项目三 配气机构的构造与维修
任务一 配气机构的认知
一、配气机构的功用和组成
配气机构的功用是按照发动机每一汽缸内所进行的工作循环或点火次序的要求，定时开启和关闭各汽缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气（汽油机）或空气（柴油机）得以及时进入汽缸，废气得以及时从汽缸中排出。进入汽缸内的可燃混合气或空气对发动机性能的影响很大。进气量越多，发动机的转矩越大、功率越高。
配气机构如图3-1所示。配气机构由气门组和气门传动组组成。气门组包括气门、气门座、气门导管和气门弹簧等部件。气门传动组主要包括凸轮轴、凸轮轴正时带轮、正时齿带、张紧轮、液压挺柱等部件。
图3-1 配气机构
发动机工作时，曲轴通过曲轴正时带轮、正时齿带、凸轮轴正时带轮驱动凸轮轴旋转，当凸轮轴转到凸轮的凸起部分顶到液压挺柱时，液压挺柱压缩气门弹簧，使气门离座，即气门开启。当凸轮凸起部分离开液压挺柱时，气门便在气门弹簧力的作用下上升而落座，气门关闭。
由于四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转2周，而各缸进、排气门各开启1次，完成一次进气和排气，此时凸轮轴只旋转1周。因此，曲轴与凸轮轴的转速比为2∶1，即凸轮轴正时带轮的齿数是曲轴正时带轮齿数的2倍。
二、配气机构主要部件的构造
（一）气门组
气门及其相关零件称之为气门组，气门组的作用是实现汽缸的密封。配置一根内弹簧的标准型气门组如图3-2所示。
图3-2 气门组
1．气门
（1）气门结构。气门的功用是与气门座相配合，对汽缸进行密封。气门由头部和杆部两部分组成（图3-3），头部用来封闭汽缸的进、排气道，杆部用来为气门的运动起导向作用。
图3-3 气门结构
气门头部。气门头部的形状有平顶、喇叭形顶和球面顶，如图3-4所示。使用最多的是平顶气门头部，进、排气门均可采用此种形式。喇叭形顶头部多用于进气门，球面顶气门头部适用于排气门。
图3-4 气门头部结构
气门头部与气门座圈接触的工作面是与杆部同心的锥面，通常将这一锥面与气门顶部平面的夹角称为气门锥角，如图3-5所示，一般制作成30°或45°。
图3-5 气门锥角
考虑到进气阻力比排气阻力对发动机性能的影响大得多，为尽量减小进气阻力，一般进气门的尺寸略大于排气门，这是因为进气是利用活塞下移产生的真空来实现的，进气门大些，可提高进气效率；排气是通过活塞上升将废气排出的，排气门即使是小一些也不会造成太大的影响。
气门杆。气门杆是圆柱形，在气门导管中不断上下往复运动。气门杆尾部结构取决于气门弹簧座的固定方式，常见的结构形式如图3-6所示。
图3-6 气门弹簧座的固定方式
1-气门杆；2-气门弹簧；3-弹簧座；4-锁片；5-锁销
2．气门数
在短时间内是否能够将尽量多的气体吸入和排出，在很大程度上影响着发动机的整体性能。从气门在有限的燃烧室表面积中所占的面积来看，与具有两个气门的汽缸相比，进、排气门越多，则气门面积之和就越大，进、排气效率越高，而且可以使单个气门的体积减小、质量减轻。但气门数越多，其结构越复杂，成本越高。
（1）2气门式（图3-7）。每个汽缸采用一个进气门和一个排气门，一般进气门比排气门大些。桑塔纳2000GSi轿车AJR发动机即采用此种形式。
图3-7 2气门式的结构形式
（2）3气门式（图3-8）。每个汽缸有2个进气门和1个排气门，排气门大对排出高温气有利，能提高发动机排气性能。
图3-8 3气门式的结构形式
