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第三章 配气机构. 概述 气门间隙 配气相位 配气机构的组成和零件. 概述. 一、功用: 配气机构是进、排气管道的控制机构,它按照气缸的工作顺序和工作过程的要求,准时地开闭进、排气门、向气缸供给可燃混合气(汽油机)或新鲜空气(柴油机)并及时排出废气。另外,当进、排气门关闭时,保证气缸密封。进饱排净,四行程发动机都采用气门式配气机构。 二、充气效率:
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第三章 配气机构 概述 气门间隙 配气相位 配气机构的组成和零件
概述 一、功用: 配气机构是进、排气管道的控制机构,它按照气缸的工作顺序和工作过程的要求,准时地开闭进、排气门、向气缸供给可燃混合气(汽油机)或新鲜空气(柴油机)并及时排出废气。另外,当进、排气门关闭时,保证气缸密封。进饱排净,四行程发动机都采用气门式配气机构。 二、充气效率: 新鲜空气或可燃混合气被吸入气缸愈多,则发动机可能发出的功率愈大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度,用充气效率hv表示。hv越高,表明进入气缸的新气越多,可燃混合气燃烧时可能放出的热量也就越大,发动机的功率越大。
三 、类型: 1、按气门的布置: 气门顶置式;气门侧置式 2、按凸轮轴的布置位置: 下置式;中置式;上置式 3、按曲轴与凸轮轴的传动方式: 齿轮传动;链条传动;齿带传动 4、按每气缸气门数目: 二气门式;四气门式等
§3.1 配气机构的总布置 气门驱动组:气门驱动组是从正时齿轮开始至推动气门动作的所有零件。主要由正时齿轮、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。其功用是定时驱动气门使其开闭。 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。其功用主要是维持气门的关闭。 一、配气机构的组成与工作情况
1、气门布置 1)气门顶置式 组成:
(1)气门打开:曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴旋转,使凸轮轴上的凸轮凸起部分通过挺柱、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,同时使弹簧进一步压缩。 (2)气门关闭:当凸轮的凸起部分的顶点转过挺柱以后,气门在其弹簧张力的作用下,开度逐渐减小,直至最后关闭,进气或排气过程即告结束。 工作过程
特点: • A、气门行程大,结构较复杂,燃烧室紧凑。(凸轮轴下置式) • B、进气阻力小,燃烧室结构紧凑,气流搅动大,能达到较高的压缩比,目前国产的汽车发动机都采用气门顶置式配气机构。 • C、曲轴与凸轮轴传动比为2:1。
进排气门都布置在气缸的一侧,结构简单、零件数目少。进排气门都布置在气缸的一侧,结构简单、零件数目少。 气门布置在同一侧导致燃烧室结构不紧凑、热量损失大、进气道曲折、进气阻力大,使发动机性能下降,已趋于淘汰。 2)、气门侧置式
2、凸轮轴的布置型式 1)、凸轮轴下置 不利因素:凸轮轴与气门相距较远,动力传递路线较长,环节多,因此不适用于高速发动机。 有利因素:简化曲轴与凸轮轴之间才传动装置,有利于发动机的布置。
摇臂 2、凸轮轴中置式 调整螺钉 传动方式:凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂,省去了推杆。 应用:适用于发动机转速较高时,可以减少气门传动机构的往复运动质量。 挺柱 凸轮轴 活塞
3、凸轮轴上置式 特点: 凸轮轴与气门距离近,不需要推杆、挺柱,使往复运动的惯量减少。 应用:高速发动机
凸轮轴 凸轮轴 桑塔纳轿车发动机 双凸轮轴上置式发动机 活塞
一般从曲轴到凸轮轴只需一对正时齿轮传动,若齿轮直径过大,可增加一个中间齿轮。为了啮合平稳,减小噪声,正时齿轮多用斜齿 材料: 曲轴正时齿轮:钢制 凸轮轴正时齿轮:铸铁,夹布胶木 配气正时:安装时正时记号对齐
噪音小 工作可靠性和耐久性不如齿轮传动
凸轮轴正时齿形带轮 齿形带传动,传动比准确,效率高,不需润滑,噪声小、工作可靠、成本低 齿形皮带材料:氯丁橡胶 张紧轮 中间轴齿形带轮 曲轴正时齿形带轮
