第三章 配气机构
第一节 概述
一、配气机构的功用与组成
1.配气机构的功用
配气机构的作用是根据发动机的做功顺序或点火次序的要求，适时地开启和关闭各个气缸的进气门及排气门，使可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）及时地进入燃烧室，并将燃烧后的废气及时地排出气缸。由于可燃混合气或新鲜空气被吸入气缸越多，则发动机可能输出的功率越大，这就要求发动机的充气效率要高。然而影响发动机充气效率的因素很多，如进气系统自身对气流的阻力造成进气终了时气缸内压力下降，上一循环未排净的残余废气及燃烧室、活塞顶、气门等高温零件对进入气缸的新鲜气体加热，使进气终了时气体温度升高，导致实际充入气缸的可燃混合气总是小于在大气状态下充满气缸工作容积的新鲜气体的质量，即充气效率总是小于1（一般为0.8～0.9）。
因此对于配气机构而言，要提高充气效率，主要应尽量减小进、排气阻力，合理设置配气正时，使进气和排气尽可能充分。
2.配气机构的组成
配气机构主要由气门组件和气门传动组件组成。其中气门组件由气门、气门座圈、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座、气门锁片等组成；气门传动组件由凸轮轴驱动件（包括正时齿轮、正时链条、正时带）、凸轮轴、气门挺杆、摇臂及摇臂轴总成等组成，如图3-1所示。
二、配气机构的分类
配气机构形式较多，根据分类方式不同，种类也不一样。目前一般按以下方式进行分类。根据气门的布置形式分，可分为顶置气门式和侧置气门式（淘汰）；根据凸轮轴的布置形式分，可分为上置凸轮轴式、中置凸轮轴式和下置凸轮轴式；根据曲轴和凸轮轴的传动方式分，可分为齿轮传动式、链条传动式和齿形传动带传动式；根据每个气缸的气门数目分，可分为2气门式、3气门式、4气门式和5气门式。
（1）顶置气门式 顶置气门式配气机构目前在汽车上应用最为广泛。它的进、排气门均布置在气缸盖上，如图3-2所示。它一般由气门、气门座圈、气门弹簧、弹簧座、锁片、气门导管、摇臂等组成。
它的作用过程是：曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴旋转，凸轮轴上的凸轮使挺杆进行上下运动，带动摇臂摆动，摇臂的摆动使气门开启和关闭。
由于四行程发动机每完成一个工作循环，曲轴转两圈，而各缸只进、排气一次，即凸轮轴只需转一圈，所以曲轴与凸轮轴的转速比为2∶1（齿数比1∶2）。
图3-1 配气机构组成
1—螺栓40N·m+继续转动1/4圈（90°） 2—凸轮轴调节器 3—凸轮轴正时齿轮 4—O型圈 5—凸轮轴调节阀1-N205 6—螺栓10N·m 7—螺栓10N·m+继续转动1/4圈（90°） 8—气门室盖 9—螺栓10N·m 10—密封盖 11—滚子摇臂 12—气门锥形锁夹 13—弹簧座1 4—气门杆密封件 15—液压挺杆 16—气门导管 17—气门弹簧 18—气门 19—排气凸轮轴 20—导向套21—进气凸轮轴 22—螺栓50N·m+继续转动1/4圈（90°）
图3-2 顶置气门配气机构
顶置气门式的特点是：气门行程大，燃烧室结构紧凑，有利于燃烧及散热，同时可提高发动机的压缩比，改善了发动机的动力性。
（2）按凸轮轴的布置分类
1）上置凸轮轴式。上置凸轮轴式配气机构的凸轮轴安装在气缸盖上，它一般有两种形式：一种是单凸轮轴式，如图3-3所示；另一种是双凸轮轴式，如图3-4所示。
单凸轮轴式发动机配气机构的结构特点是：只有一根凸轮轴，它既驱动进气摇臂或进气门，又驱动排气摇臂或排气门。
图3-3 单凸轮轴式
图3-4 双凸轮轴式