（3）4气门式（图3-9）。每个汽缸有2个进气门和2个排气门，两套凸轮轴装置分别控制一个进气门、一个排气门的开闭。卡罗拉（1.6L）轿车发动机即采用4气门结构形式。
图3-9 4气门式的结构形式
（4）5气门式。每个汽缸有3个进气门和2个排气门，并以梅花形状分布，如图3-10所示。捷达王轿车EA113型发动机即采用5气门结构形式。
图3-10 5气门式的结构形式
汽缸盖上的进、排气道与气门锥面相结合的部位称为气门座（图3-11），气门座的锥角和气门锥角相同，一般也是30°或45°。气门座不仅有密封作用，还起到了冷却气门的作用。
图3-11 气门座
3．气门导管
气门导管的功用是为气门的运动导向，保证气门做直线往复运动，使气门与气门座能正确贴合。气门杆与气门导管之间一般留有0.05～0.12mm的间隙，使气门杆能在导管中自由运动（图3-12）。
图3-12 气门导管
4．气门弹簧
气门弹簧的功用保证气门及时落座并与气门座或气门座圈紧密贴合，同时也可防止气门在发动机振动时因跳动而破坏密封。
气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧，如图3-13（a）所示。安装时，气门弹簧的一端支撑在汽缸盖上，而另一端则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末端；为了防止弹簧发生共振，可采用变螺距的圆柱形弹簧，如图3-13（b）所示；大多数高速发动机采用一个气门装有同心安装的内外两根气门弹簧，如图3-13（c）所示，这样不但可以防止共振，而且当一根弹簧折断时，另一根仍可维持工作。此外，装有两根气门弹簧还能减小气门弹簧的高度。当装有两根气门弹簧时，气门弹簧的螺旋方向和螺距应各不相同，这样可以防止折断的弹簧圈卡入另一个弹簧圈内。
图3-13 气门弹簧
（a）圆柱形螺旋弹簧（b）变螺距的圆柱形弹簧（c）双气门弹簧
（二）气门传动组
气门传动组的作用是使气门按发动机配气相位规定的时刻及时开闭，并保证规定的开启时间和开启高度。由于配气机构的布置形式多样，气门传动组的差别也很大。
1．凸轮轴
（1）凸轮轴结构。凸轮轴主要由各缸进、排气凸轮和凸轮轴轴颈等组成，如图3-14所示。进、排气凸轮用于使气门按一定的工作次序和配气相位及时开闭，并保证气门有足够的升程。
图3-14 凸轮轴的结构
（2）凸轮轴驱动方式。凸轮轴的旋转是依靠曲轴带动的，一般采用链条驱动式或正时齿带驱动式，特殊的赛车用发动机使用的是正时齿轮驱动式。
A．链条驱动式（图3-15）。凸轮轴位于汽缸盖上，由曲轴带动的曲轴链轮通过正时链条驱动凸轮轴上的链轮旋转，从而带动凸轮轴旋转。链条导槽和链条张紧装置将张力传递至链条，以调节链条的张紧度。卡罗拉（1.6L）轿车发动机、五菱荣光汽车发动机即采用链条驱动形式。
图3-15 链条驱动式
B．正时齿带驱动式（图3-16）。由于正时齿带是由强度大、不易变形的纤维和橡胶制成，具有质量轻、无噪声，不需要润滑等优点，所以被广泛使用。桑塔纳2000GSi轿车AJR发动机即采用此种形式。
图3-16 正时齿带驱动式
C．齿轮驱动式（图3-17）。齿轮驱动式是在曲轴和凸轮轴之间用齿轮将曲轴的旋转传递到凸轮轴的驱动形式，具有传动准确性更优、高速时可靠性高等优点，但制造精度高、成本高，现在仅限于赛车使用的发动机。
图3-17 齿轮驱动式
D．辅助齿轮驱动式（图3-18）。汽缸盖上一侧的凸轮轴由曲轴通过一根链条或一根正时齿带来驱动，另一侧的凸轮轴由安装在凸轮轴上的齿轮来驱动，这种方式称为辅助齿轮驱动式。
