汽车发动机配气机构结构原理

时间：2023-09-19 理论教育 版权反馈

【摘要】：发动机发出的功率大小与配气机构的工作性能有很大的关系。配气机构的组成发动机的配气机构由气门组和气门传动组组成。图1-325所示为某货车发动机配气机构的组成。此外，该配气机构采用了液压间隙调节器，用机油压力和弹力来维持恒定的零气门间隙。凸轮轴的布置形式顶置气门式配气机构的凸轮轴布置有下面三种形式：1）下置凸轮轴式。很多发动机的凸轮轴直接布置在气缸盖上，称为上置凸轮轴配气机构。

汽车发动机配气机构结构原理

1.配气机构的作用与组成

（1）配气机构的作用配气机构的作用是按照发动机各缸的做功次序和每一缸工作循环的要求，定时地将各缸进气门和排气门打开、关闭，以便发动机进行进气、排气和压缩、做功等工作过程。

发动机发出的功率大小与配气机构的工作性能有很大的关系。配气机构各零件布置合理，气门能及时地开启与关闭，每次气门开启、关闭后气流流通截面积较大等因素，都可使进、排气阻力减小，残留废气量减少，进气量增加，发动机发出的功率就会增大。气门关闭以后，应该密封可靠，不产生漏气等现象。

（2）配气机构的组成发动机的配气机构由气门组和气门传动组组成。气门组用来封闭进、排气道口，气门传动组使气门打开和控制气门开启与关闭时刻、开启与关闭的规律。

图1-325所示为某货车发动机配气机构的组成。

气门组主要包括气门15、气门导管13、气门弹簧12及气门弹簧座8等。气门传动组主要包括凸轮轴1、挺柱2、推杆4及摇臂总成等。

气门穿过气门导管，在其尾端通过锁片单向固定着气门弹簧座。气门弹簧套于气门杆外围，并有一定预紧力。气门弹簧的上端抵于弹簧座，下端抵于缸盖。当气门关闭时，在气门弹簧预紧力的作用下，气门头部密封锥面压紧在气门座上，气道被封闭。

图1-325 某货车发动机配气机构的组成

1—凸轮轴 2—挺柱 3—挺柱导向体 4—推杆 5—摇臂轴承座 6—摇臂 7—摇臂轴 8—气门弹簧座 9—气门帽 10—弹簧座 11—气门导管油封 12—气门弹簧 13—气门导管 14—气门座圈 15—气门 16—曲轴

摇臂轴通过支架固定于缸盖上平面，摇臂套装在摇臂轴上，可绕摇臂轴转动。摇臂大臂端与气门杆尾部接触，短臂端装有用来调整气门间隙的调整螺钉。凸轮轴安装在缸体一侧，挺柱呈杯状，位于挺柱导向孔内，下端面与凸轮轴上的凸轮接触。推杆为一个细长杆件，上端与摇臂调整螺钉接触，下端穿过缸盖与挺柱接触。

图1-326所示为丰田卡罗拉1ZR-FE发动机配气机构的组成。

图1-326 丰田卡罗拉1ZR-FE发动机配气机构的组成

该发动机的每个气缸都配备有两个进气气门和两个排气气门。总气门面积较大，从而提高了进气和排气的效率。

其凸轮轴由正时链条驱动，由于凸轮轴安置在气缸盖上，从而省去了气门推杆，使用带有内置滚针轴承的滚柱摇臂，可减少凸轮与推动气门下滑的区域（滚柱摇臂）之间的摩擦，从而提高了燃油经济性。此外，该配气机构采用了液压间隙调节器，用机油压力和弹力来维持恒定的零气门间隙。凸轮驱动摇臂，摇臂以液压间隙调节器为支点摆动，另一端压开气门。

该发动机所采用的双VVT-i（智能可变气门正时）系统可以控制进气和排气凸轮轴，根据驾驶条件提供最佳气门正时。通过采用此系统可以降低燃油消耗，提高发动机性能，减少排放量。

图1-327所示为雷克萨斯LS430轿车的2UZ-FEV8发动机的配气机构。

图1-327 丰田雷克萨斯2UZ-FEV8发动机的配气机构

2.配气机构的工作过程

凸轮轴通过正时齿轮由曲轴的驱动而转动。四冲程发动机完成一个工作循环曲轴转两圈（720°），各缸进、排气门各开启一次，凸轮轴只需转一圈。曲轴转速与凸轮轴转速之比（传动比）为2∶1。

凸轮轴在转动过程中，凸轮基圆部分与挺柱接触时，挺柱不升高。当凸轮的凸起部分与挺柱接触时，将挺柱顶起，挺柱通过推杆、调整螺钉使摇臂绕摇臂轴顺时针摆动。摇臂的长臂端向下推动气门，压缩气门弹簧，将气门头部推离气门座而打开。

当凸轮的凸起最高点与挺柱接触时，气门开启最大。转过这一点后，气门在气门弹簧的作用下开始关闭，当凸轮凸起部分离开挺柱时，气门完全关闭。

从上述工作过程可以看出，气门的开启是通过气门传动组的作用而完成的，而气门的关闭则是由气门弹簧来完成的。气门的启闭时刻与规律完全取决于凸轮的轮廓曲线，每次气门打开时都会压缩气门弹簧，从而为气门关闭积蓄了能量。

3.配气机构的布置形式及驱动方式

发动机型号、类型不同，配气机构的布置与驱动方式也不相同。目前，汽车发动机都采用顶置气门式配气机构，即气门布置在气缸盖上，头部向下倒挂于气缸之上，气门开启时向下运动。这种布置方式优点很多，如进气阻力小、燃烧室结构紧凑等。以前的发动机还用过侧置气门式配气机构，该机构气门头部向上，布置在气缸体的一侧，气门开启时向上运动，虽然这种布置方式可使气门传动组比较简单，缸盖的结构及形状得以简化，但由于进气阻力大、燃烧室不紧凑，压缩比提高受到限制，因此现已被淘汰。

顶置气门式配气机构按每缸气门的数量，可分为双气门式、三气门式、四气门式和五气门式；按凸轮轴的位置，可分为凸轮下置式、凸轮中置式和凸轮上置式；按曲轴和凸轮轴的传动方式，可分为齿轮传动式、链传动式和同步齿形带传动式等。

