内燃机第三章配气机构.ppt

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1、第三章 配气机构,第一节 概述,一、功用：,按照发动机各缸工作过程的需要，定时地开启和关闭进、排气门，使新鲜可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机)及时进入气缸，废气及时排出气缸。,二、类型：,根据凸轮轴的位置分为下置式、中置式上置式。,(一)下置凸轮轴式,1、结构特点（1）凸轮轴装在曲轴箱内，而摇臂轴装在气缸盖上，两者相距较远，推杆较长。,（2）凸轮轴距曲轴较近，两者之间采用正时齿轮传动。,2、组成：,气门驱动组气门组,气门驱动组,由正时齿轮、凸轮轴、气门挺柱、推杆、调整螺钉和锁紧螺母、摇臂、摇臂轴、摇臂轴支架等组成。,气门组：主要由气门锁片、气门弹簧座、气门弹簧、气门、气门导管、气门座等组成。

2、,3、工作过程（1）气门打开：曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴旋转，凸轮轴上的凸起部分通过挺柱、推杆、调整螺钉，推动摇臂摆转，摇臂的另一端便向下推开气门，同时气门弹簧进一步压缩。,（2）气门关闭：当凸轮的凸起部分的顶点转过挺柱以后，在气门弹簧张力的作用下，气门开度逐渐减小，直至最后关闭。,（二）中置凸轮轴式配气机构 其结构特点为1、凸轮轴位于气缸体的上部2、推杆较短，运动惯性小。3、也可省去推杆，而由挺柱直接驱动摇臂。,(三)凸轮轴上置式配气机构 其结构特点为1、凸轮轴位于气缸盖上。2、凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门，没有挺柱和推杆，使往复运动惯量大大减小，因此它适用于高速发动机。,三、气门间隙1、定

3、义 气门完全关闭时，气门杆尾端与气门驱动组零件之间的间隙。,2、必要性：如果气门及其传动件之间，在冷态时无间隙，则发动机在热态，气门及其传动件的受热膨胀将引起气门关闭不严，造成发动机在压缩和作功行程中漏气，而使功率下降，严重时甚至不易起动。为此，在冷态时应该留气门间隙。,3、气门间隙过大和过小的危害正常：冷态时，进气门0.25mm0.35mm，排气门0.30mm0.35mm。,过大：（1）传动零件之间及气门和气门座之间产生撞击响声，并加速磨损。（2）使气门开启的持续时间减少，气缸充气和排气情况变坏。过小：热态下使气门关闭不严而发生漏气，导致功率下降，甚至烧坏气门。,四、配气相位（一）定义：用曲

4、轴转角表示的进、排气门开闭时刻和开启持续时间，称配气相位。,（一）配气相位的必要性1、因发动机转速高，气门开启的理论持续时间极短。例如四冲程发动机转速3000r/min时，一个行程时间只有0.01s。2、气门开启需要一个过程，气门全开时间就更短。在这样短的时间内，难以做到进气充分和排气干净，因此实际发动机的进、排气门都要早开和晚关，气门开启的持续角都大于1800。,(三）进气门的配气相位,1、进气提前角（1）定义：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(或早开角)。进气提前角用表示，一般为100300。,（2）进气提前角的目的：进气门早开，使得活塞到达上止点开始向下运动时，进气

5、门已有一定的开度，可获得较大的进气通道截面，减少进气阻力。,2、进气迟后角,（1）定义：从下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角称为进气迟后角(或晚关角)。进气迟后角用表示，一般为400800。,（2）目的,1）利用缸内外的压力差继续进气：到下止点时，气缸内的压力仍低于大气压2）利用气流的惯性继续进气所以进气门适当晚关可使进气较充分。,(四)排气门的配气相位,1、排气提前角(或早开角)（1）定义：从排气门开始开启到下止点所对应的曲轴转角排气提前角用表示，一般为400800。,（1）目的1）利用缸内外的压力差继续排气：排气门早开，气缸内300kPa500kPa的压力，使气缸内的废气迅速地自由排出。2

