配氣機構

發動機配氣機構（內燃機配氣機構）是按照發動機每一氣缸內所進行的工作循環和點火順序的要求，定時開啟和關閉各氣缸的進、排氣門，使新鮮的可燃混合氣（汽油機）或空氣（柴油機）得以及時進入氣缸，廢氣得以及時從氣缸排出。在壓縮與作功行程中，關閉氣門保證燃燒室的密封。

基本介紹

• 中文名：配氣機構
• 外文名：Valve mechanism
• 組成：氣門組和氣門傳動組
• 主要故障：凸輪軸響、氣門腳響
• 分類：氣門頂置式、氣門側置式

要求

配氣機構的要求是結構參數和形式有利於減少進氣和排氣阻力，而且進、排氣門的開啟時刻和延續的開啟時間比較適當，使進氣和排氣都儘可能充分，以得到較大的功率轉矩和排放性能。

新鮮混合氣或空氣充滿氣缸的程度，用充氣效率來表示。充氣效率越高，表明進入氣缸內的新鮮空氣或可燃混合氣質量越多，燃燒混合氣可能發出的熱量越大，發動機的功率越大。對一定容積（V）的發動機而言，質量與進氣終了的T和P有關，進氣的T和P越低，進氣質量越大，充氣效率越高。

但由於進氣系統對氣體造成阻力使進氣終了時的氣缸內壓力下降，又因為上一輪循環中殘餘的高溫廢氣，使進氣終了氣體溫度升高，實際進入氣體的質量總小於在一般狀態下的充滿氣缸氣體的質量。也就是說，充氣效率總小於1。一般為0.8~0.9。

布置型式

氣門頂置式

氣門頂置式是目前套用最廣泛的一種配氣機構型式。進氣門和排氣門都倒掛在氣缸蓋上。氣門組包括氣門、氣門導管、氣門座、彈簧座、氣門彈簧、鎖片等零件；氣門傳動組一般由搖臂、搖臂軸、推桿、挺柱、凸輪軸和正時齒輪組成。當氣缸的工作循環需要將氣門打開進行換氣時，曲軸通過傳動機構（如正時齒輪）驅動凸輪軸旋轉，使凸輪軸上的凸輪凸起部分通過挺柱、推桿、調整螺釘推動搖臂擺轉，搖臂的另一端便向下推開氣門，同時使彈簧進一步壓縮。當凸輪的凸起部分的頂點轉過挺柱以後，便逐漸減小了對挺柱的推力，氣門在彈簧張力的作用下開度逐漸減小，直至最後關閉。壓縮和做功行程中，氣門在彈簧張力的作用下嚴密關閉。

凸輪軸布置型式

圖3-2 三種凸輪軸位置型式

（1）凸輪軸下置式配氣機構：凸輪軸裝在曲軸箱內，直接由凸輪軸正時齒輪與曲軸正時齒輪相嚙合，由曲軸帶動。氣門傳動組包括上述全部零件，其套用最為廣泛。

（2）凸輪軸中置式配氣機構：凸輪軸位於氣缸體的上部。為了減小氣門傳動機構的往復運動的質量，對於高轉速的發動機，可將凸輪軸的位置移到氣缸體的上部，由凸輪軸經過挺柱直接驅動搖臂而省去推桿。該形式的配氣機構因曲軸與凸輪軸的中心線距離較遠，一般要在中間加入一個中間齒輪（惰輪）。

（3）凸輪軸上置式配氣機構：凸輪軸布置在氣缸蓋上。凸輪軸直接通過搖臂來驅動氣門，沒有挺柱和推桿，使往復運動的質量大為減小，對凸輪軸和氣門彈簧的要求也最低，因此它適用於高速強化發動機。

凸輪軸傳動方式

凸輪軸由曲軸帶動旋轉，它們可以通過正時齒輪、正時鏈條或正時皮帶來傳動。四行程發動機每完成一個工作循環，曲軸旋轉兩圈，各缸的進、排氣門各開啟一次，即凸輪軸只轉一圈，所以曲軸與凸輪軸的傳動比為2：1。

