第2章 发动机系统维修
2.1 发动机机械系统维修
2.1.1 机械结构原理和基本检修
（1）发动机基本概念
① 止点 止点是指活塞移动的终点，活塞在止点处改变移动方向。止点分为上止点（TDC）和下止点（BDC）。到达上止点处时燃烧室的容积最小，到达下止点处时容积最大。
② 排量 一个汽缸的排量是指活塞在一个行程过程中所经过的空间；或者活塞上止点与下止点位置之间的汽缸空间。在发动机的技术数据中，排量通常指的是发动机的总排量。总排量即所有汽缸的单个排量之和。
③ 压缩室 指的是活塞到达上止点位置时活塞以上的空间，此时燃烧室的容积最小。
④ 燃烧室 燃烧室的边界由汽缸盖、活塞和汽缸壁构成。到达上止点位置时，燃烧室即压缩室。到达下止点位置时，燃烧室容积为压缩室容积和排量之和。
⑤ 压缩比 压缩比是指排量和压缩室容积之和与压缩室容积之比。
⑥ 行程/缸径比 指的是行程与缸径之比（图2-1）。
图2-1 行程和缸径示意
图解
根据发动机类型可分为长行程发动机和短行程发动机。长行程发动机的行程大于汽缸内径，短行程发动机的行程小于或等于汽缸内径。汽缸内径（缸径）与行程相等的发动机属于短行程发动机。这种发动机也称为等径程发动机。
⑦ 连杆曲轴比（λ） 指的是连杆长度（两个连杆头中点之间的距离）与曲轴半径（主轴承轴颈轴线与曲柄轴颈轴线之间的距离）之比。
⑧ 平均活塞速度 即使发动机转速保持不变，活塞也会不断加速和减速。到达上止点和下止点时，活塞瞬时处于静止状态。处于这两个位置之间时，活塞速度增至最大值随后减至最小值。由于活塞速度不断变化，因此采用平均活塞速度进行计算，该速度是一个恒定的理论速度。平均活塞速度通常是指额定转速时的速度，并用作发动机负荷的衡量标准。
⑨ 最大活塞速度 连杆与曲轴半径形成直角时，活塞速度最大。最大活塞速度大约为平均活塞速度的1.6倍。
⑩ 规定的发动机转速 发动机转速是指曲轴每分钟的转动圈数。每个发动机都有多个不同的重要转速：启动转速是发动机启动时所需的最低转速；达到怠速转速时，已启动的发动机可自动继续运行；处于额定转速时，发动机达到最大功率；最高转速是避免造成发动机机械损伤的最大允许转速。
（2）点火间隔
点火间隔是指两次连续点火之间的曲轴转角。
在一个工作循环过程中每个汽缸点火一次。在四冲程发动机的工作循环（进气、压缩、做功、排气）中曲轴转动整整2圈，即曲轴转角为720°。
相等的点火间隔可在所有转速情况下确保稳定的发动机运行特性。该点火间隔计算方式为：
点火间隔 = 720°/汽缸数
汽缸数越多，点火间隔越小，发动机运行越平稳。至少从理论上来讲，质量平衡因素也起到了一定作用，该因素取决于发动机结构形式和点火顺序。
（3）发动机机械机构
发动机机械机构分为三大系统：发动机壳体；曲轴传动机构；气门机构。
这三个系统始终处于相互配合的状态。
① 发动机壳体 发动机壳体起到与外界隔离密封的作用并吸收发动机运行过程中的各种作用力。
图解
发动机壳体由图2-2所示的主要组成部分构成。此外，为了确保发动机壳体完成其工作任务，还需要密封垫和螺栓。这些工作主要包括：
① 吸收发动机运行过程中产生的各种作用力。
图2-2 发动机壳体
1—汽缸列1的汽缸盖罩；2—汽缸列1的汽缸盖；3—曲轴箱；4—底板；5—油底壳；6—汽缸列2的汽缸盖；7—汽缸列2的汽缸盖罩
② 对燃烧室、发动机油和冷却液起到密封作用。
③ 固定曲轴传动机构、气门机构以及其他部件。
② 曲轴传动机构 曲轴传动机构是一个将燃烧室压力转化为动能的功能分组。在此过程中，活塞的往复运动转化为曲轴的转动。在功效、效率和技术实用性上，曲轴传动机构是实现上述目的的最佳选择。
图解
图2-3展示了曲轴传动机构的组成部分。图2-4所示为曲轴传动机构部件的运动方式，包括：
① 活塞在汽缸内上下运动（往复运动）。
图2-3 发动机的曲轴传动机构
1—活塞；2—飞轮；3—连杆；4—曲轴；5—扭转减振器；6—正时链
图2-4 曲轴传动机构部件的运动方式
1—往复运动；2—摆动；3—旋转
② 连杆通过小连杆头以可转动方式连接在活塞销上，也进行往复运动。大连杆头连接在曲柄轴颈上并随之转动。连杆轴在曲轴圆周平面内摆动。
③ 曲轴围绕自身轴线转动（旋转）。
③ 气门机构 必须周期性地为发动机供应新鲜空气，并排出所产生的废气。四冲程发动机吸入新鲜空气和排出废气的过程称为换气过程。在换气过程中，进气和排气通道通过进气门和排气门周期性地开启和关闭。进气门和排气门使用提升式气门。气门运动的时间和顺序由凸轮轴决定。
负责将凸轮行程传给气门的机械机构称为气门机构。
气门机构承受较高的加速度和减速度，由此产生的惯性力随发动机转速增加而增大并使结构承受很大负荷。此外，排气门必须能够抵抗废气的高温。
发动机气门机构见图2-5、图2-6。发动机的气门机构组件见图2-7、图2-8。