（1）凸轮轴的布置形式顶置气门式配气机构的凸轮轴布置有下面三种形式：

1）下置凸轮轴式。这种布置形式如图1-325所示。一般说来，多数载货汽车和大、中型客车发动机采用这种方式。凸轮轴平行布置在曲轴的一侧，位置较曲轴偏上。由于曲轴与凸轮轴位置靠近，只用一对正时齿轮传动，传动系统较简单。但由于凸轮轴与摇臂位置较远，除设有挺柱外，还必须设有较长的推杆来负责凸轮与摇臂间的传动。缸体上用来支撑凸轮轴的轴承座孔靠近主油道，凸轮轴的润滑方式比较简单，润滑可靠。

2）上置凸轮轴式。很多发动机的凸轮轴直接布置在气缸盖上，称为上置凸轮轴配气机构。

凸轮轴直接布置在缸盖上，省去了推杆，使系统中往复运动质量大大减小，非常适合于高速发动机，因此目前在轿车发动机上应用非常广泛。由于凸轮轴离曲轴中心较远，采用齿轮传动方式已不可能，因而都采用链传动或同步齿形带的方式来解决传动问题。凸轮轴顶置会使发动机高度增加。

上置凸轮轴配气机构又称为顶置凸轮轴配气机构，有单顶置凸轮轴（SOHC）与双顶置凸轮轴（DOHC）之分。正如这两种配置的名称所示，这两种配置的区别在于：对于SOHC，单凸轮轴驱动进气门与排气门，如图1-328所示；而DOHC则是进气门和排气门系统均配备有专用凸轮轴。也就是SOHC发动机一列气缸装有一个凸轮轴，DOHC发动机则装有两个凸轮轴。所以，配备有DOHC配置的发动机可以达到更高的转速和更高的功率输出。

随着四气门结构的产生，用一根凸轮轴同时驱动所有气门已变得不好布置，因此产生了双顶置凸轮轴（DOHC）结构：每缸四个气门，进气门排成一列，排气门排成一列；一根凸轮轴驱动进气门（又称进气凸轮轴），另一根凸轮轴驱动排气门（又称排气凸轮轴）。图1-329所示为本田双顶置凸轮轴（DOHC）配气机构。

图1-328 单顶置凸轮轴（SOHC）配气机构

1—气门摇臂总成 2—进气门弹簧 3—凸轮轴带轮 4—缸盖5—排气门 6—进气门 7—排气门弹簧 8—凸轮轴

图1-329 本田双顶置凸轮轴（DOHC）配气机构

1—凸轮轴保持器 2—进气凸轮轴 3—凸轮轴带轮 4—排气凸轮轴

在丰田公司的双顶置凸轮轴发动机上，为了区别每一凸轮轴轴承盖，在每一轴承盖上都标注了明确的记号。进气凸轮轴的轴承盖依次标有“I1”、“I2”、“I3”、“I4”等字样（“I”为英文“Intake进气”的第一个字母）；排气凸轮轴的轴承盖依次标有“E1”、“E2”、“E3”、“E4”等字样（“E”为英文“Exhaust排气”的第一个字母）。同时，为了标明凸轮轴轴瓦的安装方向，有些类型发动机的凸轮轴轴瓦上打有箭头。以上这些，在实际拆装及修理过程中都要仔细辨认清楚，不要混淆、弄错。

顶置凸轮轴式配气机构根据驱动气门开启的最终部件的不同，通常有两种结构形式。一种如图1-330所示，其不但没有推杆，也没有挺柱。凸轮直接与摇臂接触，通过摇臂摆动将气门打开。

图1-331所示的双顶置凸轮轴式配气机构中，采用了滚柱摇臂与液压间隙调节器，凸轮驱动摇臂中部，摇臂以液压间隙调节器为支点摆动，另一端驱动气门。

图1-330 以摇臂驱动气门的单顶置凸轮轴式配气机构

1—进气口 2—火花塞孔 3—燃烧室 4—排气口

图1-331 采用滚柱摇臂与液压间隙调节器的双顶置凸轮轴式配气机构

另一种结构形式如图1-332所示。配气机构不设摇臂，凸轮通过挺柱直接将气门顶开。由于取消了摇臂总成，使之结构简单。挺柱可以是普通挺柱，也可以是液力挺柱。若采用液力挺柱，不预留气门间隙，使噪声大为减小，非常适合在轿车发动机上使用。目前很多轿车发动机配气机构采用这种方式。

3）中置凸轮式。为减小气门传动组零件的往复运动惯性力，某些速度较高的发动机将下置式凸轮轴的位置抬高到缸体上部，缩短了传动零件的长度，称之为凸轮轴中置式配气机构。

某些凸轮轴中置式发动机的配气机构将挺柱加长，取消了推杆，使结构更加紧凑、简单。

图1-332 以挺柱驱动气门的双顶置凸轮轴式配气机构

（2）曲轴与凸轮轴之间的传动方式

1）正时齿轮传动方式。凸轮轴下置式的配气机构采用一对齿轮传动，如图1-333所示。

凸轮轴中置式的配气机构在一对正时齿轮齿轮中间加入了一个中间齿轮（惰轮）。由于曲轴与凸轮轴的传动比为2∶1，因此，装于凸轮轴上的正时齿轮的齿数是曲轴正时齿轮数的两倍。中间齿轮并不能影响传动比，故其齿数的多少只取决于两轴之间的距离和两正时齿轮的尺寸大小。为保证配气机构有准确的配气相位，装配时应将正时齿轮上的正时记号对齐。

用于公共汽车的大宇斗山DL08水冷、直列四冲程、涡轮增压、空气中冷柴油发动机的凸轮轴正时齿轮机构，装在发动机后端的飞轮壳内。这个齿轮机构还驱动机油泵、空气压缩机、动力转向泵以及燃油高压泵，如图1-334所示。

2）链传动。对于凸轮轴上置式的配气机构，有些发动机采用链传动来解决曲轴与凸轮轴之间的传动问题，如图1-335所示。为防止由于链条过长而产生链条抖动现象，通常还设有导链板。由于在使用中链节的磨损，链条会逐渐变长，为此设有链条张紧器，以便对链条进行张紧。链条张紧器通常为棘齿型且配备止回机构，它利用弹簧和机油压力使链条始终保持适当的张力。