6、）减少排气冲程所消耗的功率：因排气门早开，废气先排出一部分，活塞到达下止点时，气缸内只剩约110kPa120kPa的压力，使排气冲程所消耗的功率大为减少。3）高温气体的早排，可以防止发动机过热。,2、排气迟后角,（1）定义：从上止点到排气门关闭所对应的曲轴转角称为排气迟后角(或晚关角)。排气迟后角用表示，一般为100300。,（2）排气迟后角的目的,1）利用缸内外的压力差继续排气：因活塞到达上止点时，气缸内的压力仍高于大气压，可利用缸内外的压力差继续排气。2）利用废气流的惯性继续排气：因活塞到达上止点时，废气流还有一定的惯性，仍能继续排气。所以排气门适当晚关可使废气排得较干净。,（五）气门的叠

7、开,1、定义：由于进气门早开和排气门晚关，就出现了一段进排气门同时开启的现象，称为气门叠开。进排气门同时开启的角度，即进气门早开角与排气门晚关角的和（+），称为气门叠开角。,思考：气门的叠开会不会产生废气倒排回进气管和新鲜气体随废气排出的问题？,答案不会因叠开时气门的开度较小，且新鲜气体和废气流的惯性要保持原来的方向，所以只要叠开角适当，就不会产生废气倒排回进气管和新鲜气体随废气排出的问题。,第二节 气门驱动组的主要机件主要机件有凸轮轴及其驱动装置、挺柱、推杆、摇臂及摇臂轴等,一、凸轮轴及其驱动装置,(一)凸轮轴的功用1、驱动和控制各缸气门的开启和关闭，使其符合发动机的工作顺序、配气相位及气门

8、开度变化规律等要求。2、驱动汽油泵、机油泵和分电器等。,(二)凸轮轴的构造凸轮轴主要由凸轮、凸轮轴轴颈等组成。对于下置式凸轮轴，还有偏心轮(用于驱动汽油泵)、螺旋齿轮(用于驱动机油泵和分电器)。,1、凸轮（1）凸轮的轮廓（2）结构：凸轮的轮廓保证气门开启和关闭的持续时间符合配气相位的要求。O为凸轮的中心，EA为凸轮的基圆，AB和DA为凸轮的缓冲段，BCD为凸轮的工作段。,（3）工作：当挺柱处于EA上时，气门处于关闭状态。当凸轮转至A点时，挺柱开始移动，在缓冲段AB内的某点M处消除气门间隙，气门开始开启，至C点时气门开度最大，而后逐渐关小，至缓冲段DE内的某点N时，气门完全关闭，此后，挺柱继续下

9、落，出现气门间隙，至E点时挺柱又处于最低位置。,(4)同名凸轮的相对角位置凸轮轴上各缸进气(排气)凸轮，即同名凸轮的相对角位置与凸轮轴的转动方向、各缸的工作顺序和作功间隔角有关。直列四冲程发动机其同名凸轮间的夹角等于作功间隔角的一半，如四缸为900，六四缸为1200，,2、凸轮轴轴颈（1）作用：用来支承凸轮轴。（2）凸轮轴各道轴颈的直径有的相等，但也有的从前往后逐渐减小，以便于安装。,（1）有的凸轮轴轴颈上有油孔。为一下置式凸轮轴的最后一道轴颈上钻一与轴平行的通孔。（2）有的凸轮轴轴颈上有油槽，摇臂的润滑是靠该油槽，通过缸体上的油道输送润滑油。,(三)凸轮轴的驱动,凸轮轴是通过传动装置来驱动的