图2-5 发动机气门机构（一）
1—进气凸轮轴；2—气门导管；3—进气门；4—排气门；5—气门弹簧；6—带有HVA的桶状挺杆；7—排气凸轮轴
图2-6 发动机气门机构（二）
图2-7 发动机气门机构组件（一）
1—进气门；2—底部气门弹簧座（带有气门杆密封件）；3—上部气门弹簧座；4—HVA元件；5—进气凸轮轴；6—排气门；7—气门弹簧；8—滚子式气门摇臂；9—排气凸轮轴
图2-8 发动机气门机构组件（二）
1—挺杆；2—排气门；3—进气门；4—气门锁夹；5—进气凸轮轴；6—气门杆密封件；7—上部气门弹簧座；8—气门弹簧；9—气门弹簧座；10—排气凸轮轴
（4）曲轴箱
曲轴箱或缸体（图2-9），包括汽缸、冷却水套和曲轴传动机构壳体。现在许多新系统或改进系统都具有连接曲轴箱的接口。
图2-9 曲轴箱仰视图
① 曲轴箱主要有以下任务：吸收作用力和转矩；固定曲轴传动机构；固定和连接汽缸；支承曲轴；固定冷却液和润滑油输送通道；集成一个曲轴箱通风系统；固定各种附属总成；使曲轴空间与外界隔离密封。
图解
曲轴箱带有较大的纵向通风孔。这些纵向通风孔可使活塞上下运动过程中产生的往复式空气柱保持压力平衡。此外还需要针对机油供给和冷却液冷却调整单废气涡轮增压器上的接口。曲轴箱（曲轴箱内的通风孔）见图2-10。
图2-10 曲轴箱（曲轴箱内的通风孔）
② 曲轴箱通风 发动机运转时，气体（泄漏气体）由汽缸进入曲轴空间内；泄漏气体中包含未燃烧的燃油和所有废气成分，它们在曲轴空间内与油雾形式的发动机油混合；泄漏气体量取决于发动机负荷，曲轴空间内通过活塞运动产生的压力也取决于转速，这个压力出现在所有与曲轴空间相连的空腔内（例如机油回流管路、正时链箱等）且会将机油挤向密封位置处的出油口。
为了避免发生这种情况，在此引入了曲轴箱通风装置。开始时只是简单地将泄漏气体与发动机油的混合气释放到大气中。很久以后才出于环保的考虑采用了封闭式曲轴箱通风装置。
曲轴箱通风装置将不含发动机油的绝大部分泄漏气体送入进气系统内并确保曲轴箱内不会产生压力。
a. 非调节式曲轴箱通风。采用非调节式曲轴箱通风方式时，低压压力（真空）将机油与泄漏气体的混合气送入发动机的最高处。该低压压力（真空）由一个至进气通道的连接装置产生。混合气从此处进入机油分离器，随后使泄漏气体与发动机油分离。
图解
在采用非调节式曲轴箱通风的发动机上仅通过一个金属丝网实现上述目的。“净化”后的泄漏气体送入发动机进气系统，而发动机油回流到油底壳内。
曲轴箱内的低压压力（真空）受进气管连接通道内校准孔的限制。曲轴箱内压力过低时会造成发动机密封件（曲轴密封环、油底壳凸缘密封垫等）失效。
未过滤的空气因此进入发动机内，从而加速机油老化和机油沉积。但是可以通过校准孔限制这种限压作用。还可以通过金属丝网控制机油分离效率。
曲轴密封环无法继续正常工作时就会产生这些后果。如果在发动机转速较高的情况下车辆处于滑行模式，就会因节气门关闭而在进气系统内产生非常高的真空度。如果密封环损坏，环境中的新鲜空气就会进入曲轴箱内，并可能会吸入大量泄漏气体。金属网无法分离如此大量的机油，因此下次加速时会使一定量的机油随之燃烧，尾气中会产生明显的蓝色烟雾。
非调节式曲轴箱通风装置见图2-11。
图2-11 非调节式曲轴箱通风装置
1—节气门；2—排气通道；3—机油回流通道；4—曲轴空间；5—油底壳；6—连接进气管的通道
b. 真空调节式曲轴箱通风。采用真空调节式曲轴箱通风装置时，曲轴空间通过排气通道、集气室、机油分离器、调压阀与节气门后的进气管相连。
图解
由于节气门和空气滤清器产生气流阻力，因此进气管内会产生相对真空。
由于与曲轴箱之间存在压力差，因此泄漏气体吸入汽缸盖内，并在此首先到达集气室处。集气室用于确保从凸轮轴等处喷出的机油不会进入曲轴箱通风装置内。如果通过迷宫式密封装置进行机油分离，则集气室还负责消除泄漏气体的压力波动，这样可以避免使调压阀内的隔膜处于工作状态。
在带有气旋分离器的发动机上非常需要这种压力波动，因为可以由此改善机油分离效率。随后气体在气旋分离器内达到平衡。因此，其集气室的结构与通过迷宫式密封装置进行机油分离的集气室不同。
泄漏气体通过输送管路到达机油分离器，并在此处分离出发动机油。分离出的发动机油回流到油底壳内。
净化后的泄漏气体通过调压阀进入进气系统的洁净空气管内。
真空调节式曲轴箱通风装置见图2-12。
图2-12 真空调节式曲轴箱通风装置
1—节气门；2—排气通道；3—机油回流通道；4—曲轴空间；5—油底壳；6—连接机油分离器的通道；7—调压阀；8—气旋分离器；9—机油回流管
调压阀的任务是确保曲轴箱内的真空度尽可能保持不变。
图解
① 图2-13为三种不同工作方式的调压阀。
图2-13 调压阀的调节过程