图1-333 正时齿轮与啮合标记

图1-334 大宇斗山DL08柴油发动机的正时齿轮机构

有些发动机为了缩短链条长度，减小凸轮轴链轮的尺寸，更有利于发动机结构紧凑，采用了两级链传动，如2005年款凯迪拉克3.6LLY7发动机采用的正时链传动机构。

链传动的可靠性好，使用寿命长；缺点是工作时噪声大，需要润滑。

3）同步带传动。同步带综合了链传动比较精确和带传动传动平稳、噪声小等优点，在高速发动机上得到了广泛的应用，如图1-336所示。目前习惯上将同步带传动称为正时带传动。

同步带采用氯丁橡胶制成，中间夹有高强度纤维，在使用中长度不易改变。带和带轮采用啮合传动，可保证精确的传动比。用高强度材料制成的柔软的胶带，既可保证强度，又可降低噪声，同时还可减小结构质量。和链传动相比，带传动还降低了成本。

图1-335 正时链传动和链条张紧器

图1-336 同步齿形带传动的配气机构（罗孚K1.8发动机）

无论是链传动还是带传动，在安装时都应注意将正时标记对齐，保证发动机有正确的配气相位。

轿车发动机大都采用凸轮轴顶置，同步带传动或链传动的方式，载货汽车发动机多采用凸轮轴下置或中置齿轮传动方式。

在丰田汽车一些双顶置凸轮轴式发动机上，其中一条凸轮轴由正时带驱动，而该凸轮轴上的一个齿轮与另一条凸轮轴上的一个齿轮相啮合，以驱动另一条凸轮轴（如1UZ-FE等型发动机），这种方式又称“剪式传动”，这是因为一凸轮轴上的齿轮为剪式齿轮的缘故。

剪式齿轮的作用是：控制间隙，减少噪声。图1-337中5A-FE发动机的正时带驱动排气凸轮轴，然后排气凸轮轴通过斜齿轮与进气凸轮轴上的剪刀式齿轮啮合。这种剪式齿轮的结构原理如图1-338所示。

4.气门的布置方式

大多数发动机均为每缸一个进气门和一个排气门的结构方式。为了进一步改善气缸的换气，使气缸能多进气，在可能的条件下，应将气门头部的直径做得尽量大。但由于受到燃烧室结构和尺寸的限制，气门头部的直径不可能做得很大。在这种情况下，采用了适当缩小排气门头部直径，以增大进气门头部直径的方式。大多数发动机的气门采取沿机体纵向轴线排成一列的方式进行排列。

一般地，发动机每个气缸有两个气门，即一个进气门和一个排气门。进气门头部直径比排气门大15%～30%，目的是增大进气门通过断面面积，减小进气阻力，增加进气量。进气门和排气门数量相同时，进气门头部直径总比排气门大。每缸两气门的发动机又称两气门发动机。现代高性能汽车发动机普遍采用每缸三、四、五个气门，其中尤以四气门发动机为数最多。

图1-337 5A-FE发动机的正时带与剪式齿轮传动机构

图1-338 剪式齿轮的结构原理

四气门发动机每缸有两个进气门、两个排气门，其突出的优点是气门通过断面面积大，进、排气充分，进气量增加，发动机的转矩和功率提高；其次是每缸4个气门，每个气门的头部直径较小，每个气门的质量减轻，运动惯性力减小，有利于提高发动机转速；再次，四气门发动机多采用篷形燃烧室，火花塞布置在燃烧室中央，有利于燃烧。图1-339所示为某发动机四气门的布置方式。

图1-339 某发动机四气门的布置方式

有些发动机每缸采用了五气门技术，其布置方式如图1-340所示。

还有的发动机每缸装有两个火花塞，如本田飞度1.3L L13A3带i-DSI（智能双火花塞顺序点火系统）的发动机，其气门与火花塞的布置如图1-341所示。

图1-340 五气门的布置

图1-341 本田飞度1.3LL13A3发动机气门与火花塞的布置

5.气门间隙

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。

气门头顶部平面直接位于燃烧室内，而排气门整个头部位于排气道内，因此受到的温度是很高的。在此高温作用下，气门会因受热膨胀而伸长，其传动件（如挺柱、推杆等）也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受热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，不能完全消除上述弊病；间隙过大，在气门及各传动件之间将产生撞击和响声。最适当的气门间隙由发动机制造厂根据试验确定。

气门间隙的大小根据车型不同而异。通常进气门间隙为0.25～0.30mm；排气门因受排气冲刷，温度较高，间隙更大一些，为0.30～0.35mm。气门间隙的大小可用塞尺在摇臂长臂端与气门杆接触处和气门杆尾端之间测出或凸轮与挺柱之间测出，如图1-342、图1-343所示。

图1-342 气门间隙（摇臂和气门杆尾端之间）

图1-343 气门间隙（凸轮与挺柱之间）

气门间隙的大小应该合适。间隙过小会使发动机温度升高后气门关闭不严，除产生上述不良现象外，还可能使气门头部烧蚀。气门间隙过大，会使气门开启持续时间减少，开启高度减小，导致因进气量不足而使发动机功率下降；还会使配气机构传动零件间产生撞击、响声，导致零件磨损加剧。

在发动机使用过程中，气门间隙的大小会发生变化，因此在配气机构气门传动组中设有气门间隙调整装置，以便对气门间隙进行调整。有些发动机（主要是轿车发动机）采用了长度能自动变化的液压挺柱，可随时补偿气门的膨胀量，故不需要预留气门间隙，也没有气门间隙调整装置。

6.配气相位

发动机在换气过程中能够做到排气彻底、进气充分，可以提高充气系数，增大发动机发出的功率。四冲程发动机的每一个工作行程曲轴旋转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。如四冲程发动机转速达3000r/min时，一个行程的时间只有0.01s，对于转速更高的发动机来说，时间就更短了，在如此短的时间内，气门要完成开启、全开、关闭等过程。在气门刚开启与接近关闭时，由于气门升程太小，气流流动阻力很大。只有当气门开大后，才能有效地进行进排气过程。因此，发动机实际的进、排气时间比一个行程的时间更短。虽然在发动机上采取了许多结构方面的措施来减小气体流动阻力，增大气体流通断面，达到排气彻底、进气充分的目的，但适当的增加进、排气时间，使气门早开晚关，是所有发动机上广泛采取的措施。

以曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻及其开启的持续时间被称作配气相位。通常用气门开启与关闭时相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转角来表示。

（1）进气门的配气相位实际发动机的进气门是在排气行程还未结束、活塞顶还未到达上止点时打开的。从进气门开始开启到活塞顶到达上止点对应的曲轴转角称为进气提前角，用α来表示，一般α为10°～30°。进气门早开，主要是使活塞到达上止点时，进气门已有一定的开度，活塞下行开始进气行程时可显著地减小进气阻力。

进气行程活塞到达下止点时，进气门并未关闭，而是活塞又上行一段距离后才关闭。活塞位于下止点起，到进气门关闭时对应的曲轴转角，被称为进气迟后角，用β表示，一般β为40°～80°。活塞在进气行程到达下止点时，气缸内压力仍低于大气压力，适当晚关进气门可利用压力差继续进气。同时，晚关进气门还可利用气流的惯性继续进气。

由于存在进气提前角α和进气迟后角β，进气门实际开启时间对应的曲轴转角为α+180°+β，约为230°～290°。

（2）排气门的配气相位在做功行程接近终了、活塞还未到达下止点时，排气门便开始开启。从排气门开始开启到活塞到达做功行程下止点所对应的曲轴转角，被称为排气提前角，用γ表示，一般γ为40°～80°。

做功行程接近终了时，气缸内的压力为0.3～0.4MPa，提前打开排气门，大部分废气可在此压力下迅速排出，从而减少活塞上行排气时的阻力，以及减小发动机因排气而损耗的功率。提前打开排气门可将高温废气迅速排出，还可防止发动机过热。提前打开排气门虽然会损失一些热量，但由于这些热量的做功能力不大，对发动机来说基本不会降低其发出的功率。

排气门是在排气行程活塞到达上止点后，又开始下行一段距离时才关闭的。从活塞位于排气终了上止点起，到排气门完全关闭时对应的曲轴转角，被称为排气迟后角，用δ表示，一般δ为10°～30°。排气门晚关有利于利用排气的惯性和气缸内压力与大气压力之间的压力差（此时气缸内压力仍高于大气压力）将废气排得更干净。

由于存在排气提前角γ和排气迟后角δ，排气门实际开启时间对应的曲轴转角为γ+180°+δ，约为230°～290°。

（3）气门重叠与气门叠开角由于进气门早开和排气门晚关，在排气终了和进气刚开始、活塞处于上止点附近时进、排气门同时开启，这种现象称为气门重叠。进、排气门同时开启过程对应的曲轴转角称为气门重叠角，气门重叠角的大小为α+δ。

由于气门必须早开晚关，因此气门重叠现象是不可避免的，又由于新鲜气流和废气流都有各自的流动惯性，在短时间内不会改变流向，不会出现废气倒流入进气道和新鲜气体随废气一起排出的现象。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。但气门叠开角必须选择适当，否则会出现气体倒流现象。

图1-344 配气相位图

（4）配气相位图将进、排气门的实际启闭时刻和开启过程，用相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表示，更为直观，这种图形称为配气相位图，如图1-344所示。

发动机在工作时，活塞上下移动，通过连杆使与之相连的曲拐绕曲轴主轴颈轴线转动。用曲轴转角可以表示出曲拐相对于上、下止点的角位置。该图上半部分表示进、排气中气门开启过程曲拐转过的角度，分别为α+180°+β（进气门开启过程）和γ+180°+δ（排气门开启过程）。将上半部分的曲拐转角位置图重叠在一起，即为下半部分的配气相位图。在图中可很直观地看出气门启闭时刻相对于活塞上、下止点的曲拐位置，气门的提前角和迟后角，气门的实际开启时间对应的曲轴转角以及气门重叠角等。

（5）配气相位对发动机工作性能的影响配气相位四个角度的大小，对发动机性能有很大影响。进气提前角增大或者排气迟后角增大使重叠角增大时，会出现废气倒流、新鲜气体随废气排出去的现象，不但影响废气的排除程度和充气量的大小，对于汽油机来说，还会造成燃料的浪费。相反，若气门重叠角过小，又会造成排气不彻底和进气量减少。

对发动机性能影响最大的是进气迟后角。该角过小，会导致进气门关闭过早而影响进气量。但该角过大，进气门关闭过晚，会由于活塞上行，气缸内压力升高，将进入气缸内的气体重新又压回到进气道内，同样影响发动机的进气量。

排气提前角过大，会将仍有做功能力的高温高压气体排出气缸，造成发动机功率下降，油耗增大。排气压力过高还会造成排气管“放炮”现象的产生。但排气提前角过小，不但因排气阻力增加发动机的功耗，还可能造成发动机过热。

合理的配气相位是根据发动机结构形式、转速等因素，通过反复试验而确定的。结构不同，配气相位也不同。例如增压柴油机，由于其进气压力很高，加之进入气缸的是新鲜空气，不存在燃料损失问题，因此其气门重叠角很大，以便利用新鲜空气将气缸中的废气扫除干净。发动机转速不同，配气相位也不同。转速越高，每一次的进、排气时间越短，要求提前角和迟后角越大。当汽油机小负荷运转时，由于进气压力较低，要求气门重叠角减小，否则，会出现废气倒流，使进气量减少。

图1-345 广州丰田汉兰达1AR-FE发动机的配气相位

目前多数发动机的配气相位是不能改变的。它是按照发动机性能要求，通过试验来确定某一常用转速下较合适的配气相位。因此发动机在这一转速下运转时，配气相位最合适，而在其他转速下运转时，配气相位就不一定最合适的。

现在，也有不少采用集中控制系统的发动机，其配气相位可以随发动机转速、负荷变化而自动调整。调整装置装于凸轮轴正时齿轮（或正时链轮）与凸轮轴之间，接受集中控制系统ECU的指令，对发动机配气机构进行自动调整。例如，广州丰田汉兰达1AR-FE发动机采用了可变配气相位，称为双智能可变气门正时（双VVT-i），它的配气相位图如图1-345所示。由图可知，其进气提前角为上止点前3°～53°，进气迟后角为下止点后61°～11°；排气提前角为下止点前60°～20°，排气迟后角为上止点后4°～44°。

