2.3 配气机构
2.3.1 配气机构功用
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)得以及时进入气缸,废气得以及时排出气缸。
2.3.2 对配气机构的要求
① 按照确定的规律定时开闭气门。
② 进气充分、排气干净,换气效果好。
③ 气门开启迅速,落座平稳,无反跳或抖动。
④ 工作可靠,振动噪声小。
⑤ 结构简单,维修方便。
2.3.3 配气机构的组成
配气机构有气门组、气门传动组组成,如图2⁃3⁃1所示。
图2⁃3⁃1 配气机构
2.3.3.1 气门组
由气门、气门座、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座和气门锁环等组成。
气门组作用:封闭进、排气道。
(1)气门
① 组成:气门是由头部和杆部组成的。头部用来封闭气缸的进、排气通道,杆部则主要为气门的运动导向。
a.气门头部的形状主要有以下几种形式(图2⁃3⁃2、表2⁃3⁃1):
(a)凸顶:凸顶的刚度大,受热面积也大,用于某些排气门[图2⁃3⁃2(a)];
(b)平顶:平顶的结构简单、制造方便,受热面积小,应用最多[图2⁃3⁃2(b)];
(c)凹顶:凹顶,也称漏斗形,其质量小、惯性小,头部与杆部有较大的过渡圆弧,使气流阻力小,具有较大的弹性,对气门座的适应性好(又称柔性气门),容易获得较好的磨合,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,如图2⁃3⁃2(c)所示。
图2⁃3⁃2 气门头部的形状
表2⁃3⁃1 气门头部的形状特点
② 气门锥角。
a.定义:气门头部与气门座圈接触的锥面与气门顶部平面的夹角。
b.作用:获得较大的气门座合压力,提高密封性和导热性;气门落座时有较好的对中、定位作用;避免气流拐弯过大而降低流速。
c.气门锥角大小的影响(图2⁃3⁃3):
(a)气门锥角越小,气门口通道截面越大,通过能力越强;气门锥角越大,截面就越小,通过能力越弱。
(b)锥角越大,落座压力越大,密封和导热性也越好。另外,锥角大时,气门头部边缘的厚度大,不易变形。
(c)进气门锥角:主要是为了获得大的通道截面,其本身热负荷较小,往往采用较小的锥角,多用30°,有利于提高充气效率。
(d)排气门则因热负荷较大而用较大的锥角,通常为45°,以加强散热(大约75%的气门热量从气门座处散失)和避免受热变形,也有发动机为了制造和维修方便,二者都用45°。
图2⁃3⁃3 气门锥角
③ 气门的杆部。气门杆部具有较高的加工精度和较低的粗糙度,与气门导管保持有正确的配合间隙,以减小磨损和起到良好的导向、散热作用。
④ 功用。燃烧室的组成部分,是气体进、出燃烧室通道的开关,承受冲击力、高温冲击、高速气流冲击。
⑤ 工作条件。
a.进气门570~670K,排气门1050~1200K。
b.头部承受气体压力、气门弹簧力等。
c.冷却和润滑条件差。
d.被气缸中燃烧生成物中的物质所腐蚀。
(2)气门座
① 概念:气缸盖的进、排气道与气门锥面相结合的部位。
② 作用:靠其内锥面与气门锥面的紧密贴合密封气缸;接受气门传来的热量。
图2⁃3⁃4 气门密封干涉角
1—气门;2—气门座
③ 气门密封干涉角:比气门锥角大0.5°~1°的气门座圈锥角。
气门密封干涉角的作用(图2⁃3⁃4):
a.减小了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;
b.可挤出二者之间的夹杂物,即具有自洁作用;
c.在气体压力作用下产生弹性变形时,可趋向全锥面接触,即随气体压力的增加,单位压力变化较小。如果干涉角相反即产生负干涉角时,便将起相反作用;
d.能防止加工时出现负干涉角,若产生负干涉角,除前述相反作用外,还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。
上述中提高密封能力和加速磨合是主要的作用,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。
(3)气门导管
① 作用:气门导管为气门的运动导向,保证气门直线运动兼起导热作用。
② 工作条件:工作温度较高,约500K。润滑困难,易磨损。
③ 材料:用含石墨较多的铸铁,能提高自润滑作用。
④ 加工方法:外表面加工精度较高,内表面精铰。
(4)气门弹簧
① 作用:保证气门的回位;保证气门与气门座的座合压力;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 材料:高锰碳钢、铬钒钢。
③ 要求:具有合适的弹力;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;弹簧的两端面经磨光并与弹簧轴线相垂直。
④ 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,采取如下几种结构措施:
a.提高气门弹簧的自然振动频率。即设法提高气门弹簧的刚度,如加粗钢丝直径或减小弹簧的圈径。这种方法较简单,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。
b.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,导致好的弹簧被卡住或损坏。另外,万一某根弹簧折断时,另一根弹簧仍可保持气门不落入气缸内。
c.采用不等螺距弹簧。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,自然频率也就逐渐提高,使共振成为不可能。
d.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。
图2⁃3⁃5 气门传动组
2.3.3.2 气门传动组
由凸轮轴正时齿轮、凸轮轴、挺柱、气门推杆、摇臂和摇臂轴等组成(图2⁃3⁃5)。
