第3章

配氣機構

3.1 概述

3.1.1 配氣機構的功用及組成

配氣機構是進、排氣管道的控制機構，它按照汽缸的工作順序和工作過程的要求，準時地開閉進、排氣門，向汽缸供給可燃混合氣（汽油機）或新鮮空氣（柴油機）并及時排出廢氣。另外，當進、排氣門關閉時，保證汽缸密封。

四沖程發動機都采用氣門式配氣機構。氣門式配氣機構由氣門組和氣門傳動組兩部分組成，見圖3-1每組的零件組成則與氣門的位置、凸輪軸的位置和氣門驅動形式等有關。現代汽車發動機均采用頂置氣門，即進、排氣門置于汽缸蓋內，倒掛在汽缸頂上。

3.1.2 配氣機構的分類

按凸輪軸的布置位置，可分為凸輪軸下置式、凸輪軸中置式和凸輪軸上置式；按曲軸和凸輪軸的傳動方式，可分為齒輪傳動式、鏈條傳動式和齒形帶傳動式；按每缸氣門數目，有二氣門式、三氣門式、四氣門式和五氣門式。

1.凸輪軸布置方式（圖3-2）

凸輪軸下置式，主要缺點是氣門和凸輪軸相距較遠，因而氣門傳動零件較多，結構較復雜，發動機高度也有所增加。

凸輪軸中置，凸輪軸位于汽缸體的中部由凸輪軸經過挺柱直接驅動搖臂，省去推桿，這種結構稱為凸輪軸中置配氣機構。

凸輪軸上置，凸輪軸布置在汽缸蓋上。

凸輪軸上置有兩種結構，一是凸輪軸直接通過搖臂來驅動氣門，這樣既無挺柱，又無推桿，往復運動質量大大減小，此結構適于高速發動機。另一種是凸輪軸直接驅動氣門或帶液力挺柱的氣門，此種配氣機構的往復運動質量更小，特別適應于高速發動機。

2.凸輪軸傳動方式（圖3-3）

凸輪軸下置、中置的配氣機構大多采用圓柱形正時齒輪傳動，一般從曲軸到凸輪軸只需一對正時齒輪傳動，若齒輪直徑過大，可增加一個中間齒輪。為了嚙合平穩，減小噪聲，正時齒輪多用斜齒。

鏈條與鏈輪的傳動適用于凸輪軸上置的配氣機構，但其工作可靠性和耐久性不如齒輪傳動。近年來高速汽車發動機上廣泛采用齒形皮帶來代替傳動鏈，齒形帶傳動噪聲小、工作可靠、成本低。

3.1.3 每缸氣門數及其排列方式

1.每缸兩個氣門方式

一般發動機較多地采用每缸兩個氣門，即一個進氣門和一個排氣門。這種結構在可能的條件下應盡量加大氣門的直徑，特別是進氣門的直徑，以改善汽缸的充氣，但受燃燒室尺寸的限制。

2.每缸四個氣門方式

每缸有兩個進氣門和兩個排氣門。采用這種形式后，進氣門總的通過斷面較大，充氣效率較高，排氣門的直徑可適當減小，使其工作溫度相應降低，提高了工作可靠性。此外，采用四氣門后還可適當減小氣門升程，改善配氣機構的動力性，四氣門的汽油機還有利于改善排放，見圖3-4。

當每缸采用四個氣門時，氣門排列的方案有兩種：① 同名氣門排成兩列（圖3-4（a），由一個凸輪通過T形驅動桿同時驅動，并且所有氣門都可以由一根凸輪軸驅動。在這種布置中，兩同名氣門在氣道中的位置不同，可能會使二者的工作條件和工作效果不一致。② 同名氣門排成同一列（圖3-4（b））則彌補了上述缺點，但一般要用兩根凸輪軸。