1—大气压力；2—隔膜；3—压力弹簧；4—壳体；5—压力弹簧的弹簧力；6—进气系统的真空压力；7—曲轴箱内的有效真空压力；8—来自曲轴箱的泄漏气体
处于调节模式时，压力弹簧3的复位力与承受曲轴箱真空压力的隔膜2保持平衡。
隔膜背面通过壳体4上的一个开孔与大气压力相通。曲轴箱压力增加时，调压阀开启截面面积就会变大。进气系统内的真空压力将泄漏气体吸出曲轴箱，曲轴箱内的压力下降。随着压力的下降，隔膜向“关闭”方向移动。
② 调节过程如下。
发动机处于静止状态时，调压阀开启［图2-13(a)］。大气压力施加在隔膜两侧，即隔膜在弹簧力的作用下处于完全打开的位置。
启动发动机时，进气管内的真空压力增加，调压阀关闭［图2-13(b)］。处于怠速运转或滑行模式时通常会出现这种情况，因为此时不存在泄漏气体。也就是说隔膜内侧也会承受较大的相对真空压力（与大气压力相比）。因此，施加在隔膜外侧的大气压力克服弹簧力使阀门关闭。
在发动机负荷和转速的作用下产生泄漏气体。来自曲轴箱的泄漏气体8使施加在隔膜上的相对真空压力减小。因此压力弹簧可使阀门开启，从而吸入泄漏气体。阀门会一直开启，直至大气压力与曲轴箱真空压力和弹簧力的合力达到平衡状态［图2-13(c)］。
产生的泄漏气体越多，隔膜内侧承受的相对真空压力就越小，调压阀开启程度就越大。这样可使曲轴箱内保持规定的真空压力（通常为30mbar）。
（5）密封垫
在金属部件之间放置一个绝缘密封垫可防止接触腐蚀。这种情况包括油底壳密封垫和汽缸盖密封垫，这些密封垫用于将铝合金油底壳和汽缸盖与曲轴箱分隔开。
图解
发动机的汽缸盖密封垫有一个密封唇。该密封唇用于防止灰尘和喷水进入密封接缝，从而防止接触到金属部件（图2-14）。如果密封垫已损坏，那么汽缸盖（如果是铝合金）和曲轴箱（如果是镁合金）之间很快就会出现接触腐蚀。密封唇损坏严重时甚至会影响到密封垫核心的钢制部分（图2-15）。
图2-14 带有密封垫凸出物的油底壳密封垫
图2-15 汽缸盖密封垫的密封唇
维修提示
进行发动机的螺栓连接时需要特别注意。取下螺栓连接件后必须立即吹干螺纹孔，以免因冷却液造成腐蚀。
图解
重新安装螺栓前也要完全吹干螺纹孔，避免以后在曲轴箱材料和螺栓之间形成接触腐蚀（图2-16）。
图2-16 吹干螺纹孔
（6）汽缸盖
① 汽缸盖功能 汽缸盖对发动机运行特性（如输出功率、转矩和尾气排放特性、耗油量和噪声等特性）有决定性影响。发动机正时控制几乎都在汽缸盖内进行。
汽缸盖需要完成以下任务：
a. 吸收作用力；
b. 固定气门机构；
c. 固定换气通道；
d. 固定火花塞；
e. 固定冷却液和润滑油输送通道；
f. 构成汽缸上限；
g. 向冷却液散热；
h. 固定附属总成和传感器。
② 结构 随着发动机的不断开发，汽缸盖的设计结构变化很大。汽缸盖的形状在很大程度上由其包括的相关部件决定。
汽缸盖的形状主要受到以下因素影响：
a. 气门的数量和位置；
b. 凸轮轴的位置和数量；
c. 火花塞的位置和数量；
d. 换气通道的形状。
气门机构方案对汽缸盖形状的影响最大。为了提高发动机功率、减小污染物排放量和耗油量，换气必须尽可能有效且灵活，容积效率必须较高。
为了在这些方面进行优化，过去主要进行改进顶置气门、顶置凸轮轴、4气门技术等来实现。
进气和排气通道流量较大时也可以提高换气效率。对汽缸盖提出的另一个要求是要具有尽可能紧凑的结构。如果再考虑到用于气门间隙补偿或尽量减小摩擦的元件、燃烧室形状以及火花塞位置，所以汽缸盖结构是比较复杂的。
维修提示
在直接喷射式发动机上和一些进气管喷射式发动机上汽缸盖中还装有喷嘴。喷嘴的位置也会影响到燃烧是否充分。这一点同样适用于汽缸盖内装有喷嘴的进气管喷射式发动机。
在4气门汽缸盖上可以将火花塞布置在燃烧室顶中心，这有助于缩短燃烧室内的火焰行程。但是，随着气门数量的增加，汽缸盖结构也变得很复杂。批量生产的产品中还有每个汽缸配有3个或5个气门的汽缸盖。跑车中甚至有6气门汽缸盖。
③ 燃烧室顶 汽缸盖作为汽缸的顶部构成了燃烧室顶。它与活塞几何因素一起决定了燃烧室的形状。燃烧室是由活塞、汽缸盖和汽缸壁围成的空间。
图解
图2-17(a)中整个燃烧室都位于活塞内，图2-17(b)所示的燃烧室分布在活塞和汽缸盖内，图2-17(c)所示的布置方式非常有利，因为其油气混合气可以非常有效地环绕火花塞流动。
图2-17 4气门汽缸盖的不同燃烧室类型
维修提示
相对于燃烧室体积而言燃烧室表面较小，因此热力学损耗较少。气门倾斜角度最大可达25°。
（7）曲轴
曲轴由一个单一部件构成，但可以分为多个不同的部分。主轴承轴颈位于曲轴箱内的轴承内。
图解
如图2-18所示，连杆轴承轴颈或曲柄轴颈与曲轴通过曲柄臂连接起来。曲柄轴颈和曲柄臂的这部分也称为曲柄。
图2-18 发动机曲轴
