2.3 配气机构
2.3.1 配气机构概述
1.配气机构的功用
按照汽缸工作循环和发动机点火次序的要求，定时开启和关闭各进、排气门，使新鲜工质得以及时进入汽缸，废气得以及时从汽缸排出。
2.配气机构的基本形式
配气机构按其功用可分为气门组和气门传动组两大部分。气门组包括气门、气门导管、气门座、气门弹簧座、气门弹簧、气门锁片等零件；气门传动组一般由摇臂、摇臂轴、推杆、挺柱、凸轮轴和正时齿轮组成（如图2.36所示）。气门组包括气门及与之相关联的零件，其组成与配气机构的形式基本无关。气门传动组是从正时齿轮开始至推动气门动作的所有零件，其组成视配气机构的形式而有所不同。
3.配气机构的工作过程
发动机工作时（如图2.36所示），曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴旋转。当凸轮轴转到凸轮的凸起部分顶起挺柱时，挺柱通过推杆使摇臂绕摇臂轴摆动，压缩气门弹簧，使气门离座，气门即开启；当凸轮的凸起部分滑过挺柱后，上顶力消失，气门便在气门弹簧力的作用下落座，气门即关闭。
由上述工作过程可知：气门的运动是在凸轮的顶力和弹簧的弹力共同作用下进行的，凸轮的轮廓曲线决定了气门的开闭时刻与规律。
四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转两周，各缸的进、排气门各开启一次，凸轮轴只旋转一周。因此曲轴与凸轮轴的转速之比应为2∶1。
4.配气机构的其他结构类型
如图2.36所示配气机构是发动机中较早使用的形式，目前在商用车中还有一定的应用。随着人类对环保的日益重视及科技的发展，发动机性能也发生相应的改变，从而使配气机构的形式也呈现多样性。
根据凸轮轴在发动机机体上位置的不同，常见的基本形式有三类：凸轮轴下置式、凸轮轴中置式和凸轮轴上置式（如图2.37所示）。
图2.36 顶置式配气机构
图2.37 配气机构的三类基本形式
根据凸轮轴的数量可分为单凸轮轴式和双凸轮轴式（如图2.38所示）。
图2.38 单、双凸轮轴配气机构
根据气门开闭响应时间不同，可分为摇臂式配气机构和无摇臂配气机构（如图2.39所示）。
图2.39 摇臂式配气机构和无摇臂配气机构
根据气门的打开时间适应宽泛的发动机转速变化要求不一，可分为可变配气相位式（可变气门式）（如图2.40所示）和固定配气相位式配气机构。
图2.40 可变配气相位式配气机构
如前所述，不论何类形式的配气机构，气门组的组成大致相同，气门传动组不尽相同。气门传动组不尽相同的根本原因取决于发动机的功率、转速，以及配气相位等因素的综合考虑。一般地说，扭矩大、转速较低的发动机宜采用凸轮轴下置或中置，配气相位固定的配气机构；扭矩较小、转速较高的发动机宜采用凸轮轴顶置式，配气相位可变的配气机构。而凸轮轴的下置、中置还是顶置的布局带来了气门传动组的不同。
5.配气相位
在发动机工作中，“定时”的概念是以曲轴转过的角度来定义的。配气机构功能中的“定时”应理解为：曲轴转了几度气门开启，曲轴转过几度气门关闭，即气门的开闭时刻和持续时间对应曲轴转了几度。这种以曲轴转过的度数来定义气门开闭时刻和时间的度量方式称为“配气相位”（如图2.41所示）。
图2.41 配气相位图
（1）进气门的配气相位。发动机实际工作中，在排气冲程接近完成时，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活塞到达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值在10～30°之间。进气门早开，可使活塞到达上止点开始向下运动时，进气门已有一定的开度，可较快地获得较大的进气通道截面积，减小进气阻力。在进气冲程结束，活塞到达下止点时，进气门尚未关闭，而是在活塞上行一段距离后才关闭。从活塞位于下止点到进气门完全关闭所对应的曲轴转角称为进气延迟角，用β表示。一般β值在40～80°之间。活塞到达下止点时，汽缸内的压力仍低于大气压，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对应的曲轴转角，即进气持续角α+180°+β，约为230～290°。