氣門側置式

進氣門和排氣、門都裝置在氣缸體的一側。

組成

各式配氣機構都可分為氣門組和氣門傳動組兩大部分。氣門組包括氣門及與之相關聯的零件，其組成與配氣機構的形式基本無關。

氣門傳動組是從正時齒輪開始至推動氣門動作的所有零件，其組成視配氣機構的形式而有所不同，它的功用是定時驅動氣門使其開閉。

配氣機構組成

氣門組

氣門組包括氣門、氣門導管、氣門座及氣門彈簧等零件。有的進氣門還設有氣門旋轉機構，氣門組應保證氣門對汽缸的密封性，氣門組有以下要求：

• 氣門頭部與氣門座貼合嚴緊；
• 氣門在氣門導管中上下運動良好。
• 氣門彈簧的兩端面與氣門桿中心線垂直，保證氣門頭部在氣門座上不偏斜。
• 氣門彈簧力足以克服氣門運動慣性力，使氣門能順速開閉。

1）氣門

氣門是由氣門頭部和桿部組成。氣門頭部溫度很高（進氣門570~670，排氣門1050~1200），而且還承受氣體的壓力、氣門彈簧的作用力和傳動組件慣性力，其潤滑、冷卻條件差，要求氣門必須有一定強度、剛度、耐熱和耐磨性能。進氣門一般採用合金鋼（鉻鋼、鎳鉻鋼），排氣門採用耐熱合金（矽鉻鋼）。有時為了省耐熱合金，排氣門頭部用耐熱合金，而桿部用鉻鋼，然後將兩者焊接起來。

氣門頭部的形狀有平頂、球面頂和喇叭頂等。一般是使用平頂的。平頂氣門頭部結構簡單、製造方便、吸熱面積小、質量較小、進排氣門都可以使用。球面頂氣門適用於排氣門，其強度高、排氣阻力小、廢氣消除效果好，但其受熱面積大，質量和慣性大、加工複雜。喇叭型有一定的流線型，可減少進氣阻力，但其頭部受熱面積大，只適合進氣門。

氣門錐角是氣門密封面的角度一般是45°，有些是30°（CA1091性汽車6102型發動機）.30的氣門是考慮升程相同的情況下，氣門錐度小，氣門通過端面大，進氣阻力小，但由於錐度小的氣門頭部邊緣較薄，剛度小，密封性與導熱性差，一般用於進氣門。氣門邊緣的厚度一般為1~3mm，以防止工作中與氣門座衝擊而損壞或被高溫燒壞。為了減少進氣阻力，提高汽缸進氣效率，多數發動機進氣門比排氣門大。用過的進氣門與排氣門顏色也不同。氣門桿呈圓柱型，在氣門導管中不斷進行往復運動，其表面必經過熱處理和磨光。氣門桿端部的形狀取決於氣門彈簧的固定形式，常用的結構是兩半鎖片來固定彈簧座，氣門桿的端部有環槽來安裝鎖片，有的是用鎖銷來固定，其端部有一安裝鎖銷用的孔。

2）氣門導管

氣門導管的作用是起導向作用，保證氣門做直線運動。使氣門與氣門座能正確貼合。此外，氣門導管還在氣門桿與汽缸體之間起導熱作用。

氣門導管的工作溫度較高，約500K，氣門桿在其中運動，僅靠配氣機構飛濺出來的機油進行潤滑，易磨損，所以氣門導管大多數適用灰鑄鐵、球墨鑄鐵等製造的。

氣門導管外圓柱面經過機加工後壓入汽缸蓋，為了防止氣門導管在使用中鬆脫，有的發動機用卡環定位。氣門桿與氣門導管之間有0.05~0.12mm間隙，使氣門桿能在導管中自由運動。

3）氣門座

氣門座可以在汽缸蓋（氣門頂置）或汽缸體（氣門側置）上直接搪出和氣門座用交好的材料單獨製作，然後鑲嵌到汽缸蓋或汽缸體上。他們與氣門的頭部共同對汽缸起密封作用，並接受氣門出來的熱量。