（a）同名氣門排列成兩列 （b）同名氣門排列成一列

圖3-4 每缸四氣門的布置示意圖

1-T形桿；2-氣門尾端的從動盤

3.每缸五個氣門方式

這五個氣門包括3個進氣門和2個排氣門，見圖3-5。

1-進氣門；2-火花塞；3-排氣門

采用五個氣門可進一步降低燃油消耗和排放污染，提高動力性和改善噪聲特性，另外還可降低成本。與四氣門相比，采用每缸五氣門的發動機其氣門流通截面更大，充氣效率更高。當每缸采用五氣門時，氣門排列的方案通常是同名氣門排成一列，分別用進氣凸輪軸和排氣凸輪軸驅動。

3.1.4 配氣相位

配氣相位就是用曲軸轉角表示的進、排氣門的實際開閉時刻和開啟的持續時間。用曲軸轉角的環形圖來表示，這種圖稱為配氣相位圖，見圖3-6。

理論上四沖程發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閉；排氣門則應當在活塞處于下止點時開啟，在上止點時關閉。進氣時間和排氣時間各占180°曲軸轉角。

但是實際發動機的曲軸轉速都很高，活塞每一行程歷時都很短，往往會使發動機充氣不足或排氣不干凈，從而使發動機功率下降。

因此，采取延長進、排氣時間的方法，即：氣門的開啟和關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角，以改善進、排氣狀況，從而提高發動機的動力性。

1.進氣門的配氣相位

如圖3-6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重又上行，即曲軸轉到超過活塞下止點位置以后一個角度β時，進氣門才關閉，稱為進氣滯后角。這樣，整個進氣過程中，進氣門開啟持續時間的曲軸轉角，即進氣持續角為180°+α+β。

進氣門早開晚關的目的，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汽缸。當活塞到達下止點時，汽缸內壓力仍低于大氣壓力，在壓縮行程開始階段，活塞上移速度較慢的情況下，仍可以利用氣流較大的慣性和壓力差繼續進氣，因此進氣門晚關是利于充氣的。發動機轉速越高，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。經過整個排氣行程，在活塞越過上止點后，排氣門才關閉，排氣門關閉的延遲角δ稱為排氣滯后角。這樣，整個排氣過程中，排氣門開啟持續時間的曲軸轉角，即排氣持續角為180°+γ+δ。排氣門遲關，可以使廢氣排放得較干凈。

3.氣門的疊開

同一汽缸的工作行程順序是排氣行程后，接著便是進氣行程。因此，在實際發動機中，在進排氣行程的上止點前后，由圖3-6可見，由于進氣門在上止點前即開啟，而排氣門在上止點后才關閉，這就出現了在一段時間內排氣門與進氣門同時開啟的現象，這種現象稱為氣門重疊，重疊的曲軸轉角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，這將有利于換氣。

3.1.5 氣門間隙

為保證氣門關閉嚴密，通常發動機在冷態裝配時，在氣門桿尾端與氣門驅動零件（搖臂、挺柱或凸輪）之間留有適當的間隙，這一間隙稱為氣門間隙，見圖3-7。發動機工作時，氣門因溫度升高而膨脹，如果氣門及其傳動件之間，在冷態時無間隙或間隙過小，則在熱態下，氣門及其傳動件的受熱膨脹勢必會引起氣門關閉不嚴，造成發動機在壓縮和做功行程中漏氣，從而使功率下降，嚴重時甚至不易啟動。為了消除這種現象，通常留有適當的氣門間隙，以補償氣門受熱后的膨脹量。氣門間隙的大小由發動機制造廠根據試驗確定，一般在冷態時，進氣門的間隙為0.25～0.30mm，排氣門的間隙為0.30～0.35mm。氣門間隙過大，將影響氣門的開啟量，同時在氣門開啟時產生較大的沖擊響聲。為了能對氣門間隙進行調整，在搖臂（或挺柱）上裝有調整螺釘及其鎖緊螺母。一些中、高級轎車由于裝用液力挺柱，故不預留氣門間隙。