（2）排气门的配气相位。在做功冲程后期，活塞到达下止点之前，排气门便开始开启。从排气门开始开启到活塞到达下止点所对应的曲轴转角称为排气提前角，用γ表示。一般γ值在40～80°之间。做功冲程接近结束时，汽缸内的压力约为0.3～0.5MPa，做功作用已经不大，此时提前打开排气门，可使高温废气迅速排出，减小活塞上行时的排气阻力，减小排气时的功率损失。高温废气提早迅速排出，还可防止发动机过热。在排气冲程结束活塞，到达上止点又下行一段距离后，排气门才关闭。从活塞位于上止点到排气门完全关闭所对应的曲轴转角称为排气延迟角，用δ表示。活塞到达上止点时，汽缸内的压力仍高于大气压，且气流还有一定的惯性，适当延迟关闭排气门，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γ+180°+δ，约为230°～290°。
（3）气门叠开与气门叠开角。由于进气门在排气上止点之前已经开启，而排气门又在排气上止点之后才关闭，这就出现了在同一段时间内，进气门和排气门同时开启的现象，称为气门叠开。气门叠开所对应的曲轴转角称为气门叠开角，大小为α+δ。气门叠开时，气门的开度很小，且新鲜气流和废气流各有自己的惯性，在短时间内不会改变流动方向。因此，只要气门叠开角选择适当，就有利于换气而不会造成废气倒流入进气管和新鲜气体随同废气排出。
（4）气门间隙。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，则在热态下，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做功行程中的漏气，而使功率下降，严重时使发动机不易起动。为消除上述现象，通常在发动机冷态装配时，在气门与其传动机构中，留有适当的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。这一预留间隙通常称为气门间隙。采用液力挺柱的发动机，挺柱内部填充有液体，可使挺柱的长度自动变化，随时补偿气门的热膨胀量，故不需要预留气门间隙。气门间隙的大小一般由发动机制造厂根据试验确定。通常在冷态时，进气门的间隙为0.25～0.30mm，排气门的间隙为0.30～0.35mm。如果间隙过小，发动机在热态下可能发生漏气，导致功率下降，严重时，将使气门烧坏。如间隙过大，则会使传动零件之间，以及气门和气门座之间产生撞击、响声，而加速磨损，同时也会使气门升程减小，气门开启的持续时间减小，进气不充分，排气不干净。
配气相位决定进入发动机汽缸内的空气量。传统发动机是通过选择发动机最常用转速来确定最佳配气相位的，一经确定则固定不变，配气相位的大小由凸轮的形状决定。
因为不同转速对配气相位的要求不一样，这一段要具有良好的进排气效果，具有良好的动力性和经济性，近年来一些发动机上采用了可变配气相位机构（如图2.40所示）。
可变配气相位机构有多种方案，目前实际应用的有本田汽车的可变气门控制（VTEC）机构、三菱汽车的多模式可变气门控制（MIVEC）机构、通用公司的无凸轮轴电子控制可变气门控制机构、丰田和帕萨特B5的可变配气正时控制（VVT-i）机构等。前三种机构既可以改变配气相位，也可以同时改变气门升程。第四种机构的实质是改变进气门的开闭时刻，增大高速时的进气迟闭角，以提高充气效率。