10、，其传动装置有齿轮式、链条式和齿形皮带式。,1、齿轮传动（1）齿轮式用于下置式凸轮轴的驱动。（2）汽油机用一对正时齿轮传动,柴油机上凸轮轴与曲轴中心距较大，且需要同时驱动喷油泵，需加入中间惰轮传动,正时齿轮都用斜齿轮并用不同材料制成，以减小噪声和磨损。通常小齿轮用中碳钢，大齿轮柴油机用钢而汽油机用夹布胶木或塑料。,（4）正时齿轮上有正时记号，装配时必须使记号对齐，以保证配气正时。图a的AB,图b中有三对记号，11为配气正时记号，22为喷油正时记号，33为二者共用正时记号，装配时三对记号必须都对正。,2、链条传动和齿形皮带传动（1）链条传动噪声小，一般用于中置或上置凸轮轴的发动机上,（2）为了防

11、止链条抖振，设有导链板和张紧装置，张紧装置有机械式和液压式两种。在高速发动机上广泛采用氯丁橡胶齿形皮带传动代替链条传动，噪声显著减少，且质量轻、包角大、啮合量大，齿向压强小，工作可靠。,齿形带传动,（四）凸轮轴的轴向限位装置1、作用：防止凸轮轴在工作中产生轴向窜动和承受斜齿轮产生的轴向力。,2、结构：在凸轮轴前轴颈与正时齿轮之间压装有调节环，调节环外面松套一止推板，止推板用螺钉固定于气缸体前端面，调节环的厚度大于止推板的厚度，二者之差称为凸轮轴的轴向间隙(0.08mm0.20mm)。,二、气门挺柱与推杆（一）挺柱1、功用：将凸轮的推力传给推杆或气门。,2、普通挺柱的构造1）型式：常见挺柱有筒形

12、和菌形两种2）挺柱的旋转目的：使挺柱磨损均匀。因挺柱工作时，由于受凸轮侧向推力的作用会引起挺柱与导管之间单面磨损，又因挺柱底面与凸轮始终在一处接触，也会造成磨损不均匀。,措施：挺柱底部工作面多制成球面，并且把凸轮制成锥形。这样，在工作时，由于凸轮与挺柱的接触点偏离挺柱轴线，当挺柱挺起时，接触点的摩擦力使其绕本身轴线转动，以达到磨损均匀的目的。,3、液力挺柱（1）目的：解决了因有气门间隙而产生的冲击及噪音问题。,（2）结构：液力挺柱由挺柱体、柱塞、球座、柱塞弹簧、单向阀和单向阀弹簧等组成。挺柱体和柱塞上有油孔与发动机机体上相应的油孔相通。球座为推杆的支承座。单向阀有片式和球式两种。,（3）工作情

13、况,发动机工作时，机油沿主油道供到气门挺柱,1）当气门关闭时，机油经挺柱体和柱塞上的油孔压进柱塞腔A内，推开单向阀充入挺柱体腔B内。柱塞便在挺柱体腔油压及柱塞弹簧的作用下上行，与气门推杆压紧。,但此压力远小于气门弹簧张力，气门不会被打开只是消除了整个配气机构中的间隙。同时，B腔内油液已充满，单向阀关闭。,2）气门的开启,当凸轮转到工作面使挺柱上推时，由于单向阀已关闭，柱塞便推压挺柱体腔B内油液使压力升高，而液体具有不可压缩性，,挺柱便像一个整体一样推动气门开启。此过程中，由于挺柱体腔内油压较高，在柱塞与挺柱体的间隙处，将有少数油液泄漏而使“挺柱缩短”。,3）气门的关闭：,当凸轮转到非工作面时，

14、解除了对挺柱的推力，使挺柱体腔B内油压降低。于是，主油道的油压将再次推开单向阀，向挺柱体腔内充油，,以补充工作时的泄漏，并且此油压又和柱塞弹簧一起使柱塞上推，始终保持配气机构无间隙。,4）若气门和推杆受热膨胀时,挺柱回落后向挺柱体腔内补油时，便会减少补油量，从而使挺柱自动“缩短”。因此可不留气门间隙仍能保证气门关闭。,相反，若气门和推杆冷缩，则挺柱回落后向挺柱体腔内补油时，便会增加补油量，从而使挺柱自动“伸长”。因此仍保持配气机构无间隙。,(4)使用液力挺柱的发动机应注意以下问题：,1）对润滑油的压力和滤清质量要求较严格。当润滑油压力过低时，补油能力下降，气门间隙大；2）液力挺柱拆洗后，装机前

