2.3 配气机构
2.3.1 配气机构基本知识
细节一：配气机构的功用
配气机构的功用是按照发动机的工作循环和工作顺序的要求，适时地开启或关闭各个气缸的进气门和排气门，使可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）适时进入气缸，并将燃烧后产生的废气及时排出气缸。
可燃混合气或新鲜空气进入气缸越多，发动机可能输出的功率将越大，这就要求发动机的充气效率要非常高。然而影响发动机充气效率的因素很多，如进气系统自身对气流的阻力引起进气终了时气缸内压力下降，上一循环没有排净的残余废气及燃烧室、活塞顶、气门等高温零件对进入气缸的新鲜气体进行加热，使进气终了时气体温度升高，导致实际充入气缸的可燃混合气或空气总是低于在大气状态下充满气缸工作容积的新鲜气体的质量，即充气效率总是小于1（通常为0.8～0.9）。因此对于配气机构而言，要提高充气效率，应尽可能地减小进、排气阻力，合理设置配气正时，使进气和排气尽量充分。
细节二：配气机构的组成
汽车发动机的配气机构主要是由气门传动组和气门组两部分组成。气门传动组由凸轮轴、液压挺柱、正时齿形带、正时齿轮及中间轴齿轮、张紧轮等组成；气门组包括进排气门、气门导管、气门座、气门内外弹簧、气门弹簧座、气门弹簧锁片以及气门油封等，如图2-108所示。
图2-108 配气机构的结构示意图
细节三：充气效率
在进气行程中，实际进入气缸内的可燃混合气或新鲜空气的质量与在进气系统理想状态下充满气缸工作容积的可燃混合气或新鲜空气的质量之比，称为充气效率。
（1）充气效率的计算 公式如下。
式中 M——进气过程中，实际进入气缸的新气的质量；
Mo——在理想状态下，充满气缸工作容积的新气质量。
（2）对充气效率的分析通常ηv<1（一般为0.8～0.9）。
（3）提高ηv方法减少进气与排气阻力；进、排气门的开启时刻和持续开启时间要适当。
细节四：配气机构的类型
（1）按气门布置位置分类 根据气门布置方式不同可分为气门侧置式与气门顶置式两种结构类型，如图2-109所示。气门侧置式压缩比受到限制，进排气门阻力较大，发动机的动力性与高速性均较差，逐渐被淘汰。目前汽车发动机大多选用气门顶置式布置结构。
图2-109 按气门布置位置分类
（2）按凸轮轴的布置位置分类 根据凸轮轴位置可分为上、中、下三种布置方式的结构类型，分别见图2-110。
图2-110 凸轮轴的分类
①上置凸轮式配气机构：凸轮轴上置式配气机构的凸轮轴安装于气缸盖上，多用于轿车的高速强化发动机。这种结构都采用齿形带传动或链传动，其结构形式及特点如图2-110（a）所示。
②中置凸轮式配气机构：凸轮轴中置式结构多用于柴油机。通常采用在一对正时齿轮之间加入一个中间齿轮（惰轮）进行传动，其结构形式及特点如图2-110（b）所示。
③下置凸轮式配气机构：凸轮轴下置式配气机构多用于载货汽车及大、中型客车发动机。这种结构都采用一对正时齿轮传动，其结构形式及特点如图2-110（c）所示。
（3）按凸轮轴的传动方式分类 凸轮轴的位置有下置式、中置式与上置式三种布置方式，其相应的传动方式依次是齿轮传动、齿形带和带轮传动（含链与链轮传动）。其结构组成如图2-111所示。
图2-111 凸轮轴的传动方式
（4）按气门驱动形式分类配气机构根据气门驱动形式不同可分为摇臂驱动、摆臂驱动和凸轮直接驱动三种结构类型，参见图2-112。
图2-112 气门的驱动形式
凸轮轴上置于气缸盖上的配气机构又称为凸轮轴顶置式配气机构，其结构类型又可分为单顶置凸轮轴（SOHC）摆臂和双顶置凸轮轴（DOHC）摆臂驱动式配气机构。
通常摆臂驱动气门的配气机构比摇臂驱动气门的配气机构刚度要好，非常有利于高速发动机。
由凸轮直接驱动气门的顶置式配气机构通常是凸轮通过吊杯形机械挺柱或吊杯形液压挺柱直接驱动气门。
①两气门式配气机构：一般发动机每个气缸有两个气门，一个进气门和一个排气门，称两气门发动机。
②多气门式配气机构：现代高性能汽车发动机大多采用每缸三个、四个或五个气门，四气门发动机为最多见，其优点为气门通过截面积大，进、排气充分，进气量增加，发动机的转矩和功率提高。