图3-18 辅助齿轮驱动式
（3）凸轮轴安装位置与配气机构类型。根据凸轮轴安装位置的不同，可将配气机构分成以下4种类型。
A．下置凸轮轴配气机构（图3-19）。下置凸轮轴配气机构是指进、排气门安装在汽缸盖上，而凸轮轴安装在汽缸体下部的配气机构。发动机工作时，曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴正时齿轮和凸轮轴旋转。当凸轮工作段顶起挺柱时，经推杆和气门间隙调整螺钉推动摇臂绕摇臂轴摆动，压缩气门弹簧使气门开启。当凸轮工作段离开挺柱时，气门在气门弹簧力的作用下逐渐关闭。
图3-19 下置凸轮轴配气机构
凸轮轴下置式配气机构特点是凸轮轴与曲轴位置靠近，可以简单地用一对齿轮传动，但需要较长的推杆、摇臂和摇臂轴等零部件，整个机构的刚度差。多用于转速较低的发动机，如货车用的柴油机等。
B．中置凸轮轴配气机构（图3-20）。中置凸轮轴配气机构是指进、排气门安装在汽缸盖上，而凸轮轴安装在汽缸体中上部的配气机构。中置凸轮轴配气机构的凸轮轴一般采用链条传动或正时齿带传动，采用短推杆或省去推杆，但需要摇臂和摇臂轴。
图3-20 中置凸轮轴配气机构
C．单顶置凸轮轴式配气机构。单顶置凸轮轴式配气机构（Sing1e ·ver Head Camshaft, S·HC）是通过一根凸轮轴驱使进、排气门动作，其特征为气门和凸轮轴都设置在汽缸盖上。凸轮轴由正时链条或正时齿带驱动，不需要推杆，摇臂和摇臂轴可有可无。
单顶置凸轮轴、无摇臂和摇臂轴配气机构，如图3-21所示。凸轮轴通过液压挺柱直接驱动气门开启，无摇臂轴和摇臂，气门排成一列。桑塔纳2000GSi轿车AJR发动机配气机构即为此种形式。
图3-21 单顶置凸轮轴、无摇臂和摇臂轴配气机构
单顶置凸轮轴、单摇臂和摇臂轴配气机构，如图3-22所示。凸轮轴通过摇臂直接驱动气门开启，气门排成两列。通常，在发动机冷态装配时，在气门与其传动机构中，留有适当的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量，这一预留间隙通常称为气门间隙。为了能够检查与调整气门间隙，一般在摇臂（或挺柱）上装有调整螺栓及其锁紧螺母。
图3-22 单顶置凸轮轴、单摇臂和摇臂轴配气机构
单顶置凸轮轴、双摇臂和摇臂轴配气机构，如图3-23所示。凸轮轴分别通过进气摇臂和排气摇臂驱动进气门和排气门开启，由于进、排气门排成两列，所以驱动进、排气门的进气摇臂和排气摇臂分别安装在各自的摇臂轴上。
图3-23 单顶置凸轮轴、单摇臂和摇臂轴配气机构
单顶置凸轮轴、有摇臂和无摇臂轴配气机构，如图3-24所示。凸轮轴位于摇臂上方，采用浮动式摇臂（只有摇臂而无摇臂轴），在摇臂上设有滚动轴承；摇臂与液压挺柱采用球面接触，并作为摇臂摆转的支点，气门排成一列。液压挺柱可以自动调整气门间隙（使气门间隙为0），减少了噪声，但结构复杂。
图3-24 单顶置凸轮轴、有摇臂和无摇臂轴配气机构
D．双顶置凸轮轴式配气机构，如图3-25所示。双顶置凸轮轴式（D·ub1e ·verHead Camshaft, D·HC）进、排气门分别由各自的凸轮轴控制（气门排成两列），凸轮轴直接驱动气门，也可通过摇臂间接驱动气门。具有摇臂长度短、质量轻以及驱动气门的相关部件易于适应高转速等优点。另外，由于进、排气凸轮轴是彼此相互独立的，所以增大了气门配置的自由度，火花塞可以设置在两根凸轮轴之间，即燃烧室的正中央。卡罗拉（1.6L）轿车发动机的配气机构即为此种形式。
图3-25 双顶置凸轮轴式配气机构（D·HC）