15、必须人工排气，否则起动困难；3）冷机或停放时间长时，起动后有短暂气门响声，这是正常现象。,(5)奥迪轿车和桑塔纳轿车发动机液力挺柱的特点：,1）采用倒置的液力挺柱，直接推动气门开启；,2）挺柱体是由上盖和圆筒，经加工后再用激光焊接成一体的薄壁零件；单向阀采用钢球弹簧式结构。,(二)推杆,1、作用：将挺柱传来的推力传给摇臂。2、结构：推杆一般采用冷拔无缝钢管制成杆的两端焊接或压配有不同形状的端头，下端通常是圆球形，以便与挺柱的凹球形支座相适应；上端一般采用凹球形。,三、摇臂和摇臂组,1、功用：将推杆或凸轮传来的推力传给气门使其开启。,2、结构,摇臂装在摇臂轴上，摇臂轴通过摇臂轴支座装在气缸盖上。

16、摇臂是一个不等臂杠杆，其长臂一端驱动气门。,3、浮动式摇臂其摇臂没有中间支承轴，是在导槽中浮动的安装。摇臂的一端安装在气缸盖的液力挺柱上，另一端驱动气门，凸轮抵在摇臂的中部。,四、半球形燃烧室的气门驱动装置,1、两气门成横向V型排列，即进、排气门在气缸盖的左右两侧。,五、双气门的驱动装置 某些大排量、高转速、高功率的发动机，由于气门尺寸的限制，每缸两个气门不能满足换气的需要，而采用三气门（两进一排）或四气门（两排两进），因此必须有使两同名气门同步开闭的驱动装置。,每缸采用四气门时，其气门排列的方案有两种：1、同名气门排成两列 由一个凸轮通过T形驱动杆同时驱动，并且所有气门都可以由一根凸轮轴驱动

17、。,2、同名气门排成一列进排气门分别位于曲轴中心线的两侧，分别采用两根凸轮轴驱动，每缸两同名气门采用两个形状和位置相同的位置驱动。,第四节 气门组的主要机件,气门组的主要机件有气门、气门弹簧、气门导管等,一、气门,(一)材料1、进气门：采用中碳合金钢，如铬钢、镍铬钢、铬钼钢等。2、排气门：因排气门热负荷大，所以采用耐热钢，如硅铬钢、硅铬钼钢、等硅铬锰钢等。,（二）气门的一般构造1、气门头部（1）头部形状,1）平顶：结构简单、制造方便、受热面积小，进排气门均用。2）凸顶：受热面积大，用于某些排气门。,3）凹顶：也称漏斗形，质量小、惯性小，头部与杆部有较大的过渡圆弧，使气流阻力小，有较大的弹性，对

18、气门座的适应性好，但受热面积大，易存废气，容易过热及受热易变形，所以仅用作进气门。,（2）气门锥角1）定义：气门锥面与顶平面的夹角称气门锥角。,2）气门锥角的作用,就向锥形塞子可以塞紧瓶口一样，能获得较大的气门座合压力，以提高密封性和导热性；气门落座时有自动定位作用；避免气流拐弯过大而降低流速；气门落座时能挤掉接触面的沉积物，即有自洁作用。,3）进、排气门锥角的大小进气门锥角较小，多用300。因锥角越小，进气通道截面越大，进气量越多。排气门锥角较大，通常为450。因锥角越大，气门头部边缘的厚度大，不易变形。排气门热负荷较大而用较大的锥角，以加强散热和避免受热变形。且锥角越大，座合压力越大，自洁