1—扭转减振器的固定装置；2—用于驱动机油泵的齿轮；3—主轴承轴颈（曲柄轴颈）；4—连杆轴承轴颈；5—输出端；6—平衡重块；7—油孔；8—正时链轮；9—曲柄臂
连杆轴承轴颈与曲轴轴线之间的距离决定了发动机的行程。连杆轴承轴颈之间的夹角决定各汽缸的点火间隔。曲轴转动整整2圈或720°后，各汽缸均点火一次。
该角度称为曲柄轴颈偏置或曲柄角度，根据汽缸数、结构形式（V 型或直列发动机）和点火顺序计算得出。其目的是获得尽可能平稳、均匀的发动机运行状态。
曲轴内有几个油孔，这些油孔为连杆轴承提供机油。油孔从主轴承轴颈通向连杆轴承轴颈，并通过主轴承座与发动机机油回路连接在一起。
平衡重块用于平衡围绕曲轴轴线的惯性力，从而使发动机平稳运行。
（8）连杆
在曲轴传动机构中，连杆负责连接活塞和曲轴。活塞的直线运动通过连杆转化为曲轴的转动。此外，连杆还要将燃烧压力产生的作用力由活塞传至曲轴上。
作为一个加速度很大的部件，连杆的重量直接影响发动机的工作效率和运行平稳性。
图解
如图2-19所示，梯形连杆小连杆头的横截面呈梯形。就是说，在小连杆头处由连杆轴端部向连杆端部逐渐变细。
图2-19 连杆
1—油孔；2—小连杆头内的滑动轴承；3—连杆；4—连杆内的轴瓦；5—连杆盖内的轴瓦；6—连杆盖；7—连杆螺栓
这样一方面可以进一步减轻重量，因为节省了未承受负荷一侧的材料，而承受负荷一侧则为整个轴承宽度。此外还能缩小活塞销孔间距，这意味着活塞销弯曲度较低。
另一个优点是可以取消小连杆头内的油孔，因为机油通过滑动轴承的倾斜沿渗入。由于省去了油孔，因此也避免了对该侧轴承强度造成的不利影响。这又可使该侧连杆结构更窄小。这样不仅可以减轻重量，还能节省活塞空间。
（9）活塞
活塞将燃烧产生的气压转化为运动。活塞顶的形状对混合气的形成有决定性影响。活塞环负责燃烧室严密密封和控制汽缸壁上的油膜。
图解
如图2-20所示，活塞的主要部分包括活塞顶、带有火力岸的活塞环部分、活塞销座和活塞裙。活塞环、活塞销和活塞销卡环也是活塞总成的一部分。活塞顶构成了燃烧室的下部。在汽油发动机上可以采用平顶、凸顶或凹顶活塞。
图2-20 活塞
1—活塞顶；2，6—气环；3—活塞销；4—活塞裙；5—刮油环
维修提示
活塞裙是现代活塞变化最明显的部分。活塞裙负责使活塞在汽缸内直线运行。只有与汽缸之间的间隙足够大时，才能完成上述任务。但是这个间隙会因连杆偏移而引起活塞摆动，这种情况称为活塞二次移动。这种二次移动会影响活塞环的密封性和耗油量，而且还会导致活塞发出噪声。许多参数都有利于活塞保持直线运行，例如活塞裙的长度、活塞裙形状和装配间隙。
（10）活塞环
活塞环通常有三个用于固定活塞环的环形槽，活塞环的作用是防止漏气和漏油（密封）。活塞环岸位于环形槽之间。位于第一个活塞环上方的环岸称为火力岸。一套活塞环通常包括两个气环和一个刮油环。
活塞环是金属密封环，负责执行以下任务：密封燃烧室，使之与曲轴箱隔开；从活塞向汽缸壁导热；调节汽缸套的油膜。
为了完成上述任务，活塞环必须紧靠在汽缸壁和活塞环形槽的侧沿上。活塞环的径向弹簧力使活塞环靠在汽缸壁上。刮油环通常由一个附加弹簧进一步支承。
活塞环在其环形槽内转动。这是因为换侧时侧向力作用在活塞环上。此时活塞环的转速很高，转速大概最高可达到100r/min。这种换侧作用可以清除环形槽上的沉积物，此外还能防止活塞环切口磨入汽缸套内。
① 气环 气环用于确保尽可能没有燃烧气体从燃烧室经过汽缸壁与活塞之间的间隙进入曲轴箱内。只有这样，燃烧过程中燃烧室内才能产生足够压力，以使发动机达到设计功率。在压缩行程阶段，没有气环也无法达到点火所需的压缩程度。
② 刮油环 刮油环负责调节汽缸壁上的油膜。它们将汽缸壁上多余的润滑油刮掉并确保这些机油不会燃烧。因此，刮油环也决定了发动机的机油消耗量。
图解
① 矩形环是在普通运行条件下使用的带有矩形横截面的气环。通常还使用桶面环。
② 锥面环的运行表面呈锥形，锥面向上逐渐缩小。这样可以缩短启动时间。锥面环也是气环，但具有刮油环的作用。
③ 由于内倒角矩形环的横截面不对称，因此安装时会使其呈碟形。因此与汽缸壁的运行表面呈锥形。这种气环与锥面环一样，也具有辅助刮油的作用。
④ 鼻形环和鼻形锥面环既是气环又是刮油环。这些活塞环的底部都有一个小槽口。鼻形锥面环的运行表面呈锥形。
⑤ 开槽油环通过两个运行表面上较高的表面压力实现其刮油作用。环壁上的开槽有助于刮下的润滑油回流。在带有管状弹簧的开槽油环上，通过一个圆柱形螺旋弹簧（管状弹簧）提高表面压力和接触面积。位于铸铁或钢制活塞环圆形或V形固定槽内的弹簧使整个环壁均匀受力，因此这种活塞环结构灵活性较大。
⑥ 双倒角环与开槽油环相似。两个运行表面的倒角可以进一步提高表面压力，从而达到更好的刮油效果。双倒角环也可以采用带有管状弹簧的结构。