双凸轮轴式发动机配气机构的结构特点是：有两根凸轮轴，其中一根凸轮轴驱动进气门摇臂或进气门，另一根凸轮轴驱动排气门摇臂或排气门。在气门的驱动方式上通常又有两种形式，一种是凸轮轴直接驱动气门，另一种是通过摇臂驱动气门，如图3-5所示。
2）中置凸轮轴式。当发动机转速较高时，为了减小气门传动机构的往复运动质量，可将凸轮轴位置移到气缸体的上部，由凸轮轴经过挺杆直接驱动摇臂，而省去推杆，这种结构称为中置凸轮轴式。
3）下置凸轮轴式。下置凸轮轴式的结构特点是：将凸轮轴布置在曲轴箱内。
（3）按曲轴和凸轮轴的传动方式分类
曲轴和凸轮轴之间的动力传递方式有三种，分别为齿轮式、链条式和正时带式。
图3-5 气门驱动方式
a）凸轮轴直接驱动 b）通过摇臂驱动
1）齿轮传动。为了使齿轮啮合平顺，减小噪声和磨损，配对正时齿轮多用斜齿并用不同材料制成。为了保证配气正时，齿轮上都有正时记号，装配时必须使记号对齐。
2）链条传动。正时齿轮通过链条驱动凸轮轴，在链条侧面有张紧机构和链条导板，利用张紧机构可以调整链条的张力。
3）正时带传动。用氯丁橡胶齿形带代替链条传动，它的优点是噪声更小、质量更轻、啮合量更大、工作更可靠且不需要润滑，松紧度更便于调整。
（4）按每缸气门数分类。一般发动机较多采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门。这种结构在可能的条件下应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径，以改善气缸的换气性能。但是，由于受到燃烧室尺寸的限制，从理论上讲，最大气门直径一般不超过气缸直径的一半。当气缸直径较大，活塞平均速度较高时，每缸一进一排的两气门结构就不能满足发动机对换气的要求。因此，在很多新型汽车发动机上，为了提高换气效率，在气门结构上采用了每缸三气门的结构，即两个进气门，一个排气门；或每缸四气门的结构，即两个进气门和两个排气门；甚至有每缸五气门的结构，即三个进气门和两个排气门。采用上述形式后，气门总的通断面增大，换气效率改善，提高了发动机的动力性能和排放性能。此外，由于气门数目增加了，还可适当减小气门升程，改善配气机构的动力性。
三、配气机构的工作原理
配气机构尽管因种类不同，其动力传递路线也有所区别，但各种配气机构工作原理均相似。这里就以气门顶置、凸轮轴上置式配气机构为例讲解其工作原理。图3-6所示为该形式的配气机构的构造。
发动机工作时，曲轴正时齿轮根据不同的驱动方式（齿轮、链条或齿形带）带动凸轮轴正时齿轮旋转，凸轮轴就随着其正时齿轮一起旋转。当凸轮轴上的凸轮由基圆经缓冲段到工作段时，液压挺杆元件好像刚性元件一样支承着摇臂，使摇臂向下推动气门尾端向下运动，克服气门弹簧的弹力将气门向下顶开。
凸轮随着凸轮轴的继续旋转，从凸轮的工作段向缓冲段运动，这时摇臂作用在气门上的推力逐渐减小，气门在气门弹簧的作用下也就逐渐关闭。当摇臂完全落到凸轮基圆时，气门完全关闭。
图3-6 气门顶置、凸轮轴上置式配气机构
四、配气相位
发动机在换气行程中，若能够做到排气彻底、进气充分，则可以提高充气系数，增大发动机输出的功率。四冲程发动机的每一个工作行程曲轴要旋转180°。由于现代发动机转速很高，一个行程经历的时间是很短的。四冲程发动机，在最大功率时的发动机转速达到5600r/min，一个行程的时间只有0.0054s。在如此短的进气和排气行程中，很难达到进气充分，排气彻底。为改善换气行程，提高发动机性能，实际发动机的气门开启和关闭并不在上、下止点，而是适当提前或滞后，即气门开启过程都大于180°曲轴转角。
用曲轴转角表示气门开启与关闭时刻和开启的持续时间，称为配气相位，如图3-7所示。
图3-7 配气相位图