19、作用越大。,3）气门头部直径气门头部直径越大，气门口通道截面就越大，进、排气阻力就越小。通常进气门头部直径大于排气门。另外，排气门稍小些，还不易变形。h1h2,2、气门的杆部 气门的杆部起导向、散热作用。（1）弹簧座的固定：锁片式结构。气门杆的尾部切有凹槽，用分成两半的锥形锁片卡在凹槽中，锁片锥形外圆与弹簧座的锥形孔贴合，在弹簧作用下，锁片与弹簧座的锥孔相互卡紧不会脱落。,（2）气门的防脱装置：有些发动机的气门，在杆部锁片槽下面另有一条切槽装一卡环以防万一气门弹簧折断时气门有落入气缸发生捣缸的危险。,（3）气门油封发动机高速化后，进气管中的真空度显著提高，气门室中的机油会通过气门杆与导管之间的

20、间隙被吸入进气管和气缸内，使机油消耗增加，在气门上和燃烧室内产生积碳。为此，发动机的气门杆上部都装有机油防漏装置，,二、气门座1、定义：气缸盖（或缸体）的排气道与气门锥面相座合的部位称为气门座。2、气门座锥角气门座锥角是与气门锥角相适应的，以保证二者紧密座合，可靠地密封。气门座锥角通常为450（或300）。,3、气门干涉角（1）定义：即气门的锥角比气门座的锥角小0.501.00。,（2）气门干涉角的作用1）减小二者之间的接触面积，提高了单位压力，加快了磨合速度，同时也提高了密封性；2）可挤出二者之间的夹杂物，即具有自洁作用；3)在气体压力作用下产生弹性变形时，可趋向全锥面接触；,4）防止加工时

21、出现负干涉角，而使气门暴露在炽热燃气中的受热面积增加，使气门的热负荷增加。气门干涉角上述诸作用中，提高密封能力和加速磨合是主要的，随着走合期的结束，干涉角也逐渐自行消除，恢复了全工作面接触。,4、气门座的形成（1）直接形成式：直接在缸盖（或缸体）上加工出来。该种形式修复困难，且不经济。,（2）镶座式优点：可节省好材料，提高了使用寿命，便于更换修理。所以，大多数发动机的气门座是用耐热合金钢或合金铸铁单独制成座圈，然后压入气缸盖（体）中。缺点：1）传热差。如排气门镶座式温度可高出500600。2)如果装配不当，会发生松脱或与缸盖配合不好，影响散热。,（3）是否镶座的几种情况1）铝合金气缸盖必须镶双

22、座圈，因其耐磨、耐热性差。2）有的汽油机的排气门镶座圈，而进气门不镶座圈。因为排气门座热负荷大，而进气管中真空度大，会从气门导管间隙吸进少量机油，对进气门座进行润滑。,3)柴油机一般情况是进、排气门都镶座，有的柴油机只镶进气门座圈，这是由于柴油机的废气往往在排气过程中还有未燃完的柴油，可对排气门座进行润滑。而柴油机因没有节气门，进气管中真空度小，难以从近气门导管处吸进机油，对进气门座进行润滑。,三、气门导管1、作用（1）为气门运动导向。（2）为气门杆传热。材料：用含石墨较多的铸铁或粉末冶金制成。以提高自润滑性能。,2、结构(1)防脱落结构1)一般外表面为无台肩的圆柱形，其外表面加工精度较高，与

23、缸盖(体)过盈配合，以保证良好地传热和防止松脱。,2)带凸台和带卡环的导管过盈量较小，因气门弹簧下座将凸台或卡环压住，使导管轴向定位可靠，不致脱落。铝合金缸盖常用带凸台和卡环的导管，其过盈量较小，便于拆装。,（2）气门导管压入进、排气歧管的深度1）过深：气流阻力大，对排气门来说，还因废气对导管的冲刷面积加大，提高了工作温度，而影响气门的散热。2）过浅：气门杆受热面积加大，气门杆温度升高，会影响气门头部的散热。措施：加大压入深度，而将伸入端的内孔及外圆做成锥形，这样既减少了废气对气门杆的冲刷，也避免了导管高温部分与气门杆的接触。伸入端的外圆做成锥形，是为了减小气流阻力。,四、气门弹簧1、作用(1