（5）按每缸气门数及其排列方式分类如图2-113所示。
图2-113 气门数及其排列方式
细节五：普通配气机构的工作原理
发动机工作时，曲轴正时齿轮依据不同的驱动方式带动凸轮轴正时齿轮旋转，凸轮轴就随着其正时齿轮一同旋转。当凸轮轴上的凸轮由基圆经缓冲段到工作段时，挺杆由于凸轮的作用推动推杆向上运动。推杆通过气门调整螺钉使得摇臂摇摆，摇臂的摇摆克服气门弹簧的弹力将气门向下顶开。凸轮跟随着凸轮轴继续旋转，挺杆逐渐从凸轮的工作段向缓冲段运动，这时推杆作用于摇臂上的推力逐渐减小，气门在气门弹簧的作用下也就慢慢关闭。当挺杆完全落到凸轮基圆时，气门完全关闭。如图2-114所示。
图2-114 普通配气机构的工作原理
1—气缸盖；2—气门导管；3—气门；4—气门主弹簧；5—气门副弹簧；6—气门弹簧座；7—锁片；8—气门室罩；9—摇臂轴；10—摇臂；11—锁紧螺母；12—调整螺钉；13—推杆；14—挺柱；15—凸轮轴；16—正时齿轮
这里指的普通配气机构是指下置凸轮轴式配气机构。
细节六：可变气缸数发动机配气机构的工作原理
为了降低发动机的燃料消耗，有一种发动机可根据功率的需求，使发动机在工作时的气缸数目自动地产生变化。如V8缸的发动机，它可依据需要自动地变为八个缸、六个缸和四个缸进行工作，此类型发动机常被称为“V8-6-4”可变气缸数发动机。它能根据汽车的行驶状况，通过控制电脑对一些执行元件（机械机构）进行调控，改变发动机的排气量，使选定气缸的气门暂停工作，从而达到气缸数自动改变的目的。
气缸数目自动变化机构通常由气门配气机构（图2-115）与气门选择器的结构（图2-116）组成。在气门配气机构中，电脑接受各种传感器传来的信号，经过处理后由电磁阀转变成机构控制，使选定气缸的气门暂停工作。
图2-115 可变气缸数发动机的气门工作原理图
图2-116 气门选择器的结构
气门选择器的功能是用来操纵该缸的进气门和排气门，并且控制摇臂的支点，使气门开启或关闭。气门选择器安装在配气机构摇臂的中间，其内部装有内簧，外部为选择器体，选择器上部有阻挡板，阻挡板和电磁阀连在一起。
细节七：可变配气相位与气门升程电子控制配气机构的工作原理
为了使发动机的有效功率、转矩尽量增加，在汽车发动机上设置了双气门和四气门配气机构的气门正时，但这种设置在发动机怠速运行时，动力性将急剧下降，燃料的经济性会变得非常差。因此，有些汽车近年来采用一种可变配气相位和气门升程电子控制（VTEC）的配气机构来控制进气时间与进气量，从而使得发动机在不同的工况下都能产生较大的输出功率。
（1）VTEC机构的组成 同一缸有主进气门和次进气门，主摇臂驱动主进气门，次摇臂驱动次进气门，中间摇臂位于主、次摇臂之间，不与任何气门直接接触。相应凸轮轴上的凸轮同样有主凸轮、中间凸轮和次凸轮之分，如图2-117所示。
图2-117 VTEC机构图
（2）工作原理 当VTEC机构不工作时，正时活塞与主同步活塞位于主摇臂缸内，和中间摇臂等宽的中间同步活塞在中间摇臂液压缸内，次同步活塞和弹簧一起则在次摇臂液压缸内。正时活塞的一端与液压油道相通，液压油来自工作液压泵，油道的开启经由ECM通过VTEC电磁阀控制。
当发动机低速运转时（图2-118），因为ECM不发出指令，油道内没有油压，活塞位于各自的油缸内，所以各个摇臂都独自运动。于是主摇臂控制主凸轮开闭主进气门，以提供低速运转时发动机所需的混合气。次凸轮则使次摇臂略微起伏，稍稍开启次进气门，中间摇臂虽然也跟着中间凸轮大幅度运动，但是它对任何气门都没有作用。此时发动机处于单进双排工作状态，吸入的混合气不及高速时的一半，因为此时仍然是所有气缸参与工作，所以发动机运转十分平稳。
图2-118 发动机低速运转时的工作原理
当发动机高速运转时（图2-119），ECM即向VTEC电磁阀发出指令开启工作油道，此时工作油道中的压力油推动活塞移动，压缩弹簧，这样主摇臂、中间摇臂及次摇臂就被主同步活塞、中间同步活塞和次同步活塞串联为一体，作为一个同步活动的组合摇臂。由于中间凸轮的升程大于另两个凸轮，而且凸轮角度提前，所以组合摇臂按中间摇臂一起受中间凸轮驱动，主、次气门均大幅度地同步开闭，因此配气相位发生变化，吸入的混合气数量增多，符合发动机大功率时的进气要求。