7.配气机构的零件结构

如前所述，配气机构固定在缸盖的内部，其用途是控制提供给燃烧室的混合气，以及从燃烧室内排出的废气。配气机构在气缸盖的布置如图1-346所示。配气机构由气门组和气门传动组组成。

图1-346 配气机构主要部件在气缸盖的布置

1—气缸盖 2—排气凸轮轴 3—气门挺柱 4—火花塞 5—进气凸轮轴 6—喷油器 7—进气道 8—进气门 9—水套 10—活塞 11—燃烧室 12—气缸垫 13—排气道 14—排气门

（1）气门组气门组用来封闭进、排气道口，气门组主要包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧及弹簧座等。

1）气门。

①气门的工作条件。气门的工作条件非常恶劣。首先，气门直接与高温燃气接触，受热严重，而散热困难，因此气门温度很高；其次，气门承受气体力和气门弹簧力的作用，以及由于配气机构运动件的惯性力使气门落座时受到冲击；第三，气门在润滑条件很差的情况下以极高的速度启闭，并在气门导管内作高速往复运动。此外，气门由于与高温燃气中有腐蚀性的气体接触而会受到腐蚀。

②气门材料。进气门一般用中碳合金钢制造，如铬钢、铬钼钢和镍铬钢等。排气门则采用耐热合金钢制造，如硅铬钢、硅铬钼钢、硅铬锰钢等。

③气门构造。汽车发动机的进、排气门均为菌形气门，由气门头部和气门杆两部分构成。气门顶面有平顶、凹顶和凸顶等形状，如图1-347所示。目前应用最多的是平顶气门，其结构简单，制造方便，受热面积小，进、排气门都可采用。

气门与气门座或气门座圈之间靠锥面密封。气门锥面与气门顶面之间的夹角称为气门锥角。进、排气门的气门锥角一般均为45°，只有少数发动机的进气门锥角为30°。

图1-347 气门顶部形状

a）平顶 b）凹顶 c）凸顶

气门头部接受的热量一部分经气门座圈传给气缸盖，另一部分则通过气门杆和气门导管传给气缸盖，最终都被气缸盖水套中的冷却液带走。为了增强传热性能，气门与气门座圈的密封锥面必须严密贴合。为此，二者要配对研磨，研磨之后不能互换。(www.daowen.com)

气门杆有较高的加工精度和较低的粗糙度，与气门导管保持较小的配合间隙，以减小磨损，并起到良好的导向和散热作用。气门尾端的形状决定于上气门弹簧座的固定方式（见图1-348）。采用剖分成两半且外表面为锥面的气门锁片来固定上气门弹簧座，结构简单，工作可靠，拆装方便，因此得到了广泛的应用。气门锁片内表面有多种形状，相应的，气门尾端也有各种不同形状的气门锁夹槽。

图1-348 气门尾端的形状与上气门弹簧座的固定方式

1—气门杆尾端 2—气门锁片 3—气门卡块 4—气门锁销

在某些高度强化的发动机上采用中空气门杆的气门，目的是减轻气门质量和减小气门运动的惯性力。为了降低排气门的温度，增强排气门的散热能力，在一些汽车发动机上采用钠冷却气门，如捷达EA1135V1.6L的排气门，如图1-349所示。这种气门是在中空的气门杆中填入一半金属钠。因为钠的熔点的是97.8℃，沸点为880℃，所以在气门工作时，钠会变成液体，在气门杆内上下激烈地晃动，不断地从气门头部吸收热量并传给气门杆，再经气门导管传给气缸盖，使气门头部得到冷却。

2）气门座与气门座圈。气缸盖上与气门锥面相贴合的部位称为气门座。气门座的温度很高，又承受频率极高的冲击载荷，容易磨损。因此，铝气缸盖和大多数铸铁气缸盖均镶嵌由合金铸铁或粉末冶金或奥氏体钢制成的气门座圈，在气缸盖上镶嵌气门座圈可以延长气缸盖的使用寿命。也有一些铸铁气缸盖不镶气门座圈，直接在气缸盖上加工出气门座。

气门座的锥角由三部分组成（见图1-350），其中，45°（或30°）的锥面与气门密封锥面贴合。

图1-349 钠冷却气门

图1-350 气门座锥角与密封干涉角

1—气门 2—气门座

为保证有一定的座合压力，使密封可靠，同时又有一定的散热面积，要求结合面的宽度为1～3mm。在安装气门前，还应采用与气门配对研磨的方法，以保证贴合更紧密、可靠，某些发动机的气门锥角比气门座锥角小0.5°～1°，该角称为密封干涉角。这样做有利于磨合期加速磨合。磨合期结束，干涉角逐渐消失，恢复全锥面接触。

3）气门导管。气门导管的功用是对气门的运动导向，保证气门作直线往复运动，使气门与气门座或气门座圈能正确贴合；此外，还将气门杆接受的热量部分传给气缸盖。气门导管的工作温度较高，而且润滑条件较差，仅靠配气机构工作时飞溅起来的机油来润滑气门杆和气门导管孔。气门导管由灰铸铁、球墨铸铁或铁基粉末冶金制造，在以一定的过盈配合将气门导管压入气缸盖上的气门导管座孔之后，再精铰气门导管孔，以保证气门导管与气门杆的正确配合间隙。

气门导管的下端伸入到进、排气道内。为防止对气流造成阻力，伸入端的外圆做成圆锥状，气门导管与气门杆之间留有0.03～0.10mm的间隙，使气门杆能在导管内自由运动。有些发动机将导管伸入端孔内做成锐边沉割，用以在气门运动中刮除气门杆上的胶质沉积物。

4）气门弹簧（见图1-351）。气门弹簧的功用是保证气门关闭时能紧密地与气门座或气门座圈贴合，并克服在气门开启时配气机构产生的惯性力，使传动件始终受凸轮控制而不相互脱离。