（4）凸轮轴正时定位。如采用一对正时齿轮传动，小齿轮和大齿轮分别用键安装在曲轴和凸轮轴的前端，其传动比为2∶1。在装配曲轴和凸轮轴时，必须将齿轮正时标记对准，如图3-26所示，以保证正确的配气相位和点火时刻。
图3-26 汽油机正时齿轮机构
凸轮轴上置式发动机的正时记号通常有两处，一处为曲轴正时记号，一处为凸轮轴正时记号。安装时，两处都必须对正，如图3-27、图3-28所示。
图3-27 曲轴正时带轮上的正时标记对齐
图3-28 凸轮轴位置正时标记
2．挺柱
挺柱的作用是将凸轮的推力传递给推杆或气门杆，并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。挺柱可分为普通挺柱和液压挺柱两种。
（1）普通挺柱。配气机构采用的普通挺柱有筒式和滚轮式两种结构形式，如图3-29所示。筒式挺柱中间为空心，在挺柱圆周钻有通孔，便于筒内收集的机油流出，对挺柱底面及凸轮加以润滑；滚轮式挺柱可以减少磨损，但结构较复杂、质量较大，多用于大缸径柴油机的配气机构上。
图3-29 普通挺柱
（2）液压挺柱。轿车发动机普遍采用液压挺柱，液压挺柱的长度能自动调整，故不需要预留气门间隙，也没有气门间隙调整装置，如图3-30所示。液压挺柱由挺柱体、油缸、柱塞、单向球阀、单向球阀弹簧和柱塞弹簧等部件组成。
图3-30 液压挺柱
液压挺柱的工作原理如图3-31所示。当凸轮轴转动，凸轮的凸起部分与挺柱顶面接触时，挺柱在凸轮推动力作用下向下移动，高压腔内的机油被压缩，单向球阀在压力差和单向球阀弹簧的作用下关闭，高低压油腔被分隔开。由于液体的不可压缩性，整个挺柱如同一个刚体一样下移，推开气门并保证气门升程。
图3-31 液压挺柱的工作原理
当挺柱开始上行返回时，在弹簧向上顶压和凸轮下压的作用下，高压油腔继续封闭，液压挺柱仍可认为是一个刚体，直至上行到凸轮处于基圆，即气门关闭时为止。此时，汽缸盖主油道中的机油经量孔、斜油孔和挺柱体上的环形油槽再次进入挺柱的低压油腔，由于挺柱不再受凸轮推动力和气门弹簧力的作用，高压油腔中的机油与回位弹簧推动柱塞上行，高压油腔的油压下降，单向球阀打开，低压油腔中的机油流入高压油腔，使两腔连通充满机油。这时，液压挺柱的顶面仍然和凸轮表面紧贴，从而起到了补偿气门间隙的作用。
当气门受热膨胀时，柱塞和油缸做轴向相对运动，高压油腔中机油可经过油缸与柱塞间缝隙被挤入低压油腔。因此使用液压挺柱时，可以不预留气门间隙。
3．推杆
在凸轮轴下置式或中置式的配气机构中，凸轮轴经挺柱传来的运动和作用力要通过推杆传递给摇臂。推杆可采用实心的，也可以采用空心的。推杆的结构形式如图3-32所示。
图3-32 推杆
4．摇臂
摇臂的功用是将凸轮轴（或推杆）传来的力作用到气门杆尾部，推开气门。摇臂实际上是利用杠杆原理工作的，S·HC和D·HC的不同之处在于摇臂轴位置不同，如图3-33所示。
图3-33 摇臂
三、配气相位及可变的配气相位
1．配气相位
用曲轴转角表示的进、排气门实际开闭时刻和开启持续时间，称为配气相位。通常用相对于上下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表示，这种图形称为配气相位图，如图3-34所示。
图3-34 配气相位图
理论上，当曲拐处在上止点时，进气门开启；下止点时，进气门关闭。当曲拐在下止点时，排气门开启；上止点时，排气门关闭。进气时间和排气时间各占180°曲轴转角。但实际上发动机转速很高，活塞每一行程历时相当短，短的时间势必会造成进气不足和排气不净，从而使发动机功率下降。因此，现代发动机都采取延长进排气时间的方法。
