端與柴油機進氣口的空氣濾清器相連，出氣口端與汽缸進氣管道相連。

（1）廢氣渦輪

廢氣渦輪通常由渦輪殼、噴嘴環和工作葉輪等組成。噴嘴環由噴嘴內環、外環和噴嘴葉片等組成。噴嘴葉片形成的通道從進口到出口成收縮狀。工作葉輪由轉盤和葉輪組成，在轉盤外緣固定有工作葉片。一個噴嘴環與相鄰的工作葉輪組成一個“級”，僅有一個級的渦輪稱單級渦輪，絕大多數增壓器采用單級渦輪。

廢氣渦輪的工作原理如圖4-26所示。柴油機工作時，廢氣通過排氣管，以一定的壓力和溫度流入噴嘴環，由于噴嘴環的通道面積逐漸減小，所以噴嘴環內廢氣的流速增高（盡管其壓力和溫度降低）。從噴嘴出來的高速廢氣進入葉輪葉片中的流道，氣流被迫轉彎。由于離心力的作用，氣流壓向葉片凹面而企圖離開葉片，使葉片凹、凸面產生壓力差，作用在所有葉片上壓力差的合力對轉軸產生一個沖擊力矩，使葉輪沿該力矩的方向旋轉，隨后從葉輪流出的廢氣經渦輪中心從排氣口排出。

（2）壓氣機

壓氣機主要由進氣道、工作葉輪、擴壓機和渦輪殼等組成。壓氣機與廢氣渦輪同軸，由廢氣渦輪帶動，使工作渦輪高速旋轉。工作渦輪是壓氣機的主要部件，通常它由前彎的導風輪和半開式工作輪組成，兩部分分別裝在轉軸上。在工作輪上沿徑向布置著直葉片，各葉片間形成擴張型的氣流通道。由于工作輪的旋轉使進氣因離心力的作用而受到壓縮，被拋向工作輪的外緣使空氣的壓力、溫度和速度均升高。空氣流經擴壓器時，由于擴壓作用將空氣的動能轉化成壓力能，在排氣渦輪殼中，空氣的動能逐漸轉化成壓力能。就這樣通過壓氣機使柴油機的進氣密度得到了顯著提高。

4.1.5.4 增壓柴油機的性能

（1）柴油機增壓后性能的改善

柴油機采用廢氣渦輪增壓后，其性能的改善主要表現在以下幾個方面。

①動力性得到了提高　增壓后，進入汽缸的循環空氣量大大增加，循環供油量便可相應增加，因而柴油機功率明顯提高。渦輪增壓可使柴油機功率提高30%～100%，甚至更高。與此同時，增壓后，由于氣體爆發壓力的增大，使摩擦損失有所增加，但柴油機有效功率增加得更多，因而使柴油機機械效率有所提高。因此，增壓使得柴油機的動力性能大大提高。

②經濟性能得到了改善　增壓后機械效率的提高使燃油消耗率有所降低。進氣壓力的提高不僅使掃氣過程得以改善，且使泵吸功變為正功，也將使燃油消耗率下降。此外，增壓后通常過量空氣系數將相應提高，使燃燒更趨完善，也促使燃油消耗率有所下降。

③有害排放物有所降低　增壓后，由于過量空氣系數提高，使得混合氣中含氧量相對增加，燃燒更為完全，廢氣中一氧化碳、碳氫化合物及煙度的含量有所下降。但是增壓后，由于進氣溫度上升，使得尾氣排放中的NO_x的含量有所增加。此時，若采用增壓中冷技術，則尾氣排放中NO_x的含量也會有所降低。因此，從整體上看，增壓有利于降低排放。

（2）柴油機增壓后帶來的問題

柴油機增壓后也將帶來一些問題，主要表現為以下兩點。

①機械負荷增加　爆發壓力是衡量柴油機機械負荷的主要標志之一。增壓后壓縮壓力及爆發壓力均有所提高，使機件載荷增大，磨損加劇。因此，應對增壓后的爆發壓力進行控制，并強化主要受力機件（曲柄連桿機構、曲軸和軸承等）的結構或材質。

②熱負荷增加　由于增壓后進氣量和噴油量的增加，使得總的燃燒能量增加，柴油機的熱負荷加大；與此同時，由于進入增壓柴油機汽缸的壓縮空氣溫度提高，使得最高燃燒溫度和循環的平均溫度提高；而且由于工質的密度增大，使得工質向壁面間的傳熱增大。以上這些因素都使得活塞組、汽缸（壁）和排氣門等零部件的熱負荷加大，材料強度降低。實踐證明，熱負荷的影響往往比機械負荷更大，成為限制提高柴油機增壓度的主要因素。