气门弹簧一般为等螺距圆柱形螺旋弹簧。当气门弹簧的工作频率与其固有的振动频率相等或为整数倍时，气门弹簧就会发生共振。共振时将使配气定时遭到破坏，使气门发生反跳和冲击，甚至使弹簧折断。为防止共振的发生，可采取下列结构措施：

图1-351 气门弹簧

①采用双气门弹簧。在柴油机和高性能汽油机上广泛采用每个气门安装两个直径不同、旋向相反的内、外弹簧。由于两个弹簧的固有频率不同，当一个弹簧发生共振时，另一个弹簧能起到阻尼减振作用。采用双气门弹簧可以减小气门弹簧的高度，而且当一个弹簧折断时，另一个弹簧仍可维持气门工作。弹簧旋向相反，可以防止折断的弹簧圈卡入另一个弹簧圈内使其不能工作或损坏。

②采用变螺距气门弹簧。某些高性能汽油机采用变螺距单气门弹簧。变螺距弹簧的固有频率不是定值，从而可以避开共振。

③采用锥形气门弹簧。锥形气门弹簧的刚度和固有振动频率沿弹簧轴线方向是变化的，因此可以消除发生共振的可能性。

5）气门旋转机构。当气门工作时，如能产生缓慢的旋转运动，可使气门头部周围温度分布比较均匀，从而减小气门头部的热变形。同时，气门旋转时，在密封锥面上会产生轻微的摩擦力，能够清除锥面上的沉积物。因此，有些发动机的排气门或所有气门采用了气门旋转机构使气门旋转。

低摩擦型自由旋转机构（见图1-352a）中，在锁片与弹簧座之间加设了一个锥形套筒7。锁片与锥形套筒配合，锥形套筒下端与弹簧座平面接触。由于接触面积很小，因而接触面上的摩擦力不大。这样，在发动机振动力的作用下，有可能在某一短时间内出现摩擦力为零的现象，使气门有可能呈现自由状态而旋转起来。

强制旋转机构（见图1-352b）在气门每开启一次时都能旋转一个角度。壳体4固装于缸盖上，气门弹簧的下端支撑在支承板2上，在壳体与支承板之间有一个碟形弹簧3。壳体与碟形弹簧接触的一面（壳体的上端面）沿圆周方向均匀分布有6个变深度槽，槽中装有钢球6和复位弹簧5。当气门处于关闭状态时，钢球在复位弹簧5的作用下位于槽内深度较浅的一端，钢球露出壳体表面，同时碟形弹簧将支承板传来的气门弹簧弹力直接传给壳体。在气门打开的过程中，由于气门弹簧不断地被压缩而弹力不断增大，将碟形弹簧压平而迫使钢球沿槽低斜面滚动，带动碟形弹簧、支承板、气门弹簧和气门旋转过一个角度。在气门关闭过程中，气门弹簧不断伸长而弹力减小，碟形弹簧恢复原来形状，钢球在复位弹簧5的作用下回到原来位置。

图1-352 气门旋转机构

a）低摩擦型自由旋转机构 b）强制旋转机构

1—气门弹簧 2—支承板 3—碟形弹簧 4—壳体 5—复位弹簧 6—钢球 7—锥形套筒

（2）气门传动组气门传动组负责使气门打开，并控制气门开启与关闭的时刻。由于气门驱动形式和凸轮轴位置的不同，气门传动组的零件组成差别很大，主要包括凸轮轴、挺柱、推杆及摇臂等。

图1-353 马自达626轿车发动机的进、排气凸轮轴

1）凸轮轴。

①凸轮轴工作条件。凸轮轴承受周期性的冲击载荷。凸轮与挺柱之间的接触应力很大，相对滑动速度也很高，因此，凸轮工作表面的磨损比较严重。

②凸轮轴构造。凸轮轴主要由凸轮、轴颈等组成。凸轮分为进气凸轮和排气凸轮两种，用来驱动与控制气门的开启与关闭，轴颈对凸轮起支撑作用。对于下置式凸轮轴来说，凸轮轴上还可能设有螺旋齿轮和偏心轮，用来驱动分电器、机油泵和膜片式汽油泵等。凸轮轴的前端通过键或销装有正时齿轮或链轮及同步齿形带等。图1-353所示为马自达626轿车发动机的进、排气凸轮轴。

凸轮轴是通过凸轮轴轴颈支承在凸轮轴轴承孔内的，因此凸轮轴轴颈数目的多少是影响凸轮轴支承刚度的重要因素。如果凸轮轴刚度不足，工作时将发生弯曲变形，这会影响配气定时。下置式凸轮轴每隔1～2个气缸设置一个凸轮轴轴颈。凸轮轴轴颈上设有润滑油孔，采用压力润滑方式。缸体或缸盖上钻有油道与轴承座孔相通。凸轮与挺柱间采用飞溅润滑。凸轮轴上通常还有用以轴向定位的凸缘。

图1-354 函数凸轮的轮廓曲线

凸轮是凸轮轴上最重要的组成部分。进、排气门开启和关闭的时刻、持续时间以及开闭的速度等分别由凸轮轴上的进、排气凸轮控制。转速较低的发动机，其凸轮轮廓由几段圆弧组成，这种凸轮称为圆弧凸轮。高转速发动机采用函数凸轮，其轮廓由某种函数曲线构成，如图1-354所示。O点为凸轮轴回转中心，同时也是凸轮的旋转中心，圆弧称为基圆。在这一圆弧转角范围内，气门处于完全关闭状态。凸轮轮廓上的AB段和DE段为缓冲段，BCD段为工作段。挺柱或摇臂在A点开始升起，在E点停止运动，凸轮转到AB段内某一点处，气门间隙消除，气门开始开启。此后随着凸轮继续转动，气门逐渐开大，至C点气门开度达到最大。再后气门逐渐关闭，在DE段内某一点处气门完全关闭，接着气门间隙恢复。气门最迟在B点开始开启，最早在D点完全关闭。凸轮轮廓曲线BCD段的形状决定了气门打开与关闭过程的运动规律。凸轮轮廓曲线一般是对称的。由于气门开始开启和关闭落座时均在凸轮升程变化缓慢的缓冲段内，其运动速度较小，从而可以防止强烈的冲击。