進氣門的溫度較低，可以直接鏜出但排氣門的溫度較高，潤滑條件較差，及易磨損，多用鑲嵌式。鑲嵌式的缺點是導熱性差、加工精度高、容易脫落，一般直接鏜出來好。用鋁合金的汽缸蓋，由於鋁合金材質軟，進排氣門均鑲嵌。

4）氣門彈簧

氣門彈簧的功用是克服在氣門關閉過程中氣門及傳動件的慣性力，防止各傳動件之間的慣性的作用產生間隙。保證氣門及時坐落並緊密接觸，防止氣門在發動機震動時發生跳動，破壞其密封性。

氣門彈簧多為圓柱型螺旋彈簧，其材料為高碳錳鋼冷拔鋼絲，加工後熱處理，鋼絲表面要磨光、拋光或用噴丸處理。為了防止生鏽，表面鍍鋅。

氣門彈簧的一端支承在氣缸蓋或氣缸體上，而另一端則壓靠在氣門桿端的彈簧座上，彈簧座用鎖片固定在氣門桿的末端。為了防止彈簧發生共振，可採用變螺距的圓柱彈簧（如紅旗轎車的8V100發動機氣門彈簧）。高速發動機多數是一個氣門有同心安裝的內、外兩根氣門彈簧。這樣能提高氣門彈簧工作可靠性，即不但可以防止共振，而且當一根彈簧折斷時，另一根還可維持工作。此外還能使氣門彈簧的高度減小。當裝用兩根氣門彈簧時，彈簧圈的螺旋方向應相反。這樣可以防止折斷的彈簧圈卡入另一個彈簧圈內。680Q型發動機，492Q型發動機和CA6102型發動機均採用雙氣門彈簧。

氣門傳動組

氣門傳動組主要包括凸輪軸、正時齒輪、挺柱及其導桿，推桿、搖臂臂和搖臂軸等，其作用是使進排氣門按配氣相位規定的時刻進行開閉，並保證有足夠的開度。

1）凸輪軸

凸輪軸是配氣機構的關建部件，由它控制氣門的配氣相位，有些發動機還用來驅動機油泵、汽油泵和分電器。

凸輪軸主要由進排氣凸輪、支撐軸、正時齒輪軸、汽油泵偏心凸輪、機油泵及分電器驅動齒輪等組成的。

在發動機工作時，為了減少凸輪軸的變形以避免導致配氣機構工作失常，凸輪軸的支承大多採用全支承方式，如上海桑塔納、一汽奧迪100和豐田ZY、3Y型發動機的凸輪軸都採用五個軸頸。有些發動機則為非全支承方式，如解放CA6102和E吸10（）型凸輪軸採用四道軸頸。

為了保證配氣機構正常工作，凸輪在凸輪軸上的相對角位置有嚴格的要求。同一缸的各排氣凸輪的相對角位置，保證一個工作循環中的配氣相位；各缸進氣（或排氣）凸輪的相對角位置、則應與發動機的點火次序相一致。因此，只要知道了凸輪軸的旋轉方向，以及各進氣凸輪（或排氣凸輪）的工作次序，就不難判斷發動機的點火次序。對四缸四行程發動機的凸輪軸，其同名凸輪間的夾角為業四行程六缸發動機同名凸輪間的夾角為360W=60/6=60 凸輪軸通常由曲軸通過一對正時齒輪驅動，在裝配曲軸和凸輪軸時，必須將正時記號對準，以保證正確的配氣相位和發火時刻。為了防止凸輪軸的軸向移動，凸輪軸必須有軸向定位裝置。現代汽車發動機的凸輪多採用止推凸緣定位裝置在解放CA6102、東風EQ6llJ、豐田 ZY、3Y型凸輪軸，均採用這種定位方式，即將止推凸緣裝在凸輪軸第一道軸頸前的凸台上，凸台比止推凸緣厚，以保證止推凸緣與正時齒輪之間的軸向間隙符合規定（轎車0.05~0.10S）。