6.每缸气门数及其排列方式
（1）每缸气门数。早期的发动机多采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门的结构。这种每缸两气门结构的形式，不适应需进一步提高汽缸换气效果的现代发动机，因为气门直径的增大受到燃烧室尺寸的限制。因此，在高转速车发动机上多采用每缸4气门或5气门的结构，即2个进气门和2个排气门或3个进气门和2个排气门，如图2.42所示。
现代轿车发动机设计面临的主要任务是进一步降低燃油消耗和排放污染，提高动力性，改善噪声特性，降低成本。如新型奥迪轿车的V形六缸5气门发动机和捷达EA113型四缸5气门发动机采用了5气门（3进2排）技术。与4气门相比，采用每缸5气门的发动机，其气门流通面积更大。
（2）气门排列方式。当每缸采用2个气门时，为使结构简化，大多数发动机采用所有气门沿发动机机体纵向轴线排成一列的方式。这样，相邻两缸的同名气门就有可能合用一个气道，有利于气道简化并能得到较大的气流通过面积；也可以将进、排气门交替布置，每缸单独使用一个气道，这样有利于汽缸盖均匀冷却。
柴油发动机的进、排气道一般分置于发动机机体的两侧，以免进气受到排气的加热，导致冲气效率下降。传统汽油发动机的进、排气道通常置于发动机机体的同一侧，以便进气受到排气的预热，形成均匀混合气。电控汽油喷射发动机的进气歧管内流动的是纯空气，故不需对进气歧管进行预热，其进排气门也分置于机体两侧。
图2.42 多气门结构布置
当每缸采用4个气门时，气门的排列方式有两种：一种是同名气门排成两列，如图2.43（a）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。在这种排列方式中，两同名气门在气道中的位置一远一近，可能会使二者的工作条件和工作效果不一致。另一种方式是同名气门排成一列，如图2.43（b）所示。这种方式没有上述缺点，但一般要用两根凸轮轴分别驱动进、排气门。
图2.43 每缸4气门的布置及其驱动方式
当每缸采用5气门时，气门的排列方式一般是同名气门排成一列（如图2.42所示），分别设置进气凸轮轴和排气凸轮轴驱动。
2.3.2 气门组
气门组（如图2.44所示）应保证气门能够实现对汽缸的密封，因此要求：
图2.44 气门组零件
①气门头部与气门座贴合严密；
②气门导管对气门杆的上下运动有良好的导向作用；
③气门弹簧的两端面与气门杆的中心线垂直，以保证气门头在气门座上不偏斜；
④气门弹簧的弹力足以克服气门及其传动件的运动惯性力，使气门能及时关闭，并保证气门紧压在气门座上。
1.气门
气门由头部和杆部两部分组成，头部用来封闭汽缸的进、排气通道，杆部则主要为气门的运动导向（如图2.45所示）。
图2.45 气门
为了减小进气阻力，提高汽缸的充气效率，多数发动机进气门头部的直径比排气门大，以使汽缸的进气充分，这也是进、排气门的一个明显的区别。
气门头部的热量是直接通过气门座，以及气门杆经气门导管传到汽缸盖的。为了提高气门头部的散热性能，气门座孔区域应加强冷却，气门头向气门杆过渡部分的几何形状应尽量做到圆滑，以增加强度并减小热流阻力。此外，气门杆与气门导管之间的间隙应尽可能小。
气门杆呈圆柱形具有较高的加工精度和较低的粗糙度，保证其耐磨性及与气门导管间的配合精度，并具有良好的导向和散热作用。
气门杆端部的形状取决于气门弹簧座的固定方式（如图2.46所示）。常用的结构是用剖分成两半的锥形锁片来固定弹簧座，如图2.46（a）所示，相应地在气门杆的端部切出环槽来安装锁片。有些发动机其气门弹簧座用圆柱销固定，如图2.46（b）所示，因而气门杆端部有一个用来安装圆柱销的径向孔。
图2.46 弹簧座的固定方式
2.气门导管