1.进气提前角
在排气行程接近完成时，活塞到达上止点之前，进气门便开始开启。从进气门开始开启到上止点所对应的曲轴转角称为进气提前角，用α表示。一般α值为0°～30°曲轴转角。进气门早开，使得活塞到达上止点开始向下移动时，进气门已有一定开度，所以可较快地获得较大的进气通道截面，减少进气阻力。
2.进气迟后角
在进气行程到达下止点时，进气门并未关闭，而是在活塞上行一段距离后才关闭。从活塞位于下止点至进气门完全关闭时对应的曲轴转角称为进气迟后角，用β表示。其值一般为30°～80°曲轴转角。活塞在到达下止点时，气缸内的压力仍低于大气压力，且气流还有相当大的惯性，适当延迟关闭进气门，可利用压力差和气流惯性继续进气。进气门开启持续时间内的曲轴转角，即进气持续角为α+180°+β曲轴转角。
进气门早开的目的是为了在进气开始时进气门有较大的开度或较大的进气通过断面，以减小进气阻力，使进气顺畅。进气门晚关则是为了充分利用气流的惯性，在进气迟后角内继续进气，以增加进气量。进气阻力减小不仅可以增加进气量，还可以减少进气过程消耗的功率。
3.排气提前角
在做功行程的后期，活塞到达下止点前，排气门便开始开启。从排气门开始开启到活塞到达下止点时所对应的曲轴转角称为排气提前角，用γ表示。一般γ值为40°～80°曲轴转角。做功行程接近结束时，气缸内的压力约为0.3～0.5MPa，做功作用已经不大，此时提前打开排气门，高温废气迅速排出，减小活塞上行排气时的阻力，减少排气时的功率损失。高温废气提早迅速排出，还可防止发动机过热。
4.排气迟后角
排气门是在活塞到达上止点后，又开始下行一段距离后才关闭的。从活塞位于上止点到排气门完全关闭时所对应的曲轴转角称为排气迟闭角，用δ表示。一般δ数值为0°～30°曲轴转角。活塞到达上止点时，气缸内的压力仍高于大气压，由于气流有一定的惯性，排气门适当延迟关闭可使废气排得更干净。排气门开启持续时间内的曲轴转角，即排气持续角为γ+180+δ曲轴转角。
排气门早开的目的是为了在排气门开启时气缸内有较高的压力，使废气能以很高的速度自由排出，并在极短的时间内排出大量废气。当活塞开始排气行程时，气缸内的压力已大大下降，排气门开度或排气通过断面明显增大，从而使强制排气的阻力和排气消耗的功率大为减小。排气门晚关则是为了利用废气流动的惯性，在排气迟后内继续排气，以减少气缸内的残余气量。
5.气门重叠与气门重叠角
由于进气门早开和排气门晚关，在活塞位于排气上止点附近，出现一段进、排气门同时开启的现象，称为气门重叠。同时开启的角度，即进气门提前角α与排气门迟后角δ之和称为气门重叠角。气门叠开时气门的开度很小，且新鲜气流和废气流有各自的惯性，在短时间内不会改变流向，适当的叠开角，不会出现废气倒流进气道和新鲜气体随废气排出的现象。相反，进入气缸内部的新鲜气体可增加气缸内的气体压力，有利于废气的排出。增压柴油机可以选择较大的气门重叠角，这是因为进气压力较高，废气不可能流入进气歧管。另外还可以利用新气将气缸内的废气扫除干净。
6.气门间隙
（1）发动机在冷态下 当气门处于关闭状态时，气门与传动件之间的间隙称为气门间隙。
（2）发动机工作时 气门及其传动件，如液压挺杆、摇臂等都将因为受热膨胀而伸长。如果气门与其传动件之间，在冷态时不预留间隙，则在热态下由于气门及其传动件膨胀伸长而顶开气门，破坏气门与气门座之间的密封，造成气缸漏气，从而使发动机功率下降，起动困难，甚至不能正常工作。为此，在装配发动机时，在气门与其传动件之间需预留适当的间隙，即气门间隙。