三、气门排列及驱动装置 1.两气门的排列及驱动 一般发动机都采用每缸两个气门,即一个进气门和一个排气门的结构。为了改善换气,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。 排列 : 一列 驱动:一根凸轮轴驱动 进排气道: 汽油机:置于机体一侧,进气预热 ,提高汽油挥发性 柴油机:置于机体两侧,防止进气预热,提高充气效率
2.四气门的排列及驱动 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(两进两排),因此必须有使两同名气门同步开闭的驱动装置。 每缸采用四个气门时,其气门排列的方案有二种: 1).同名气门排成两列 如图所示,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。 2).同名气门排成一列 如图所示,进排气门分别位于曲轴中心线的两侧,分别采用两凸轮轴驱动,每缸两同名气门采用两个形状和位置相同的凸轮驱动。
四、气门间隙及其调整 1、概念: 气门间隙:为保证气门关闭严密,通常发动机在冷态装配时,在气门杆尾端与气门驱动零件(摇臂、挺柱或凸轮)之间留有适当的间隙。 摇臂 气门间隙 气门杆
2、必要性:发动机工作时,气门将因温度升高而膨胀,如果气门及其传动件之间,在冷态时无间隙或间隙过小,则在热态时,气门及其传动件的受热膨胀势必引起气门关闭不严,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。为了消除这种现象,通常在发动机冷态装配时,留有气门间隙,以补偿气门受热后的膨胀量。有的发动机采用液力挺柱,挺柱的长度能自动变化,随时补偿气门的热膨胀量,故不需要预留气门间隙。 3、大小: 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。
4、气门间隙调整 1)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。 2)气门间隙调整原则——气门在完全关闭的情况下,才能调整气门间隙即挺柱(或摇臂)必须落在凸轮的基圆上才可调整。 由于气门开始开启和开始关闭时,挺柱(或摇臂)是在凸轮的缓冲段内某点上,而且配气相位往往产生一定的偏差,所以不仅气门开启过程不能调,而且将要开启和刚关闭不久的一段时间内也不能调。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; (6)刚排气完,则排气门不能调。
据调整原则结合表中的图可以看出:一缸压缩终了,双门关闭,均可调;六缸排气终了,双门叠开,均不可调;五缸压缩过程,距“进关”很近,属“进气刚完”,进气门不能调,距“排开”、“排关”都很远,排气门可调;二缸“正在排气”,排气门不可调,距“进开”尚远,进气门可调;三缸“正在进气”,进气门下可调,距“排关”已远,排气门可调;四缸作功过程,已距“排开”很近,属“将要排气”,排气门不可调,距“进开”“进关”都很远,进气门可调。 综上分析,一缸压缩终了时,可调气门有:一缸双门,二、四缸进气门,三、五缸排气门。同理可分析六缸压缩终了时,剩下六个气门可调。如此,两遍调完全部气门。
1.确定1缸压缩上止点的简便方法 若知道发动机的点火顺序(或喷油顺序),调整气门间隙时,首先应准确无误地找出1缸或6缸压缩上止点的位谩O秩范?缸或6缸压缩上止点的方法比较复杂,操作起来十分麻烦(即卸下第1缸火花塞,用大姆指或棉纱团堵住第一缸火花塞孔,然后用手摇柄摇转曲轴。当大拇指感到有压力或棉纱团“嘭”地一下跳出时,即为第1缸压缩上止点的位置)。现根据笔者的检修经验介绍一种简便实用的方法:利用1、6缸(4缸)活塞在同一平面上,1缸压缩终了时,6或4缸气门迭开这一规律来确定。即当1缸压缩上止点时,6缸(4缸)排气门接近关闭,进气门刚刚上顶,排气门下落不好掌握,进气门上顶便于观察,只要进气门顶杆略微上行,1缸即在压缩上止点位置。同理,当1缸进气门推杆微动,6缸(4缸)即在压缩上止点位置。1.确定1缸压缩上止点的简便方法 若知道发动机的点火顺序(或喷油顺序),调整气门间隙时,首先应准确无误地找出1缸或6缸压缩上止点的位谩O秩范?缸或6缸压缩上止点的方法比较复杂,操作起来十分麻烦(即卸下第1缸火花塞,用大姆指或棉纱团堵住第一缸火花塞孔,然后用手摇柄摇转曲轴。当大拇指感到有压力或棉纱团“嘭”地一下跳出时,即为第1缸压缩上止点的位置)。现根据笔者的检修经验介绍一种简便实用的方法:利用1、6缸(4缸)活塞在同一平面上,1缸压缩终了时,6或4缸气门迭开这一规律来确定。即当1缸压缩上止点时,6缸(4缸)排气门接近关闭,进气门刚刚上顶,排气门下落不好掌握,进气门上顶便于观察,只要进气门顶杆略微上行,1缸即在压缩上止点位置。同理,当1缸进气门推杆微动,6缸(4缸)即在压缩上止点位置。