⑦ VF系统是一个三件式钢带刮油环。它由两个钢片和一个钢制隔离弹簧构成。这种结构特别适用于较薄的活塞环。两个钢片彼此独立径向移动有助于提高刮油效果。
各种活塞环见图2-21。
图2-21 活塞环
1—矩形环；2—桶面环；3—锥面环；4—内倒角矩形环；5—鼻形环；6—鼻形锥面环；7—开槽油环；8—带有管状弹簧的开槽油环；9—双倒角环；10—带有管状弹簧的双倒角环；11—VF系统（三件式钢带刮油环）
（11）双质量飞轮
在带有手动变速箱的车辆上，发动机燃烧过程的周期性会使传动系统内产生扭转振动。这将使变速箱和车身发出异响。为避免影响舒适性，很多车采用了双质量飞轮（如大众捷达、宝来等）。
图解
双质量飞轮将传统飞轮的质量块一分为二。一部分继续用于补偿发动机惯量；另一部分负责提高变速箱惯量，从而使共振范围明显低于正常运转。
两个非刚性连接的质量块通过一个弹簧/减振系统连接起来。次级质量块与变速箱之间不带扭转减振器的离合器从动盘负责分离和接合。
与发动机相连的飞轮质量块承受发动机的不平稳运动时，在发动机转速不变的情况下，与变速箱相连的质量块速度保持不变。双质量飞轮的功能见图2-22。
图2-22 双质量飞轮的功能
图解
由于以非刚性连接两个质量块，因此可在临界发动机转速范围内消除变速箱噪声。但有一个限制条件：振动质量块的惯性力矩越大，共振程度以及与其相关的转矩峰值就越大。采用双质量飞轮时，启动和关闭发动机时尤为明显。使用附加减振单元（盘形弹簧）可有效防止共振时过载。
但在正常运行状态下（发动机运转时）该减振单元不起作用，此时通过弹簧减振器消除发动机的扭转振动。
双质量飞轮的构造见图2-23。
图2-23 双质量飞轮的构造
1—盖罩；2—次级飞轮；3—盖板；4—密封隔膜；5—弧形减振弹簧；6—齿圈；7—主飞轮；8—轮毂凸缘；9—挡板
（12）凸轮轴
凸轮轴控制换气过程和燃烧过程。其主要任务是开启和关闭进气门和排气门。凸轮轴由曲轴驱动，其转速与曲轴转速之比为1∶2，即凸轮轴转速只有曲轴转速的1/2，这可以通过链轮传动比实现。凸轮轴相对于曲轴的位置也有明确规定。但最新的发动机已不再采用固定传动比方式，而是可以进行可变调节，如宝马发动机VANOS系统。
图解
凸轮轴传感器也可能安装在凸轮轴上。维修时需要用于安装专用定位工具的双平面轴颈3和用于装配时顶住凸轮轴的扳手宽度面4。发动机凸轮轴见图2-24。
图2-24 发动机凸轮轴
1—轴颈和用于轴向导向的止推面；2—凸轮轴传感器的参考基准；3—用于安装专用定位工具的双平面轴颈；4—用于装配时顶住凸轮轴的扳手宽度面；5—凸轮；6—轴颈
（13）摇臂、压杆和挺杆
摇臂、压杆或挺杆负责将凸轮运动传给气门，因此这些部件也称为传动元件。传动元件沿凸轮轮廓移动，直接或间接（以一定传动比）传递运动。
① 摇臂 摇臂是一种间接驱动的气门机构。摇臂支承在轴的中部。凸轮轴位于摇臂下方的一端。
② 压杆 压杆也是采用间接传动方式的气门机构部件。
图解
压杆的惯性矩和刚度在很大程度上取决于压杆的结构形式。滚子式气门压杆见图2-25。
图2-25 滚子式气门压杆
1—用于随凸轮移动的滚针轴承滚子；2—用于支承HVA元件的半球；3—压在气门上的操作面
使用滚子式气门压杆时，凸轮运动通过一个滚动轴承滚子而非滑动面传递。与滑动面压杆或桶状挺杆气门机构相比，这种结构可减小摩擦，尤其是在对降低耗油量有较大影响的低转速范围内。但是，减小摩擦会明显降低针对凸轮轴扭转振动的减振作用，这对链条传动机构有影响。
③ 挺杆 挺杆是进气门和排气门的直接传动装置，它不改变凸轮的运动或传动比。这种直接传动装置始终具有很高的刚度，移动质量相对较小且所需安装空间较小。挺杆用于传递直线运动，其导向部件位于汽缸盖内。
a. 桶状挺杆。桶状挺杆采用桶状结构，以倒置方式靠在气门杆端部。
为确保凸轮接触面均匀磨损，桶状挺杆应能旋转。为此可使凸轮相对于桶状挺杆稍稍偏移（朝凸轮轴轴线方向），桶状挺杆的接触面略呈球形，这样可使凸轮与挺杆之间的接触点在整个运动过程中更接近桶状挺杆表面的中心。因为此时杠杆作用较小，所以可减小桶状挺杆的倾斜趋势，从而可将气门接触面的磨损程度降至最低。但是，球面弧度也会影响气门行程曲线以及凸轮与桶状挺杆之间的摩擦力。
b. 室式挺杆。室式挺杆可以达到相当高的球面弧度，因此减少了凸轮和挺杆接触点的移动距离。
图解
与桶状挺杆不同，室式挺杆不能旋转。有一个导向凸台用于防止挺杆旋转。发动机的室式挺杆见图2-26。
图2-26 发动机的室式挺杆
1—球形接触面；2—室式挺杆；3—导向凸台
（14）机械式气门间隙调节
采用机械式气门间隙调节装置时，只有在气门关闭状态下气门杆与气门操纵装置之间存在间隙时，才能确保所需的气门密封效果。由于气门间隙随发动机温度变化而变化，因此必须将该间隙调节到足够大的程度。
气门间隙过大会产生令人不舒适的噪声以及造成磨损加剧的冲击负荷。