气门传动组作用:使进、排气门按配气相位规定的时刻开闭,且保证有足够的开度。
(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、配气相位及气门开度的变化规律等要求。
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。
③ 工作条件:承受气门间歇性开启的冲击载荷。
④ 组成:凸轮轴主要由凸轮、凸轮轴轴颈等组成。
(2)挺柱
① 作用:将凸轮的推力传给推杆或气门。
② 分类(表2⁃3⁃2)。
表2⁃3⁃2 挺柱的类型
(3)气门推杆
① 作用:将挺柱传来的推力传给摇臂。
② 工作情况:是气门机构中最容易弯曲的零件。
③ 材料:硬铝或钢。
(4)摇臂
① 作用:将推杆或凸轮传来的力改变方向,作用到气门杆端以推开气门。
② 组成(图2⁃3⁃6)。
图2⁃3⁃6 摇臂及摇臂组
1—垫圈;2~4—摇臂轴支座;5—摇臂轴;6,8,10—摇臂;7—弹簧;9—定位销;11—锁簧;12—堵头;A,C,D,E—油孔;B—油槽
③ 材料:一般为中碳钢,也有的用球墨铸铁或合金铸铁。
2.3.4 配气机构的分类
(1)按气门的布置位置分(侧置式、顶置式两种)
侧置式:气门布置在气缸的一侧。使燃烧室结构不紧凑,热量损失大,气道曲折,进气流通阻力大,从而使发动机的经济性和动力性变差,已被淘汰。
顶置式:气门布置在气缸盖上。
(2)按凸轮轴的位置分类(图2⁃3⁃7)
图2⁃3⁃7 按凸轮轴的位置分类
① 凸轮轴下置式。凸轮轴布置在曲轴箱上,由曲轴正时齿轮驱动。优点是凸轮轴离曲轴较近,可用齿轮驱动,传动简单。但存在零件较多,传动链长,系统弹性变形大,影响配气准确性等缺点。
② 凸轮轴中置式。 凸轮轴布置在曲轴箱上,与下置凸轮轴相比,省去了推杆,由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂,减小了气门传动机构的往复运动质量,适应更高速的发动机。
③ 凸轮轴上置式。凸轮轴直接布置在气缸盖上,直接通过摇臂或凸轮来推动气门的开启和关闭。这种传动机构没有推杆等运动件,系统往复运动质量大大减小,非常适合现代高速发动机,尤其是轿车发动机。
(3)按曲轴到凸轮轴的传动方式分类
凸轮轴的传动方式如图2⁃3⁃8所示。
图2⁃3⁃8 凸轮轴传动方式
① 齿轮传动。
② 链传动。
③ 齿形皮带传动。
2.3.5 配气机构的工作原理
凸轮轴旋转时,当凸轮轴上凸起部分与挺柱接触时,将挺柱顶起,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,气门克服弹簧力,开启直至最大位置。
当凸轮凸起部分的顶点转过挺柱后,气门开度逐渐减小,直至关闭。四冲程发动机完成一个工作循环曲轴旋转两圈(720°),凸轮轴旋转一周,各缸进、排气门各开启一次。
由此可看出:气门的开启是通过气门传动组的作用完成的。而气门的关闭是由气门弹簧来完成的。
气门的开闭时刻与规律完全取决于凸轮的轮廓曲线形状。每次气门打开时,压缩弹簧,为气门关闭积蓄能量。
2.3.6 配气相位
2.3.6.1 定义
用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间。
2.3.6.2 配气相位图
通常用环形图表示——配气相位图,如图2⁃3⁃9所示。
图2⁃3⁃9 配气相位图
(1)进气提前角
从进气门开始开启到上止点所对应的曲轴转角,用α表示,α一般为10°~30°。
其目的是为了保证进气开始时,进气门已开启较大,增加进入气缸的新鲜气体或可燃混合气。
该角度过小,进气充量增加少;该角度过大,又会导致废气流入进气管。
(2)进气迟后角
从下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角,用β表示,β一般为40°~80°。
其目的是利用进气气流惯性和压力差继续进气。该角度过小,进气气流惯性未能得到充分利用,降低了进气充量;而该角度过大,进气气流惯性已用完,会导致已经进入气缸的新鲜充量又被排出。
(3)排气提前角
从排气门开始开启到下止点所对应的曲轴转角,用γ表示,γ一般为40°~80°。
其目的是利用废气压力,使气缸内废气排得更干净。但排气提前角也不宜过大,否则将造成做功能力损失。
(4)排气迟后角
从上止点到排气门关闭所对应的曲轴转角,用δ表示,δ一般为10°~30°。
其目的是利用排气气流惯性使废气排除更干净,但角度过大会造成排出的废气又被吸入气缸。
(5)气门重叠与气门重叠角
在排气终了和进气刚开始时,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。
适宜的气门重叠角,可以利用气流压差和惯性清除残余废气,增加新鲜充量,称此为燃烧室扫气。
(6)进气持续角:α+180°+β。
(7)排气持续角:γ+180°+δ。
2.3.6.3 配气相位对发动机工作性能的影响
(1)重叠角的影响
过大:废气倒流、新鲜气体随废气排出的现象。
过小:排气不彻底和进气量减少。
(2)进气迟后角
过大:进气门关闭过晚,会将进入气缸内的气体重新又压回到进气道内。
过小:进气门关闭过早而影响进气量。
(3)排气提前角
过大:仍有做功能力的高温高压气体提前排出气缸,造成发动机功率下降。
过小:排气阻力而增加发动机的功耗,造成发动机过热。
(4)合理的配气相位
不变配气相位发动机:通过试验来确定某一转速下较合适的配气相位。在其他转速下运转时,配气相位就不是最合适的。
可变配气相位发动机:通过电脑控制配气相位可随发动机转速、负荷变化对发动机配气相位进行自动调整。
发动机的结构不同,转速不同,配气相位也就不同,最佳的配气相位角是根据发动机性能要求,通过反复试验确定。
在使用中,由于配气机构零部件磨损、变形或安装调整不当,会使配气相位产生变化,应定期进行检查调整。