2. 确定可调气门的技巧 下面以作功顺序为1-5-3-6-2-4的6缸发动机为例说明其简便调整的方法及口诀。当确定发动机1缸在压缩上止点时,1缸2气门全调,5、3缸在压缩开始和进气过程,2排气门可调。6缸在进气迭开状态,均不可调。2、4缸在排气和作功终了时,2进气门可调。调整完毕后,再转动曲轴360°后,可依次调整剩下的所有气门。 可归纳成口诀为:全调排、不调进。也可概括归纳为:取首缸、去中间、前调排、后调进、三百六、剩余缸、依次来。即:6缸前的汽缸调进气门,6缸后的汽缸调进气门。若6缸在压缩上止点时(6-2-4-1-5-3),其推理方法相同,从6缸开始,也是全调排、不调进。即1缸前的汽缸调进气门,1缸后的汽缸调进气门。 此法同样可用于4缸和多缸发动机,以作功顺序为1-3-4-2的4缸发动机为例介绍:其口诀仍是全调排、不调进。即4缸前的汽缸调进气门,4缸后的汽缸调进气门。4缸进、排气门均不调。 以上推理表明,只要我们记住“口诀”,知道发动机的作功顺序就可简便地确定可调气门
未知点火顺序的气门间隙调整 我们在维修某些汽车时,有时会不知道其点火顺序(或喷油顺序)。如何检查并调整其气门间隙呢?下面介绍2种调整气门的方法和技巧。 方法1:直列4行程式汽缸,将其缸数一分为二,以中间为对称轴,使其两边的缸数相等。两人配合,一人摇转曲轴。当要检查调整对称轴右边的某一缸气门间隙时,只要注意看对称轴的左边对应缸的进气门。当该气门稍动时,即可检查调整右边这一缸的气门间隙。6缸直列式发动机,如要检查调整第5缸进、排气门间隙,则看到第2缸进气门稍动时,第5缸正处于压缩终了上止点,此时就要检查调整该缸的2只气门。对于V型发动机,可将其看作两个彼此直列式来分析,分别进行检查调整,具体方法一样。 从发动机曲轴的连杆轴颈排列来分析,该方法是正确的。因为对称轴左右的连杆轴颈是对称的。当第5缸处于压缩上止点时,第2缸正好是处于排气上止点。由于进、排气有迭开角,故该缸进气门刚刚开启。 方法2:当某一缸内的1只气门处于开启最大位置时(侧置式配气机构可从气门室盖观察,即凸轮的尖端部分朝向插杆时;顶置式配气机构可观察气门摇臂,其端头向下打开气门的最低位置时),这时可检查调整该缸的另一只气门间隙。照此逐缸一一进行,就可将该缸发动机的全部气门间隙调整完毕。 这种方法的可行性可从凸轮轴的结构来加以验证,因为同一缸的异名凸轮夹角为90°,也就是说,同一缸的1只气门处于最大开启状态时,另一只气门一定处于关闭状态,且凸轮的基圆是朝向挺杆的,具备了调整该气门间隙的条件。未知点火顺序的气门间隙调整 我们在维修某些汽车时,有时会不知道其点火顺序(或喷油顺序)。如何检查并调整其气门间隙呢?下面介绍2种调整气门的方法和技巧。 方法1:直列4行程式汽缸,将其缸数一分为二,以中间为对称轴,使其两边的缸数相等。两人配合,一人摇转曲轴。当要检查调整对称轴右边的某一缸气门间隙时,只要注意看对称轴的左边对应缸的进气门。当该气门稍动时,即可检查调整右边这一缸的气门间隙。6缸直列式发动机,如要检查调整第5缸进、排气门间隙,则看到第2缸进气门稍动时,第5缸正处于压缩终了上止点,此时就要检查调整该缸的2只气门。对于V型发动机,可将其看作两个彼此直列式来分析,分别进行检查调整,具体方法一样。 从发动机曲轴的连杆轴颈排列来分析,该方法是正确的。因为对称轴左右的连杆轴颈是对称的。当第5缸处于压缩上止点时,第2缸正好是处于排气上止点。由于进、排气有迭开角,故该缸进气门刚刚开启。 方法2:当某一缸内的1只气门处于开启最大位置时(侧置式配气机构可从气门室盖观察,即凸轮的尖端部分朝向插杆时;顶置式配气机构可观察气门摇臂,其端头向下打开气门的最低位置时),这时可检查调整该缸的另一只气门间隙。照此逐缸一一进行,就可将该缸发动机的全部气门间隙调整完毕。 这种方法的可行性可从凸轮轴的结构来加以验证,因为同一缸的异名凸轮夹角为90°,也就是说,同一缸的1只气门处于最大开启状态时,另一只气门一定处于关闭状态,且凸轮的基圆是朝向挺杆的,具备了调整该气门间隙的条件。
利用配气相位调节气门间隙 • 例:α=8º β=31º γ=28º δ=8º 点火次序:1—5—3—6—2—4 一缸在压缩上止点,问那些气门的间隙可调?