凸轮轴上各同名凸轮（各进气凸轮或各排气凸轮）的相对角位置与凸轮轴旋转方向、发动机工作顺序及气缸数或做功间隔角有关。如果从发动机前端看，工作顺序为1—3—4—2的四缸发动机做功间隔角为720°/4=180°曲轴转角，相当于90°凸轮轴转角，即各同名凸轮间的夹角为90°；对于工作顺序为1—5—3—6—2—4的六缸发动机，其同名凸轮间的夹角为60°。同一气缸的进、排气凸轮的相对角位置即异名凸轮相对角位置，决定于配气定时及凸轮轴旋转方向。

2）凸轮轴轴承。中置式和下置式凸轮轴的轴承一般制成衬套压入整体式轴承座孔内，再加工轴承内孔，使其与凸轮轴轴颈相配合。轴承材料多与曲轴主轴承相同，在低碳钢钢背上浇敷减摩合金层。也有的凸轮轴轴承采用粉末冶金衬套或青铜衬套。

多数顶置凸轮轴式发动机不采用衬套，轴颈直接与缸盖上镗出的座孔配合，而不另采用上、下两片轴瓦。

3）挺柱。

①挺柱的功用、材料及分类。挺柱是凸轮的从动件，其功用是将来自凸轮的运动和作用力传给推杆或气门，同时还承受凸轮所施加的侧向力，并将其传给机体或气缸盖。制造挺柱的材料有碳钢、合金钢、镍铬合金铸铁和冷激合金铸铁等。挺柱可分为机械挺柱和液力挺柱两大类。

②机械挺柱。机械挺柱如图1-355所示，有筒式与滚轮式两种，大多数发动机采用筒式挺柱，其结构结构简单，质量小，在中、小型发动机中应用比较广泛。下置凸轮轴式配气机构的挺柱上的推杆球面支座的半径比推杆球头半径略大，以便在两者中间形成楔形油膜来润滑推杆球头和挺柱上的球面支座。顶置凸轮轴式配气机构的挺柱通常直接驱动气门，其上用调整垫片调整气门间隙。某些大型柴油机采用滚轮式挺柱，可以显著减少摩擦力和侧向力，但结构复杂，质量较大。

凸轮在旋转中对挺柱的推力方向是不变的，如果挺柱不能旋转，就会造成挺柱与导向孔之间单面磨损；同时，挺柱底面也与凸轮固定不变的在一处接触，也会造成磨损不均匀。为使挺柱在上下运动中能够旋转，常将挺柱底面做成球面，凸轮在轴向做成一定的锥度形状，如图1-356所示。这样使得凸轮与挺柱的接触点偏离挺柱中心线，在挺柱被凸轮推起上升时，凸轮对挺柱的作用力产生绕挺柱中心轴线的力矩，使挺柱旋转起来，使挺柱和凸轮磨损均匀。或者凸轮在宽度方向上的中心与挺柱的中心线相对偏移，使挺柱也能旋转。

图1-355 机械挺柱的结构型式

a）筒式 b）滚轮式

图1-356 挺柱的旋转结构

③液压挺柱与气门间隙自动补偿器。在配气机构中预留气门间隙将使发动机工作时配气机构产生撞击和噪声。为了消除这一弊端，有些发动机尤其是轿车发动机采用液压挺柱或气门间隙自动补偿器，借以实现零气门间隙。气门及其传动件因温度升高而膨胀，或因磨损而缩短，都会由液压作用来自行调整或补偿。

图1-357所示为下置凸轮轴式发动机采用的液压挺柱。柱塞3装于挺柱体1内，支撑座5压装在柱塞3上端，柱下端的单向阀架2内装有单向阀7和单向阀碟形弹簧6。柱塞经常被弹簧压向最上端，最上端位置由柱塞体上的卡环4来限制。发动机内的机油通过挺柱体和柱塞侧面的小孔流入柱塞内腔和柱塞下面挺柱体内腔，并经常充满油液。

液压挺柱装在挺柱导向孔内，挺柱体下端面与凸轮接触，支撑座与推杆下端接触。在气门关闭时，柱塞弹簧8使挺柱体内的柱塞连同支撑座紧靠着推杆，整个配气机构不存在间隙。

当凸轮将挺柱体顶起上升时，柱塞连同支撑座、单向阀一起在推杆反作用力作用下力图上移，使柱塞下面挺柱体内腔的油压升高，单向阀关闭。由于液体的不可压缩性，整个挺杆如同一个刚体一样上升，从而使气门打开。

由于柱塞与挺柱体之间有间隙，在挺柱上升的过程中会有少量的油从柱塞上腔沿间隙漏出，不过由于漏出量很少，不会影响配气机构的工作。当凸轮转到基圆面与挺柱接触，气门关闭后，柱塞弹簧8使柱塞上移（由于少量油的泄漏，柱塞在气门开启过程中有一个微量下移），柱塞腔内的油液顶开单向阀，向挺柱内腔补充油，仍保持配气机构无间隙。

当发动机温度升高导致气门受热膨胀伸长时，由于气门弹簧的弹力大于挺柱弹簧力，迫使柱塞下移，将挺柱内腔油液从间隙中挤出。同时，每次气门关闭以后柱塞上移都会受限，补油量减少，挺柱自动“缩短”，保证气门关闭紧密。当温度下降，气门冷却收缩时，柱塞弹簧将柱塞上移，单向阀打开，柱塞内腔的油液进入柱塞内腔。同时，每次气门关闭后，柱塞上移量增大，补油量增加，挺柱自动“伸长”，保证配气机构无间隙。

液压挺柱中的油液是由润滑系统主油道通过专门油道送来的压力油。若机油压力过低，补油压力将下降。若柱塞与挺柱体因磨损而间隙增大，会因泄油过多、补油不足而出现气门间隙。液压挺柱无法修理和调整，一旦间隙过大，只能更换。