维修提示
气门间隙影响发动机正时时间，从而影响发动机功率、行驶性能、耗油量和废气排放量。
气门间隙过大会缩短正时时间，即气门延迟开启、提前关闭。
气门间隙过小会延长正时时间，即气门提前开启、延迟关闭。
（15）带有导向件和弹簧的气门
① 带有导向件和弹簧的气门 见表2-1。
表2-1 带有导向件和弹簧的气门
② 气门座 气门座承担隔开燃烧室与气道的作用。此外，热量也通过此处从气门传至汽缸盖。气门处于关闭状态时，气门座表面与汽缸盖气门座圈靠在一起。气门座表面的宽度没有统一标准，气门座表面较窄时可改善密封效果，但会削弱散热能力。
通常情况下，承受较小负荷的进气门座比承受高负荷的排气门座窄。气门座宽度为1.2～2.0 mm。确保气门座位置正确非常重要。
图解
气门座位于气门头外缘时，气门承受的机械负荷过高。气门座过于靠内时，外缘散热效果不佳，而且开启截面面积减小。
气门座角度是指气门座与一个垂直于气门杆的（理论）平面之间的夹角。密封效果和磨损情况也取决于气门座角度。对于进气门来说，气门座角度还会影响新鲜空气进气量，从而影响混合气形成过程。
气门座的位置见图2-27。
图2-27 气门座的位置
1—气门座圈；2—气门座表面
③ 气门导管 气门导管用于确保使气门位于气门座的中心并通过气门杆将气门头处的热量传至汽缸盖。为此需要在导向孔与气门杆之间留有最佳间隙量。间隙过小时，气门容易卡住。间隙过大时会影响散热效果。最好留出尽可能小的气门间隙。
维修提示
为确保气门正常工作，气门导管与气门座圈之间的中心偏移量必须保持在公差范围内。中心偏移过大会使气门头弯向气门杆，这可能会造成构件过早损坏，还可能会导致泄漏、影响热传递效果和增加耗油量。
气门导管以压配合方式安装在汽缸盖内。气门导管不得伸入排气通道内，否则会因温度较高而导致导管变宽，燃烧残余物可能会进入气门导管内。
④ 气门锁夹 气门锁夹负责连接气门弹簧座和气门。连接方式分为夹紧式和非夹紧式。
图解
采用夹紧式连接［图2-28(a)］时，安装后两部分气门锁夹之间留有一定的间隙，因此气门夹紧在气门锁夹之间，以防止其旋转。
图2-28 夹紧式和非夹紧式气门锁夹
1—气门弹簧座；2—非夹紧式气门锁夹；3—夹紧式气门锁夹；4—气门杆
这种夹紧式气门锁夹尤其适用于转速很高的发动机。
采用非夹紧式连接［图2-28(b)］时，处于安装状态下的两部分气门锁夹相互支承。
⑤ 气门弹簧 气门弹簧负责以可控方式关闭气门，就是说必须确保气门随凸轮一起运动，以使其即使在最高转速时也能及时关闭。此外，其作用力也必须足够大，以防止气门关闭（又称气门跳动）后振动。气门开启时，气门弹簧必须防止气门与凸轮脱离。
图解
标准结构形式为对称圆柱弹簧。这种弹簧的螺距在弹簧两端是对称的且螺旋直径保持不变。在弹簧压缩过程中，簧圈部分接触可使弹簧特性曲线产生阶跃性变化（弹簧压缩程度越大，弹簧力越大）。
气门弹簧结构形式见图2-29。
图2-29 气门弹簧结构形式
1—圆柱形、对称式气门弹簧；2—圆柱形、非对称式气门弹簧；3—锥形气门弹簧；4—半锥形气门弹簧
2.1.2 发动机维修拆解与装配
（1）汽缸盖维修
图解
图2-30汽缸盖装配示意图中，前面标记“●”的零部件是不可重复使用的。
图2-30 汽缸盖装配示意图
① 汽缸盖的拆解
a. 拆卸气门杆盖。
图解
如图2-31所示，从汽缸盖上拆下气门杆盖。注意，按正确的顺序摆放拆下的零件。
图2-31 拆卸气门杆盖
b. 拆卸进气门。
图解
如图2-32所示，用 SST（专用工具）和木块压缩（用专用工具向下压气门弹簧）并拆下气门座圈锁片。注意，按正确的顺序摆放拆下的零件。
图2-32 拆卸进气门
拆下弹簧座圈、气门弹簧和气门。注意，按正确的顺序摆放拆下的零件。
维修提示
拆卸进气门和排气门的操作程序一致。
c. 拆卸气门杆油封。
图解
如图2-33所示，用尖嘴钳拆下油封，在拆卸油封时，旋转地往外拔就能很轻松地拆下，不要用很大劲。
图2-33 拆卸气门杆油封
d. 拆卸气门弹簧座。
图解
如图2-34所示，用压缩空气和磁棒，吹入空气以拆下气门弹簧座。
图2-34 拆卸气门弹簧座
② 汽缸盖的检查
a. 检查汽缸盖平面度。
图解
如图2-35所示，使用精密直尺和测隙规，测量汽缸体和歧管接触面的翘曲度。汽缸体侧极限差值在0.05mm内。
图2-35 检查汽缸盖平面度
如果翘曲度大于最大值，则更换汽缸盖。
b. 检查汽缸盖是否破裂。
图解
如图2-36所示，用染色渗透法检查进气口、排气口以及汽缸体表面是否有裂纹。如果有裂纹，则更换汽缸盖。
图2-36 检查汽缸盖是否破裂
c. 检查凸轮轴轴向间隙。
图解
如图2-37所示，安装凸轮轴，来回移动凸轮轴的同时，用百分表测量轴向间隙。最大轴向间隙一般为0.15mm。
图2-37 检查凸轮轴轴向间隙