α δ 1缸 6缸 2缸 4缸 β γ 3缸 5缸
本田雅阁发动机气门间隙的调整 1.只有当缸盖温度降到38度以下后,才能进行气门间隙调整。 (1)拆下缸盖罩和正时皮带上罩。 (2)设置1号气缸活塞在压缩上死点位置。凸轮轴皮带轮上的“UP”记号应位于顶部,皮带轮上的上死点槽口应与缸盖表面平齐。
(3)调节1号气缸进、排气门的间隙 进气门:0.26mm± 0.02mm; 排气门:0.30mm ± 0.02mm。 (4)松开锁止螺母, 转动调节螺钉,直到 厚薄规前后移动时感 觉到有一点拖滞为止。 (5)拧紧锁止螺母, 再检查气门间隙, 如有必要,重新进 行调整。
实物图 拧松紧定螺母,调正调节螺钉 测量气门间隙
(6)逆时针方向旋转曲轴180度(凸轮轴皮带轮转动90度),“UP” 记号应在排气门侧。调节第3号气缸进、排气门的间隙。
(7)继续逆时针方向转动曲轴180。使第4号气缸活塞处于压缩上死点位置。调节第4号气缸进、排气门的间隙。(7)继续逆时针方向转动曲轴180。使第4号气缸活塞处于压缩上死点位置。调节第4号气缸进、排气门的间隙。
(8)再逆时针转动曲轴180°。使第2号气缸活塞处于压缩上死点位置,“UP”记号应在进气门侧。调节第2号气缸进、排气门的间隙。(8)再逆时针转动曲轴180°。使第2号气缸活塞处于压缩上死点位置,“UP”记号应在进气门侧。调节第2号气缸进、排气门的间隙。
§3.2 配气相位 通常用环形图表示-配气相位图。 一、配气相位:用曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻和开启持续时间,称为配气相位。
原因: ① 气门的开、闭有个过程 ② 气体惯性的影响 随着活塞的运动 同样造成进气不足、排气不净 ③ 发动机速度的要求 实际发动机曲轴转速很高,活塞每一行程历时都很短,当转速为5600r/min时一个行程只有60/(5600×2)=0.0054s,就是转速为1500r/min,一个行程也只有0.02s,这样短的进气或排气过程,使发动机进气不足,排气不净。 可见,理论上的配气相位不能满足发动机进饱排净的要求,
实际配气相位演示 上止点 下止点
二、进气门的配气相位 1.进气提前角 (1)定义:在排气冲程接近终了,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(或早开角)。进气提前角用α表示,α一般为10°~30°。 (2)目的:进气门早开,使得活塞到达上止点开始向下运动时,因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 (1)定义:在进气冲程下止点过后,活塞重又上行一段,进气门才关闭。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β表示,β一般为40°~80°。 (2)目的: ①利用压力差继续进气:活塞到达下止点时,由于进气阻力的影响,气缸内的压力仍低于大气压,进气门晚关,利用压力差可继续进气。 ②利用进气惯性继续进气:活塞到达下止点时,进气气流还有相当大的惯性,进气门晚关,仍能继续进气。 下止点过后,随着活塞的上行,气缸内压力逐渐增大,进气气流速度也逐渐减小,至流速等于零时,进气门便关闭的β角最适宜。若β过大便会将进入气缸内的气体重新又压回进气管。 由上可见,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。
三、排气门的配气相位 1.排气提前角 (1)定义:在作功行程的后期,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下止点所对应的曲轴转角称为排气提前角(或早开角)。排气提前角用γ表示,γ一般为40°~80°。 (2)目的: ①利用气缸内的废气压力提前自由排气:恰当的排气门早开,气缸内还有大约300kPa~500kPa的压力,作功作用已经不大,可利用此压力使气缸内的废气迅速地自由排出。 ②减少排气消耗的功率:提前排气,等活塞到达下止点时,气缸内只剩约110kPa~120kPa的压力,使排气冲程所消耗的功率大为减小。 ③高温废气的早排,还可以防止发动机过热。