凸輪軸的材料一般用優質鋼模鍛而成，也可以採用合金鑄鐵或球墨鑄鐵鑄造，凸輪和軸徑的工作表面一般經過熱處理後精磨，以改善耐磨性。

2）氣門挺柱

挺柱的功用是將凸輪的推力傳給推桿（或氣門桿），並承受凸輪軸旋轉時所施加的側向力。對於氣門側置式配氣機構，其挺柱一般做成菌式，在挺柱的頂部裝有調節螺釘，用來調節氣門間隙。氣門頂置式配氣機構的挺柱一般製成筒式，以減輕重量。所示為滾輪式挺住，其優點是可以減小摩擦所造成的對挺柱的側向力。這種挺柱結構複雜，重量較大。一般多用於大缸徑柴油機上。挺柱常用鎳鉻合金鑄鐵或冷激合金鑄鐵製造。其摩擦表面應經熱處理後精磨。

有的發動機的挺柱直接裝在氣缸體上相應處鑽出的導向孔中，也有的發動機的挺柱裝在可拆式的挺柱導向體中。

液壓挺柱

在挺柱體1中裝有柱塞3，在柱塞上端壓入支承座5。柱塞經常被彈簧8壓向上方，其最上位置由卡環4來限制。柱塞下端的閥架2內裝有碟形彈簧6和單向閥7。發動機潤滑系中的機油從主油道經挺柱體側面的油孔流入，並經常充滿柱塞內腔及其下面的空腔，當氣門關閉時，彈簧8是柱塞3連同壓合在注塞上的支撐座緊靠推桿，整個排氣機構中不存在間隙。

當挺柱被凸輪推舉向上時，推桿作用於支承座5和柱塞3上的反力力圖使柱塞克服彈簧8的力而相對於挺柱體1向下移動，於是柱塞下部空腔內油壓迅速增高，使單向閥7關閥。由於液體的不可壓縮性，整個挺柱如同一個剛體一樣上升，這樣便保證了必要的氣門升程。當油壓很高時，會有少許油液經柱塞與挺柱體之間的配合間隙漏出去，但這不致影響正常的工作。同樣，在氣門受熱膨脹時，柱塞也因受壓而與挺柱體作軸向相對運動，並將油液自下腔經上述間隙擠出。故使用液力挺柱時，可以不留氣門間隙，而保證氣門受熱膨脹時仍能與氣門座密合。

當氣門開始關閉或冷卻收縮時，柱塞所受壓力減小，由於彈簧8的作用，柱塞向上運動，始終與推桿保持接觸。同時柱塞下部的空腔中產生真空度，單向閥7被吸開，油液便流入而再度充滿整個挺柱內腔。

3）推桿

推桿的作用是將從凸輪軸經過挺柱傳來的推力傳給搖行、它是氣門機構中最易彎曲的零件。要求有很高的剛度，在動載荷大的發動機中，推桿應儘量地做得短些。對於缸體與缸蓋部是鋁合金製造的發動機，其推桿最好用硬鋁製造。推桿可以是實心，或空心的．鋼製實心推桿，一般是同球形支座鍛成一個整體，然後進行熱處理。

4）搖臂與搖臂軸

實際上是一個雙臂槓桿，用來將推桿傳來的力改變方向，作用到氣門桿端以推開氣門。搖臂7的兩邊臂長的比值（稱為搖臂比）約為1.2～1.8，其中長臂一端是推動氣門的。端頭的工作表面一般製成圓柱形，當搖臂擺動時可沿氣門桿端面滾滑。這樣可以使二者之間的力儘可能沿氣門軸線作用。搖臂內還鑽有潤滑油道和油孔。在搖臂的短臂端螺紋孔中旋入用以調節氣門間隙的調節螺釘9，螺釘的球頭與推桿頂端的凹球座相接觸。