如果轴向间隙大于最大值，则更换凸轮轴壳。如果止推面损坏，则更换凸轮轴。
d. 检查凸轮轴油膜间隙。
图解
如图2-38所示。
图2-38 检查凸轮轴油膜间隙
① 清洁轴承盖和凸轮轴轴颈。
② 将凸轮轴放到凸轮轴壳上。
③ 将塑料间隙规摆放在各凸轮轴轴颈上。
④ 测量塑料间隙规最宽处。最大油膜间隙极限值为0.085～0.09mm。
如果油膜间隙大于最大值，则更换凸轮轴。如有必要，更换汽缸盖。
e. 检查压缩弹簧。
图解
如图2-39所示。
图2-39 检查压缩弹簧
①使用游标卡尺，测量气门弹簧的自由长度。例如新威驰1ZR-FE发动机弹簧自由长度为53.36mm。
如果自由长度不符合规定，则更换气门弹簧。
② 用钢角尺测量气门弹簧的偏移量。最大偏移量为1.0mm。
如果偏移量大于最大值，则更换气门弹簧。
（2）汽缸体维修
a. 拆卸带连杆的活塞分总成。
图解
如图2-40所示，用铰刀去除汽缸顶部的所有积炭。
图2-40 拆卸带连杆的活塞分总成（一）
图解
如图2-41所示，检查并确认连杆和连杆盖上的装配标记相互对准以确保正确装配。
图2-41 拆卸带连杆的活塞分总成（二）
注意，连杆和连杆盖的装配标记是为了确保正确安装。
图解
如图2-42所示，用力矩扳手均匀松开2个螺栓。
图2-42 拆卸带连杆的活塞分总成（三）
图解
如图2-43所示。
图2-43 拆卸带连杆的活塞分总成（四）
① 用2个已拆下的连杆盖螺栓，通过左右摇动连杆盖拆下连杆盖和下轴承。
注意，保持下轴承插入连杆盖。
② 从汽缸体的顶部推出活塞、连杆总成和上轴承。
注意，使轴承、连杆和连杆盖连在一起。按正确的顺序摆放活塞和连杆总成。
b. 安装曲轴上止推垫圈。
图解
如图2-44所示，① 使机油槽向外，将2个止推垫圈安装到汽缸体的3号轴颈下方。
图2-44 安装曲轴上止推垫圈
② 在曲轴止推垫圈上涂抹发动机机油。
c.安装曲轴。
图解
如图2-45所示，①在上轴承上涂抹发动机机油，并将曲轴安装到汽缸体上。
图2-45 曲轴安装（一）
② 在下轴承上涂抹发动机机油。
③ 检查数字标记，并将轴承盖安装到汽缸体上。
④ 在轴承盖螺栓的螺纹上和轴承盖螺栓下涂抹一薄层发动机机油。
图解
如图2-46所示，暂时安装10个主轴承盖螺栓。
图2-46 曲轴安装（二）
图解
如图2-47所示，标记2个内轴承盖螺栓并以此为导向，用手插入主轴承盖，直到主轴承盖和汽缸体间的间隙小于5mm。
图2-47 曲轴安装（三）
图解
如图2-48所示，① 用塑料锤轻轻敲击轴承盖以确保正确安装。
图2-48 曲轴安装（四）
② 安装曲轴轴承盖螺栓。
特别注意：主轴轴承盖螺栓的紧固要分两步完成。
d. 活塞的安装。
图解
如图2-49所示，使活塞朝前标记朝前，用活塞环压缩器将相应标号的活塞和连杆总成压入汽缸内。
图2-49 活塞的安装
特别注意：
① 将连杆插入活塞时，不要使其接触机油喷嘴。
② 使连杆盖与连杆的标号相匹配。
2.1.3 发动机机械故障
（1）正时链机构维修
维修导读
以大众EA888二代发动机为例（如迈腾1.8TSI），来执行正时链机构拆卸和安装的重要事项和操作程序。
① 凸轮轴正时链机构部件及装配示意见图2-50。
图2-50 凸轮轴正时链机构部件及装配示意
1，5，7—螺栓；2—链条张紧器（处于弹簧压力下在拆卸之前必须用定位销）；3—正时链张紧轨；4，14—导向螺栓；6—控制阀；8—垫圈；9—轴承桥；10，13—凸轮轴正时链的滑轨；11—凸轮轴壳罩；12—凸轮轴正时链（拆卸前用彩色笔标记转动方向）；15—链轮
② 拆卸和安装凸轮轴正时链机构步骤及注意事项见表2-2。
表2-2 拆卸和安装凸轮轴正时链机构步骤及注意事项
③ 平衡轴正时链机构
a. 平衡轴正时链机构部件及装配示意见图2-51。
图2-51 平衡轴正时链机构部件及装配示意
1，10—螺栓；2—平衡轴；3—平衡轴管；4—链条张紧器；5—汽缸体；6—平衡轴；7—O形环；8—支承轴销；9，17—链轮；11—带垫圈螺栓；12—正时链滑轨；13—导向螺栓；14—张紧轨；15，19—导向螺栓；16—正时链；18—滑轨
b. 拆卸和安装平衡轴正时链机构步骤及注意事项见表2-3。
表2-3 拆卸和安装平衡轴正时链机构步骤及注意事项
④ 拆卸和安装进气凸轮轴的平衡轴步骤及注意事项见表2-4。
表2-4 拆卸和安装进气凸轮轴的平衡轴步骤及注意事项
（2）正时皮带机构拆装和校对
图解
如图2-52所示，现在比较主流的大众EA211系列1.4TSI发动机已经不再使用正时链条，正时机构及凸轮轴驱动使用皮带，按厂家要求，正时皮带每隔90000千米需要更换一次。
图2-52 正时皮带机构
1）找一缸“上止点”
图解
将曲轴转到 “上止点”位置的方法：