图1-358所示为顶置凸轮轴式发动机采用的液压挺柱的结构，其工作过程如图1-359所示。

图1-357 液压挺柱（下置凸轮轴式发动机）

1—挺柱体 2—单向阀架 3—柱塞 4—卡环 5—支撑座 6—单向阀碟形弹簧 7—单向阀 8—柱塞弹簧

图1-358 液压挺柱（顶置凸轮轴式发动机）

图1-359 液压挺柱的工作过程

a）凸轮提升前 b）凸轮提升过程中 c）凸轮提升后

注意：液压气门挺杆的内部部件由精密零件组成，不要试图解体气门挺杆。

维修中应保持液压气门挺杆清洁，细小的碳粒、抹布上的细线、灰尘或任何异物都会楔入柱塞副之间使其粘结。必须保持发动机油清洁，机油滤清器必须定期更换。

如果气门挺杆颠倒放置或平放很长时间（大约2h或更长时间），会由于空气进入高压室而产生噪声。用一根手指用力按下时，如果柱塞头移动量超过1mm，则说明空气进入气门挺柱中。如果出现这种情况，应根据维修手册的说明，排出气门挺杆中的空气。

气门间隙自动补偿器。气门间隙自动补偿器又称为液压气门间隙自动调节器，通常与滚柱摇臂配合使用，如丰田凯美瑞2GR-FE发动机就采用了气门间隙自动调节器，如图1-360所示。

图1-360 丰田凯美瑞2GR-FE发动机的气门间隙自动调节器

气门间隙自动补偿器位于滚柱摇臂支点上，主要由柱塞、柱塞弹簧、止回球和止回球弹簧组成。

由气缸盖提供的发动机机油和内置弹簧来控制气门间隙自动补偿器。作用在柱塞上的机油压力和弹力逆着凸轮推动滚柱摇臂，从而调整打开和关闭气门时产生的气门间隙。因此降低了发动机噪声。

气门间隙自动补偿器无论是结构或是工作原理都与液压挺柱相同，不称其为液压挺柱是因为它不是凸轮的从动件，仅仅是摇臂的一个支撑结构而已。因此，它既是摇臂的支座又是补偿气门间隙变化的装置。此时的摇臂是单臂杠杆，其支点在摇臂的一端。

图1-361所示为日产SR20DE双顶置凸轮轴式发动机的气门间隙调节器。

其工作原理如图1-362所示。

图1-361 日产SR20DE发动机的气门间隙调节器

a）在凸轮上升前。凸轮和摇臂在基圆部分接触，柱塞被回位弹簧压下，气门间隙为零。此时高压室充满机油。

b）在凸轮上升过程中。当凸轮开始上升（下压摇臂）时，凸轮尖向摇臂滚轮处施加负荷，负荷作用到柱塞的高压室，单向阀关闭，高压室内的液压压力增加。由于机油的不可压缩性，结果除柱塞和柱塞座之间有少量机油泄漏导致柱塞轻微降低外，柱塞相当于刚性支承支撑摇臂的一端。

c）在凸轮上升后。由于作用到柱塞的负荷减轻，回位弹簧使柱塞返回到原始位置，然后止回球打开，机油进入。这样在重复a）至c）时气门间隙保持为零。

图1-362 气门间隙自动补偿器的工作原理

如图1-363所示，按压液压间隙调节器位置，若摇臂可以移动1mm以上，则表明高压室中有空气。如果没有排气就起动发动机，液压间隙调节器将会发出噪声，此时应排出空气，操作步骤如下：

拆卸液压间隙调节器，并将其浸入加有发动机机油的容器中，如图1-364所示，在推动柱塞的同时，使用细杆轻轻推动止回球。当柱塞不再移动时，表明空气已完全排出。

图1-363 检查液压间隙调节器

图1-364 液压间隙调节器的排气

对于这种类型的液压间隙调节器，不能通过运行发动机为其排气。

4）推杆。推杆处于挺柱和摇臂之间，其功用是将挺柱传来的运动和作用力传给摇臂。推杆的结构如图1-365所示。在下置凸轮轴式的配气机构中，推杆是一个细长杆件，加上传递的力很大，所以极易弯曲。因此，要求推杆有较好的纵向稳定性和较大的刚度。推杆的材料有硬铝的（适用于铝合金缸体与缸盖），也有钢制的。钢制实心结构推杆同两端的球形或凹球形支座锻成一个整体；而铝制实心结构推杆，在两端配以钢制的支撑。空心推杆大都采用冷拔无缝钢管，两端配以钢制支座。无论是实心还是空心结构，两端的支座必须经淬火和磨光处理，保证其耐磨性。推杆下端与挺柱接触，上端与摇臂调整螺钉接触。

5）摇臂。摇臂的功用是将推杆和凸轮传来的运动和作用力，改变方向传给气门使其开启。摇臂在摆动过程中承受很大的力矩，因此应有足够的强度和刚度以及较小的质量。摇臂由锻钢、可锻铸球、球墨铸铁或铝合金制造。

图1-365 推杆的结构

8.可变进气正时控制机构的结构、原理

发动机配气相位应该像点火提前角那样，随发动机转速的变化而变化，以充分利用气流的惯性和压力差，使进气充分和排气彻底，满足发动机在不同转速下对动力性、经济性和排放净化性的要求。如果配气相位可变，则可使发动机在低速和高速时都能得到很大的转矩。并且能直接在全转速范围提高发动机性能，因此，可变配气相位装置一出现便很快在汽车上被广泛应用。

较大的配气相位角可提高发动机在高转速时的性能，但会降低发动机在低转速时的性能。原因是：在低转速时混合气的流动速度较慢，燃烧速度也较慢，较大的进气提前角可能将混合气挤出气缸外，造成回火和发动机怠速不稳；在高转速时则相反，混合气的流动速度较快，燃烧速度也较快，气体的流动惯性能量增大，增大进气门早开、晚关的角度，可以充分利用进气流的惯性能量防止混合气滞留在气缸外，使进气充分和排气彻底。适合发动机高速运转的配气相位，在低速运转时的输出转矩小，怠速不稳定。反之，适合发动机低速运转的配气相位，在高速运转时输出转矩小。因此，高速时增大进气门迟闭角，低速时减少气门重叠角，就可以使发动机在各种转速上都能充分发挥出性能。

目前，常见的可变配气相位装置有丰田的VVT-i、VVTL-i（智能型可变气门正时和气门升程机构），本田的VTEC、i-VTEC，宝马的VANOS、Valvetronic系统等。

图1-366所示为丰田卡罗拉1ZR-FE发动机Dual VVT-i（智能可变气门正时）系统。