2.排气迟后角 (1)定义:在活塞越过上止点后,排气门才关闭。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δ表示,δ一般为10°~30°。 (2)目的: ①利用缸内外压力差继续排气:活塞到达上止点时,气缸内的压力仍高于大气压,利用缸内外压力差可继续排气。 ②利用惯性继续排气:活塞到达上止点时,废气气流有一定的惯性,利用惯性可继续排气。所以排气门适当晚关可使废气排得较干净。 由此可见,气门开启持续时间内的曲轴转角,即排气持续角为γ+180°+δ。
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。同时开启的角度,即进气门早开角与排气门晚关角的和(α+δ),称为气门叠开角。 2.废气倒排回进气管和新鲜气体随废气排出的问题: 由于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流动方向,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。发动机的结构不同、转速不同,配气相位也就不同。 四、气门叠开
从上面的分析,可以看出实际配气相位和理论上的配气相位相差很大,实际配气相位,气门要早开晚关,主要是为了满足进气充足,排气干净的要求。但实际中,究竟气门什么时候开?什么时候关最好呢?这主要根据各种车型,经过实验的方法确定,由凸轮轴的形状、位置及配气机构来保证。 气门叠开角过大:小负荷运转时,由于进气管压力很低,易出现废气倒流 增压柴油机气门叠开角一般很大,因进气压力大,扫气,甚至有一部分新鲜空气从排气门排出。
§3.3 气门传动组与气门组 一、气门传动组 摇臂轴 组成 功用:定时驱动气门开闭,并保证气门有足够的开度和适当的气门间隙。 摇臂 凸轮轴 推杆 凸轮轴正时齿轮 挺柱
1、凸轮轴 1)、作用: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、配气相位和气门开度的变化规律等要求。 工作条件:承受气门间歇开启的周期性冲击载荷。 2)、材料:多用优质碳钢或合金钢锻制,并经表面高频淬火(中碳钢)或渗碳淬火(低碳钢)处理。合金铸铁、球墨铸铁 3)、结构: 驱动汽油泵的偏心轮 凸轮 凸轮轴衬套 正时齿轮 止推座 螺栓 垫片 止推凸缘 凸轮轴轴颈 驱动分电器的螺旋齿轮
4)、凸轮轴轴颈 (多轴颈支撑) 1)作用:用来支承凸轮轴。 2)结构: (1)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。 (2)有些发动机其摇臂的润滑是靠凸轮轴轴承处通过缸体上的油道输送润滑油,如EQ6100-1型汽油机。为此,在凸轮轴颈上(2,4道)有两个不通的圆弧形节油槽,润滑油经该槽间歇地输送到摇臂轴。该槽对油量有节流作用,防止供油过多而造成摇臂轴过量润滑,其目的有二:一是减小气门油封的负担,防止吸入气缸;二是气缸盖的温度高,是润滑油的加热源,防止润滑油变稀,润滑性能变坏。
2、凸轮 1)作用:气门开启和关闭的持续时间必须符合配气相位要求。这是由凸轮的轮廓来保证的,而且凸轮的轮廓还在很大程度上决定了气门的最大升程和升降行程的运动规律。 2)工作条件: 承受气门弹簧的张力,间歇性的冲击载荷。 3)凸轮性能: 表面有良好的耐磨性,足够的刚度。 凸轮与挺柱线接触,接触压力大,磨损快。
4)结构:如图所示的凸轮轮廓中,O为凸轮轴的轴心,圆弧EA为凸轮的基圆,AB和DE为凸轮的缓冲段,缓冲段中凸轮的升程变化速度较慢,BCD为凸轮的工作段,此段升程较快,C点时升程最大,它决定了气门的最大开度。4)结构:如图所示的凸轮轮廓中,O为凸轮轴的轴心,圆弧EA为凸轮的基圆,AB和DE为凸轮的缓冲段,缓冲段中凸轮的升程变化速度较慢,BCD为凸轮的工作段,此段升程较快,C点时升程最大,它决定了气门的最大开度。 气门升程最大时刻 缓冲结束点 气门关闭点 气门开启点 出现气门间隙阶段 消除气门间隙阶段