气门间隙既不能过大，也不能过小。间隙过小，使气门受热自动开启，不能较好地密封进排气道，产生漏气使发动机热车难以起动，压缩比下降，动力经济性下降；间隙过大，在气门与气门座以及各传动件之间将产生撞击和响声，气门升程减小，进气道截面减小，进气阻力增大，进气量减小，发动机动力经济性下降。最适当的气门间隙由发动机制造厂根据试验确定。
五、可变配气相位原理
从配气相位图上可以看出活塞从上止点移到下止点的进气过程中，进气门会提前开启α和延迟关闭β。当发动机做功完毕，活塞从下止点移到上止点的排气过程中，排气门会提前开启γ和延迟关闭δ。
这种延长气门开启时间的做法，必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻，配气相位上称为“重叠阶段”，可能会造成废气倒流。这种现象在发动机的转速仅1000r/min以下的怠速时候最明显（怠速工作下的“重叠阶段”时间是中等速度工作条件下的7倍）。这容易造成怠速工作不顺畅，振动过大，功率下降等现象。尤其是采用四气门的发动机，由于“帘区”值大，“重叠阶段”更容易造成怠速运转不顺畅的现象。设计师为了消除这一缺陷，就以“变”对“变”，采用了“可变式”的气门驱动机构。
可变式气门驱动机构就是在发动机急速工作时减少气门行程，缩小“帘区”值，而在发动机高速工作时增大气门行程，扩大“帘区”值，改变“重叠阶段”的时间，使发动机在高转速时能提供强大的功率，在低转速时又能产生足够的转矩，从而改善了发动机的工作性能。气门可变驱动机构能根据汽车的运行状况；随时改变配气相位，改变气门升程和气门开启的持续时间。
1.可变配气相位调整原理
（1）怠速状态 在怠速时，通过消除气门重叠角，以减少废气进入进气道，达到稳定怠速，提高燃油经济性的目的。怠速行驶范围内配气相位调整如图3-8所示。
图3-8 怠速状态下配气相位的调整
（2）中等负荷 在中等负荷行驶范围内，通过增加气门重叠从而增加了内部EGR（废气再循环）量。这样减小了进气歧管内的负压。因而也减小了活塞的泵吸损失并且改善了油耗。另外，由于此内部EGR的结果，燃烧废气再次吸入，从而降低了燃烧温度，NOx排放也减少了。另外，由于未燃烧的气体再次燃烧，也减少了HC排放。中等负荷行驶范围内配气相位的调整如图3-9所示。
图3-9 中等负荷状态下配气相位的调整
（3）从低速到中速大负荷 在低速到中速大负荷行驶范围内，采用提前关闭进气门的方式，提高充气效率。这样，在低速到中速范围可提高转矩输出。在低速到中速行驶范围内配气相位的调整如图3-10所示。
图3-10 从低速到中速到大负荷
（4）高速大负荷 在高速大负荷行驶范围内，采用推迟进气门关闭时刻的方式，提高充气效率，达到提高功率的目的。在重负荷、高速行驶范围内配气相位的调整如图3-11所示。
图3-11 高速大负荷状态下配气相位的调整
（5）低温状态 在低温状态时，采用消除气门重叠的方式防止废气窜入进气道。减少低温下燃油消耗，稳定怠速，降低快怠速转速。最终稳定怠速，提高燃油经济性。
（6）起动/停机 在起动或停机时，消除气门重叠以消除废气进入进气道，从而提高起动性能。
2.可变配气相位技术
理想的配气相位应满足以下要求：
1）低速时，采用较小的气门叠开角和较小的气门升程，防止气缸内新鲜充量向进气系统倒流，以增加转矩，提高燃油经济性。
2）高速时，应具有最大气门升程和进气门迟后角，最大限度地减小流动阻力，充分利用气体流动惯性，提高充气系数，以满足动力性要求。
3）能够对进气门从开启到关闭的持续期进行调整，以实现最佳的进气定时。
可变配气相位是现代汽车新技术之一，它改变了配气相位固定不变的状态。在发动机运转工况范围内提供最佳的配气正时，提高了充气系数，较好地解决了高转速与低转速、大负荷与小负荷条件下动力性与经济性的矛盾，在一定程度上改善了废气排放、怠速稳定性和低速平稳性，降低了怠速转速。