① 如图2-53所示，将用于密封气缸体 “上止点”孔的锁定螺栓拧出，顺时针旋转曲轴，使曲轴转过一缸上止点270°左右。
图2-53 找一缸“上止点”位置空
② 将专用工具T10340以30N•m的扭矩拧到气缸体上并拧到底。 将曲轴沿顺时针方向转动，至限位位置。图2-54所示为找一缸上止点的专用工具T10340。
图2-54 找一缸上止点的专用工具
维修提示
专用工具栓T10340顶在曲轴侧壁，它只能在发动机转动方向上锁定曲轴于上止点的位置上。
2）拆卸正时皮带重要程序和注意事项
图解
① 用专用工具T10340将曲轴定位于上止点的位置。凸轮轴也应位于上止点。检查方法：如图2-55所示，在进气和排气凸轮轴的后端，不对称的卡槽必须位于过圆心的水平中心线的上方。
图2-55 进气凸轮轴上止点位置
② 拆下曲轴皮带轮，将专用工具（尼龙块）放在曲轴正时皮带轮前端，并用曲轴螺栓压紧工具和曲轴正时皮带轮，防止曲轴正时皮带轮错位。
③ 拆下正时皮带前的曲轴前罩盖、凸轮轴罩盖、中间罩盖。
④ 拆下凸轮轴后端的罩盖及水泵。
图解
⑤ 当凸轮轴位于上止点，即在凸轮轴的后端不对称的卡槽位于过圆心的水平中心线上方时，如图2-56所示，装入凸轮轴锁专用工具T10477， T10477必须能很容易装入安装位置，并用螺栓箭头所示拧紧，这样凸轮轴被固定在上止点位置了。
图2-56 装入凸轮轴锁专用工具
维修提示
不能用强行冲击的方法安装专用工具T10477，否则将损坏零件。
图解
⑥ 如图2-57所示，用专用工具T10172/2和T10172拧松进气凸轮轴皮带轮的固定螺栓1，并用同样方法拧松排气凸轮轴皮带轮的固定螺栓，此两螺栓都松开一圈。
图2-57 使用专用工具
注意：松此两螺栓的反作用力，必须由专用工具T10172/2和 T10172承受，不能使凸轮轴锁专用工具T10477受力，否则将损坏工具和零件。
图解
⑦ 如图2-58所示，松开螺栓1，用30mm梅花扳手或专用工具SW30-T10499松开偏心张紧轮2。
图2-58 松开偏心张紧轮
⑧ 将齿形皮带从凸轮轴上拆下。
3）装配正时皮带重要程序和注意事项
图解
① 用专用工具T10340将曲轴定位于“上止 点”位置，用凸轮轴锁专用工具T10477将凸轮轴固定在上止点位置。
② 更换凸轮轴皮带轮固定螺栓，并将其拧上，但不要拧紧，使凸轮轴皮带轮能在凸轮轴上转动，但不能晃动。
③ 安装张紧轮，如图2-59所示，使张紧轮的凸耳必须嵌入在汽缸盖的铸造孔内，张紧轮的固定螺栓用手拧紧。
图2-59 张紧轮安装
④ 如图2-60所示，按下列顺序装上齿形皮带：曲轴齿形皮带轮、张紧轮、排气凸轮轴皮带轮、进气凸轮轴皮带轮、中间轮导向轮。
图2-60 在轮上按顺序装上齿形皮带
⑤ 安装曲轴前罩盖。
4）检查正时重要程序和注意事项
① 拆下用于定位曲轴“上止点” 位置的专用工具 T10340，拆下用于固定凸轮轴上止点位置的凸轮轴锁专用工具T10477。
② 曲轴沿发动机转动方向转3 圈＋270°，将专用工具T10340以30N·m的扭矩拧到汽缸体上并拧到底。 再将曲轴沿顺时针方向转到限位位置，现在曲轴处于上止点。如果凸轮轴锁专用工具T10477能够很容易地安装到凸轮轴的止点位，并能用螺栓箭头所示方向轻易地拧到底，则正时调整正确。
③ 如果凸轮轴锁专用工具T10477无法顺利安装，则配气相位不合格，必须重新调整配气相位。
④ 如果正时调整正确，则拆下用于定位曲轴“上止点” 位置的专用工具T10340，再拆下用于固定凸轮轴上止点位置的凸轮轴锁专用工具T10477。
⑤ 用专用工具T10172/2和T10172将凸轮轴皮带轮的固定螺栓1、2拧紧至最终的规定拧紧力矩。
（3）发动机故障
图解
如图2-61～图2-63所示，汽缸盖解体发现进气门锥面附着积炭很厚，进气歧管及汽缸盖进气部位附着一层硬质光滑积炭。发动机进气门锥面硬质积炭过多，冷车启动时压缩混合气，在进气门与气门座圈缝隙漏出，造成汽缸压力过低，夏季中午温度很高或热车时积炭软化，气门密封良好，引起冷机发动机不能启动、热机发动机启动及工作正常。
图2-61 进气门积炭，排气门良好
图2-62 进气门与气门座圈有积炭
图2-63 进气歧管（进气道）积炭
图解
如图2-64～图2-68所示，将进气歧管、进气门、汽缸盖进气道部位硬质积炭清除，然后用清洗剂清洗。
图2-64 清除气门上的积炭
图2-65 清洗积炭
图2-66 清洗后的进气道（一）
图2-67 清洗后的进气道（二）
图2-68 清洗后的进气道（三）
维修提示
① 如果空气滤清器滤芯被严重污染或渗透，污物颗粒和液体可能会进入进气歧管内。这将导致发动机受损，功率不足。
② 使用原装空气滤清器滤芯。
③ 安装进气软管时请使用无硅润滑脂。
④ 检查连通至空气滤清器滤芯的进气通道上是否有污物。 如果发现有污物，应从空气滤清器罩上清除掉。