气门导管安装在气门与汽缸盖之间，主要起导向作用，保证气门做直线往复运动，使气门与气门座能正确贴合。气门导管还在气门杆与汽缸盖之间起导热作用，如图2.47所示。
图2.47 气门导管
3.气门座
气门座是指汽缸盖上与气门头部锥面配合的环形座，与气门头部共同对汽缸起密封作用，同时接受气门传来的热量。
气门座有两种形式，一种是直接在汽缸盖上镗出，散热效果好，但不耐磨；另一种是单独制成气门座圈，然后镶嵌到汽缸盖上（如图2.48所示）。
图2.48 气门座圈
镶嵌式气门座的缺点是导热性差，加工精度要求较高。若气门座的公差配合不当，工作时镶嵌式气门座容易脱落，导致重大事故。因此，当直接在汽缸盖上加工出来的气门座能满足工作要求时，一般不用镶嵌式气门座。
4.气门弹簧
气门弹簧的作用是保证气门在运动过程中按凸轮轮廓线规定的运动轨迹运动，为此，气门弹簧应具有足够的弹力和安装预紧力。
气门弹簧多为等螺距气门弹簧，如图2.49（a）所示，其材料为高碳锰钢、铬钒钢等冷拔钢丝，加工后要进行热处理。钢丝表面要进行磨光、抛光或喷丸处理，以提高疲劳强度，增强弹簧的工作可靠性。此外，为避免弹簧锈蚀，其表面应进行镀锌、镀铜、磷化或发蓝处理。
气门弹簧在工作中，当其工作频率与固有振动频率相等或成某一倍数时，将发生共振。为了防止这一现象的发生，可采取如下措施：
①提高气门弹簧自身刚度，即提高气门弹簧的固有振动频率。如加大弹簧簧丝的直径，减小弹簧的外径等。
图2.49 气门弹簧
②采用变螺距气门弹簧。如图2.49（b）所示，这种弹簧在工作时，螺距小的一端先叠合后张开，由于螺距梯度的变化，参加工作的有效圈数逐渐地变化，频率也在不断地变化，从而避免共振发生。如红旗轿车的8V100发动机气门弹簧。
③采用锥形气门弹簧。如图2.49（c）所示，锥形弹簧的刚度和固有振动频率沿弹簧轴线方向是变化的，可以消除发生共振的可能性。
④采用双气门弹簧（如图2.44（b）所示）。一些高速发动机通常在每一个气门上都同心安装两根直径不同、旋向相反的内外弹簧，这样既可以提高气门弹簧工作的可靠性，又可以防止共振，而且当一根弹簧折断时，另一根还可维持工作，不致使气门落入汽缸中。采用双弹簧还可减小弹簧的高度，减小安装空间。
⑤采用气门弹簧振动阻尼器。当采用一个等螺距圆柱形气门弹簧时，可在弹簧外圈加装气门弹簧振动阻尼器，如图2.46（a）所示。
2.3.3 气门传动组
气门传动组主要由凸轮轴和正时齿轮、挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴和摇臂轴支座等组成。凸轮轴上置式配气机构省去了推杆，由凸轮轴直接驱动挺柱或摇臂打开气门（如图2.39所示）。气门传动组的主要作用是控制进、排气门定时地开启和关闭，且保证有足够的开度。
1.凸轮轴
凸轮轴的作用是按照发动机的工作顺序，使气门驱动和控制气门的开启和关闭。有些凸轮轴还具有驱动分电器（汽油机）、机油泵和汽油泵（或输油泵）的作用。
凸轮轴主要由各缸凸轮和轴颈组成（如图2.50所示）。凸轮可分为进气凸轮和排气凸轮两种，分别驱动进气门和排气门，使其按一定的工作顺序和配气相位及时开闭，并具有足够的气门升程。凸轮轴的轴颈一般都大于凸轮的轮廓，并从前向后依次减小，以便拆装。凸轮轴的前端装有正时齿轮。
凸轮轴安装在汽缸盖上，或汽缸体一侧（上置式或中置式、下置式）的座孔中。
凸轮的功用是与气门弹簧一起使气门按照其轮廓线规定的运动去运动。凸轮的轮廓决定了气门开启和关闭过程的运动规律。每种发动机的凸轮轮廓形状都不尽相同，但多采用函数凸轮，其轮廓线是对称的。
图2.50 六缸四冲程汽油机凸轮轴
凸轮轮廓由基圆和凸起两部分组成，形状如图2.51所示。O点为凸轮旋转中心。圆弧EA是以O点为圆心的基圆。
图2.51 凸轮轮廓示意图
凸轮旋转过程中，基圆与挺柱接触时，挺柱不动，气门处于关闭状态。