（1）进气门早开和晚关。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，直到活塞越过了下止点以后，进气门才关闭。进气门提前开启的目的是：为了保证进气行程开始时进气门已开大，减小进气阻力，新鲜气体能顺利地充入汽缸。进气门延迟关闭的目的是由于活塞到达下止点时，汽缸内压力仍低于大气压力，且气流还有相当大的惯性，可以利用气流惯性和压力差继续进气。
（2）排气门早开和晚关。在做功行程接近终了，活塞到达下止点之前，排气门便开始开启。直到活塞越过上止点后，排气门才关闭。排气门提前开启的目的是：当做功行程活塞接近下止点时，汽缸内的气体压力对做功的作用已经不大，但仍比大气压力高，可利用此压力使汽缸内的废气迅速地自由排出。排气门延迟关闭的目的是由于活塞到达上止点时，汽缸内的残余废气压力高于大气压力，加之排气时气流有一定的惯性，因此仍可以利用气流惯性和压力差把废气排放得更干净。
（3）气门叠开。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，进、排气门同时开启的现象，这种现象称为气门叠开。由于新鲜气流和废气流的流动惯性都比较大，在短时间内是不会改变流向的，因此只要气门叠开角选择适当，就不会有废气倒流人进气管和新鲜气体随同废气排出的可能性。
2．可变配气相位
现代发动机有些具有可变的配气相位，进气门的开启和关闭时间可被调节。发动机转速高时，增大进气门的升程，提前开启和延迟关闭进气门，提高发动机的功率；发动机转速低时，减少进气门的升程，延迟开启和提前关闭进气门，提高发动机的转矩，以满足发动机对经济性、稳定性和减少排放污染物的要求。
奥迪A6、上海帕萨特B5轿车装备的ANQ5发动机可变气门正时机构的结构如图3-35所示。它有3个进气门，排列位置错开，打开的时间也不同（中间的气门先打开），使发动机吸入的新鲜空气产生旋涡，加速和优化混合气的雾化，提高发动机的功率和转矩。
图3-35 ANQ5发动机配气机构
曲轴通过齿带首先驱动排气凸轮轴旋转，排气凸轮轴通过链条驱动进气凸轮轴旋转，两轴之间设置有一个凸轮轴调整器，在内部液压缸的作用下，调整器可以上升和下降，以调整发动机进气凸轮轴的位置。波压缸的油路与汽缸盖上的油路连通，工作压力由凸轮轴调整阀控制，而凸轮轴调整阀由ECU进行控制。排气凸轮轴位置是不可调的。可变气门调整器结构如图3-36所示。
图3-36 ANQ5发动机可变气门调整器结构
可变气门调整器工作原理如图3-37所示。为了充分利用进气流的惯性，进气迟关角增大（轿车发动机一般在此位置），链条的上部较长，而下部较短。排气凸轮轴首先要拉紧下部链条成为紧边，进气凸轮轴才能被排气凸轮轴带动。就在下部链条由松变紧的过程中，排气凸轮轴已转过了一个角度，进气凸轮才开始动作，进气门关闭得较迟，从而使发动机在高速时产生高功率。
图3-37 可变气门调整器工作原理示意图
通过凸轮轴调整器向下的运动来缩短上部链条而加长下部链条。由于排气凸轮轴受到正时齿带制约不能转动，从而使进气凸轮轴偏转一个角度，较早关闭进气门，使发动机在中速和低速范围内能产生高转矩。
卡罗拉轿车发动机采用双重智能可变气门正时机构（双VVT-i），即智能进排气可变气门正时系统，不仅能够调节进气门的开闭时间，还能调节排气门的开闭时间。
本田车系的某些发动机采用可变气门配气相位和气门升程电子控制系统（VTEC），可同时控制气门开闭时间和凸轮的升程。