24、)保证气门自动回位关闭而密封。(2)保证气门与气门座的座合压力。(2)吸收气门在开启和关闭过程中传动零件所产生的惯性力，以防止各种传动件彼此分离而破坏配气机构正常工作。,2、要求 因气门弹簧承受着频繁的交变载荷，为保证气门弹簧可靠地工作，要求气门弹簧（1）具有合适的弹力；（2）具有足够的强度和抗疲劳强度；采用优质冷拔弹簧钢丝制成。钢丝表面经抛光或喷丸处理。,3、气门弹簧防共振的结构措施当气门弹簧的工作频率与其自然振动频率相等或成某一倍数时，将会发生共振，造成气门反跳、落座冲击，并可使弹簧折断。为此，采取以下几种防共振的结构措施：(1)提高气门弹簧的自然振动频率，即提高弹簧的刚度：如加粗钢丝直径

25、或减小弹簧的圈径，即粗丝小径。但由于弹簧刚度大，增加了功率消耗和零件之间的冲击载荷。,（2）采用双气门弹簧：每个气门装两根直径不同、旋向相反的内外弹簧。由于两弹簧的自然振动频率不同，当某一弹簧发生共振时，另一弹簧可起减振作用。旋向相反，可以防止一根弹簧折断时卡入另一根弹簧内。另外，万一一根弹簧折断时，另一根弹簧仍可保持气门不落入气缸。,（3）采用不等螺距气门弹簧：这种弹簧在工作时，螺距小的一端逐渐叠合，有效圈数逐渐减小，自然振动频率也逐渐提高，使共振成为不可能。,不等螺距的气门弹簧安装时，螺距小的一端应朝向气门头部。这是因为弹簧工作时，承受气门杆尾端传来的冲击力，此冲击力向弹簧另一端传递因要克

26、服弹簧本身的惯性而需要一定的时间，所以弹簧的变形，朝向气门杆尾部的一端，先于且往往大于另一端，发动机转速越高，差别越大。,若将螺距小的一端朝向气门杆的尾部，则当发动机高速运转时，此端可能首先叠合在一起，此后弹簧的有效圈数基本不再变化，而且叠合后成为刚性质量而参加弹簧的振动，使振动的当量质量增加，弹簧反而容易疲劳折断。螺距小的一端应朝向气门头部时，情况相反，先在螺距大的一端变形，减缓了螺距小的一端的叠合速度，可使有效圈数在整个工作过程中不断变化。而且叠合端是弹簧的静止端，不参加振动，消除了上述弊病。,(4)采用等螺距的单弹簧，在其内圈加一个过盈配合的阻尼摩擦片来消除共振。,五、气门间隙的调整1、

27、气门间隙调整方法两遍法生产实践中，普遍地采用两遍法调整气门间隙，即第一缸压缩终了上止点时，调整所有气门的半数，再摇转曲轴一周（指四冲程发动机），便可调整其余半数气门。,1、气门间隙调整原则气门在完全关闭的情况下，才能调整气门间隙。根据该原则，则气门在六种状态下不能调：（1）正在进气，则进气门不能调；（2）正在排气，则排气门不能调；（3）将要进气，则进气门不能调；（4）将要排气，则排气门不能调；（5）刚进气完，则进气门不能调；（5）刚排气完，则排气门不能调。,气门在完全关闭时，挺柱落在凸轮的基圆上。即挺柱在凸轮的基圆上时，才能调整气门间隙。由于气门开始开启和关闭时，挺柱是在凸轮的缓冲段内某点上，所以气门间隙不能调。,一缸作功开始时可调气门的判别,1,5,4,3,6,2,双,排,不,进,调气门间隙环行记忆图,