当凸轮按图中箭头方向转到A点与挺柱接触时，挺柱（液力挺柱除外）开始上移，但由于存在气门间隙，气门仍不能开启。
凸轮转到B点与挺柱接触时，气门间隙已消除，气门开始开启。凸轮转到C点与挺柱接触时，气门开度达到最大。
凸轮继续转动，挺柱开始下移，气门在气门弹簧弹力作用下开始关闭。当凸轮转到D点与挺柱接触时，气门完全关闭。
凸轮轴上各缸的进气凸轮或排气凸轮称为同名凸轮。从凸轮轴的前端看（如图2.52所示），各缸同名凸轮的相对角位置按发动机各缸的点火顺序逆凸轮轴转动方向排列，夹角为点火间隔角的1/2。因此，根据凸轮轴的旋转方向及各进气（或排气）凸轮的工作顺序，就可以判定发动机的点火顺序。
四缸四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转两周，凸轮轴只旋转一周，每个汽缸都要进行一次进气（或排气），且各缸进气（或排气）的时间间隔相等，即各缸进（或排）气门的凸轮彼此间的夹角均为90°。由图2.52（a）可见，该发动机的点火顺序为1—3—4—2（凸轮轴旋转方向，从前端向后看，如箭头所示）。如图2.52（b）所示为点火顺序为1—5—3—6—2—4的六缸四冲程发动机的凸轮轴的凸轮排列及相对角位置示意图，任何两个相继点火的汽缸进（排）气凸轮间的夹角为360°/6=60°。
图2.52 同名凸轮的相对角位置
2.挺柱
挺柱安装在推杆和凸轮之间（如图2.53所示），它的功用是将凸轮的侧向推力转化成轴向推力传给推杆或气门，压缩气门弹簧开启气门。
挺柱根据其作用原理的不同，分为普通挺柱和液压挺柱两大类。
普通挺柱常见的形式有两种：筒式和滚轮式。
大多数发动机采用筒式挺柱（如图2.53（a）所示），以减轻重量。某些大缸径柴油机采用滚轮式挺柱（如图2.53（b）所示），其优点是可以显著减小摩擦力和侧向力，但结构复杂，重量较大。
液压挺柱的作用是使凸轮和气门间实现无间隙传动，以解决配气机构在工作中由于该间隙的存在所产生的冲击和噪声问题。越来越多的发动机，特别是轿车发动机采用了液压挺柱。
图2.53 挺柱
3.推杆
采用下置式和中置式凸轮轴的配气机构，利用推杆将挺柱传来的推力传给摇臂。推杆下端与挺柱接触，上端与摇臂上的气门间隙调整螺钉接触。为防止发生运动干涉，推杆的下端一般制成凸球形，以便与挺柱的凹球形支座相适应；上端一般制成凹球形，以便与摇臂调整螺钉的凸球形头部相适应（如图2.54所示）。
4.摇臂
摇臂的功用是将推杆和凸轮传来的力改变方向，作用到气门杆端以推开气门。摇臂实际上是一个不等长的杠杆（如图2.55所示），摇臂的长、短臂长度的比值（称为摇臂比）约为1.2～1.8，其中长臂一端是推动气门的，这样可利用小的凸轮升程获得大的气门开度。
图2.54 几种不同形态的推杆
图2.55 摇臂
摇臂长臂端头的工作表面一般制成圆柱形，当摇臂摆动时可沿气门杆端面滚滑，这样可使两者之间的力尽可能沿气门轴线作用；摇臂短臂一端装有调节气门间隙的调整螺钉及锁紧螺母，螺钉的球头与推杆顶端的凹球座相接触。
配气机构小结。
综合上面的介绍，可归纳为以下几点：
（1）配气机构的动力来源于曲轴。即曲柄连杆机构工作时产生的部分扭矩，通过曲轴与凸轮轴的某种联系方式（齿轮、链条或齿形带）传给配气机构，驱动配气机构运动。
（2）配气机构与曲柄连杆机构分属两套机构，为使配气机构能够“按照汽缸工作循环和发动机点火次序的要求，定时开启和关闭”气门，“定时”功能由凸轮轴正时齿轮和曲轴正时齿轮之间的安装位置决定。
（3）气门的打开和关闭按设计的轨迹进行。凸轮的轮廓线决定气门的运动轨迹，气门弹簧保证气门按轨迹运动。
（4）配气机构是气体进出汽缸的通道，也是影响气体进出汽缸的重要因素，为此，工程师们在这个因素上考虑的改进主要在三方面：气门头直径、气门个数和配气相位的大小。