搖臂通過襯套6空套在搖臂軸2上，而後者又支承在支座5上，搖臂上還鑽有油孔。搖臂軸為空心管狀結構，機油從支座的油道經搖臂軸內腔和搖臂中的油道流向搖臂兩端進行潤滑。為了防止搖臂的竄動，在搖臂軸上每兩搖臂之間都裝有定位彈簧11。

搖臂是用45號鋼衝壓而成。

主要故障

配氣機構的故障主要有配氣相位失準和配氣機構異響。配氣相位失準主要是同步帶安裝位置不正確或同步帶齒形磨損引起滑轉，遇此故障應立即更換同步帶，並按發動機拆裝的有關內容重新安裝同步帶。配氣機構異響的故障診斷與排除如下所述：

凸輪軸響

1. 現象
2. 在發動機上部發出有節奏較鈍重的“嗒嗒”聲。
3. 中速時明顯，高速時響聲雜亂或消失。

原因

1. 凸輪軸軸向間隙過大，產生軸向竄動。
2. 凸輪軸有彎、扭變形。
3. 凸輪工作表面磨損。
4. 凸輪軸軸頸磨損，徑向間隙過大。

診斷與排除

1. 檢查凸輪軸軸向間隙。如其軸向間隙過大，則應更換止推板；嚴重時，應更換凸輪軸。
2. 如凸輪軸軸向間隙正常，則表明有凸輪軸彎扭變形、此輪磨損或凸輪軸軸頸磨損等不良現象。此時，應分解配氣機構，查明具體原因，視情更換凸輪軸。

氣門腳響

1. 現象
2. 發動機怠速時，氣缸蓋罩內發出有節奏的“嗒嗒嗒”的響聲。
3. 發動機轉速升高，響聲增大。
4. 發動機溫度變化或作斷火試驗，響聲不變。

原因

1. 氣門間隙調整不當
2. 氣門桿尾端與氣門間隙調整螺釘磨損。
3. 氣門間隙調整螺釘的鎖緊螺母鬆動。
4. 凸輪磨損或搖臂圓弧工作面磨損。

診斷與排除

1. 拆下氣缸蓋罩，檢查氣門間隙調整螺釘的鎖緊螺母是否鬆動；檢查氣門間隙值，並視情重新調整。
2. 檢查氣門桿尾部端面和調整螺釘的磨損情況，必要時更換氣門或調整螺釘。
3. 檢查凸輪與搖臂圓弧工作面的磨損情況，視情更換凸輪軸或搖臂。

氣門彈簧晌

1. 現象
2. 發動機怠速時有明顯的“嚓嚓”的響聲。
3. 各轉速下均有清脆的響聲，多根氣門彈簧不良，機體有震抖現象。

原因：氣門彈簧過軟或折斷。

診斷與排除

1. 拆下氣缸蓋罩，用旋具撬住氣門彈簧，若彈簧折斷可明顯地看出。彈簧折斷應予以更換。
2. 仍用旋具撬住氣門彈簧，怠速運轉發動機，若響聲消失，即為該彈簧過軟。彈簧如過軟，必須更換。

氣門座圈響

1. 現象
2. 有節奏的類似氣門腳響，但比氣門腳響的聲音大很多。
3. 發動機轉速一定時，響聲時大時小，並伴有破碎聲。
4. 發動機中低速運轉時，響聲較清脆，高速時響聲增大且變得雜亂。

原因

1. 氣門座圈和氣缸蓋氣門座圈座孔配合過盈量不足。
2. 氣門座圈鑲入氣缸蓋氣門座圈座孔後，滾邊時沒有將座圈壓牢。
3. 氣門座圈粉末冶金質量不佳，受熱變形以致鬆動。

診斷與排除：拆下氣缸蓋罩，經檢查不是氣門腳響和氣門彈簧響，即可斷定為氣門座圈響。分解配氣機構後進一步檢查，必要時，鉸削氣門座圈座孔，更換鬆動的氣門座圈，並保證其壓入後有足夠的過盈量。