图2-119 发动机高速运转时的工作原理
细节八：配气正时
（1）配气正时 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称为配气正时。
（2）进气提前角 进气门在进气行程上止点之前开启称为早开。从进气门开启到活塞运行到上止点时，曲轴所转过的角度称进气提前角，记为α。
（3）进气延迟角 进气门在进气行程下止点之后关闭称为晚关。从进气行程下止点到进气门关闭时，曲轴所转过的角度称进气延迟角，记为β。
（4）排气提前角 排气门在做功行程结束之前，即在做功行程下止点之前开启，称为排气门早开。从排气门开启到活塞运行到下止点时，曲轴所转过的角度称排气提前角，记为γ。
（5）排气延迟角 排气门在排气行程结束之后，即在排气行程上止点之后关闭，称为排气门晚关。从上止点到排气门关闭时，曲轴所转过的角度称作排气延迟角，记为δ。
进气门早开和排气门晚关，致使活塞在上止点附近出现进、排气门同时开启的现象，称其为气门叠开（重叠）。叠开期间的曲轴转角称为气门叠开角，它等于进气提前角与排气延迟角之和，即α+β。
增压柴油机可以选择较大的气门叠开角，这是由于进气压力较高，废气不可能流入进气歧管。此外还可以利用新鲜空气将气缸内的废气扫除干净。
四冲程发动机的配气正时应该是进气延迟角和气门叠开角随发动机转速的升高而增加。如果气门升程也能随着发动机转速的升高而加大，则更有利于得到良好的发动机高速性能。
细节九：配气相位
为使发动机进气更充足，排气更彻底，通常将进、排气门设计成早开晚关角。而配气相位是指从气门的开启到关闭时，曲轴所转过的角度。
对汽车上常用的四冲程发动机而言，由于发动机的进气、压缩、做功和排气四个工作过程分别占用一个行程，而活塞每走一个行程，曲轴正好转半圈即180°。因此由于配气相位的存在（即进、排气门的早开晚关），使得发动机的配气相位都大于180°。其配气相位所对应的曲轴转角=气门提前角+180°+气门延迟角。如图2-120所示为配气机构的配气相位图，图2-121所示为配气相位角的起始位置和测量方法。部分发动机的配气相位见表2-13。
图2-120 配气机构的配气相位图
图2-121 配气相位角的起始位置及测量方法
表2-13 常见发动机的配气相位表
细节十：气门间隙
（1）气门间隙的定义 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，该间隙称为气门间隙。
（2）气门间隙的必要性 发动机工作时，气门将由于温度升高而膨胀（此时，杆身身长，头部直径变大），若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，气门与传动件的受热膨胀势必引起气门关闭不严，导致发动机在压缩和做功行程中漏气，而使功率下降，严重时甚至很难启动。为了消除这种现象，一般在发动机冷态装配时，留有气门间隙，用来补偿气门受热后的膨胀量。
有的发动机采用液力挺柱，挺柱的长度可以自动变化，随时补偿气门的热膨胀量，所以不需要预留气门间隙，如图2-122所示。
图2-122 采用液力挺柱的配气机构
（3）气门间隙大小直接影响发动机的工作性能 气门间隙过小，将导致气门关闭不严而漏气，功率下降，加速磨损，气门工作面烧蚀等不良缺陷。气门间隙过大，将造成气门开度减小，进气不足，排气不干净，零件之间发生冲击，加速磨损。气门间隙的检查调整一般是在冷态下进行，通常内燃机都规定有冷车时的气门间隙，部分内燃机也规定有热车间隙，通常来说冷车间隙比热车间隙要大，排气门间隙比进气门间隙要大。
常见汽车发动机的气门间隙规定值见表2-14。
表2-14 常见汽车发动机的气门间隙规定值
（4）气门间隙位置及其调整部位 不同结构类型的配气机构的气门间隙所处的位置不一样，调整方法也不同。但是无论是哪种结构类型的配气机构，其气门间隙都在气门杆尾端和其传动件之间，如图2-123所示。
图2-123 气门间隙调整位置