汽车发动机配气机构的设计与研究

汽车发动机配气机构的设计与研究

曾黎

广西玉柴机器股份有限公司537000

摘要：汽车发动机的配气系统装置机构是气缸的主要部分，它能够按照汽缸的运行流程，通过定时开关入、排气的阀门，来完成向汽缸内吸入新鲜空气和排出尾气。本研究主要针对目前在汽车上最普遍使用的汽油发动机进行配气装置的结构设置，同时还对配气系统结构中的凸轮结构进行了动态设计，以确保发动机得到足够的气体供应。

关键词：汽车发动机；配气机构；设计；研究

汽车发电机配气系统装置机构是气缸的主要部分，它按照汽缸的常规工作方法，通过定时开闭进、排气阀门，使汽缸内吸收新鲜空气并排出发动机尾气。该项工作将着重针对在微型汽车中使用的汽油引擎进行配气方式分析，并对配对凸轮机构进行动作分解，以确保发动机得到足够的气体供应。

1.绪论

配气系统机构设计在发动机组成上起着关键性作用，发动机的空气经济性、动力性能否完善，工作环境能否安全可靠，以及噪声与震动是否受到了合理的限制等，这都和配气系统机构的设计有着密切联系。

为提高气缸的稳定性，人们对发动机配气结构开展了较多、较详细的研究，主要涉及凸轮型线、气门活动状态、气门震动模拟、挺柱和凸轮之间的接触位置等。

由于在国内开始的早期，国外已经掌握了较为完备的发动机技术，这其中就包括了从配起机构的基本原理和应用的技术方面，就己经发展的较为完备了。在上个世纪90年代，在全球上各大工厂都还使用单个气缸的二个正时进、当排气门数时，一位日本工程师发明了多气门发动机，而所谓多气门发动机就是发动机气缸进、排气门数超过两个气门。当时，它主要是由日本制造商开发的。它基本上是一个四阀多阀的设计。20世纪90年代末，本田率先开发了VTEC发动机，该发动机可以自由调整正时长度和正时，以克服常见多气门发动机在中低转速时排放效率低的问题。但是由于结构的影响，气动阀在自动控制的操作过程中并不方便，所以早期的VTEC只有两冲程控制，现在更多的时候只有三冲程控制，再加上新配备的VTEC发动机，在加速的时候，往往会有突然的推回感觉，这也降低了驾驶的舒适性。宝马VALTRONIC系统是一种电子控制系统，无级可调阀门程序。它的能力基本上与本田VTEC相同，但主要的区别是，它的阀门程序是线性调节的。这也说明发动机在任何转速下都能保持良好的进排气效率。完成了无级可调进气和排气速度后，完全可以关闭所有油门设置，提高进气效果。

2.配气机构的主要功用

配气系统机构为发动机的二大机构之一，能够根据在发动机汽缸内所进行的工作循环与再生气次数，定期打开与关闭各汽缸的进排气阀门，使新鲜充足的压缩空气及时地进人汽缸，废气也能够更有效地排放气缸，并且在整个压缩过程和作功行程中，保持着燃烧室的状态密闭Ⅲ。配气机构是发动机各缸的燃烧作功的基础。

3.配气机构的分类

配气量装置的结构按照凸轮轴位置的不同，可分为下置式、上置式和上置式。因为由凸轮轴和下置式配气量装置构成的凸轮轴与曲轴距离都很近，所以由同一个齿轮传动。但是也由于驱动路程较长、驱动零件数量较多，导致配气系统结构的刚度较小、噪音比较大。而凸轮轴中置的配气系统结构又因为没有过杆，使机器的刚性大大提高，所以经常在速度较大的发动机上应用。配气系统机构根据正时的传动方式，又可分成摇臂式、摆臂式和直接式。

4.配气机构的结构设计

配气装置结构零件的总体设计都是采用标准架构设计的，所以架构设计也是配气系统结构总体设计的基础。结构设计时应综合考虑发动机的使用条件，运行特性，以及燃料经济性对配气结构的稳定性的要求，设计成本等诸多因素。

4.1配气机构的种类

配气机构是进、排气阀门的主要控制机关，它根据汽缸的运行次序和操作流程的需要，准时地开闭进、排气阀门，给汽缸供应可燃混合气并有效排除尾气。此外，在进、排出阀门同时关闭时，保持汽缸内密闭，进饱排干净。

新鲜室内空气及易燃混合物被抽进汽缸越多，其引擎所产生的动力越大。清新气体或可燃混合气可以填满汽缸的高度。充气效率愈大，就意味着流入汽缸的新鲜空气就愈多，而可爆的气固混合物在点燃后所释放的能量也就愈多，发电机的工作效率愈高。

根据凸轮轴零件的不同，按配气方式也可分为凸轮轴下型、凸轮轴中型和顶型等三种类型。在凸轮轴下型中，凸轮轴安装在曲轴箱中，通过凸轮轴的正时齿轮机构与曲轴位置感应器正时齿轮的啮合，由曲轴直接驱动。当凸轮轴随凸轮轴运动时，使凸轮轴上的从动件随凸轮轴机构的曲轴位置传感器的上升而摆动。下部摇臂的反向动作，使顶轴方向移动，从而经过上气门摇臂的推动，使进、排出阀门按凸轮型线的动作形式，同时开启、关闭。该种系统传动效果良好，其缺陷是进、排气阀门的动作由同一个凸轮机构决定，配气系统定时并不方便。此外，由于气动阀门与凸轮轴的距离较远，所以气阀传动零部件数量较多，机械构造较复杂，同时发动机高度也有所增加。

凸轮轴顶置式，将凸轮轴直接安装在气缸盖上。它有二个特点，一个是将凸轮轴直接采用摇臂来带动正时，这样即无挺杆，也无过杆，往复运动能力就大为降低了，对凸轮轴和气门弹簧的需求也较低。另一类是凸轮轴直接带动正时或带液力挺杆的正时，这些配气系统结构的往复移动能力较小。为了将气缸设计的更加紧凑，增加配气装置结构的刚度和降低运动部件的质量，以满足高转速的需要，很多现代的四冲程气缸均使用顶置凸轮配气系统结构。

4.2配气机构的组成

①气门

定时一般用来调节排气管的开闭。由于发动机门正时设置在缸盖上方，工作环境恶劣，受高强度热负荷和机械负荷的影响，排气门也受高热废空气侵蚀的影响。这就要求相应的质量、刚性、耐磨性、高耐热性、抗氧化性、抗冲击性等。因此进气阀多采用合金钢，排水门多采用耐热合金钢。

该阀主要由阀头和鞋筒组成。阀头通常是带锥面坡度的小圆盘，阀锥角一般为45°，有的为30°，但阀头外侧也要有适当的厚度，一般为1-3mm，以避免工作时摩擦损坏和高温破坏。阀门密封锥也可以与阀座一起接地。也有平顶，球形顶部和喇叭形顶部形式的阀头。

②气门导管

阀芯导管的主要作用是引导阀芯运动，使垂直往复运动的定时。此外，它还具有导热功能，使从计时头到鞋筒的热能可以通过缸盖传递。为了保持运动方向，管道通常有一定的直径，而且阀管温度也很高，高达500K。阀导轨与气动阀之间的润滑剂主要是由分配器注入润滑油进行润滑，因此很容易损坏。为了提高润滑性能，阀芯一般采用铁基粉末冶金材料制成，如灰铸铁或球墨铸铁。加工完导管内外圆面后，先压入汽缸盖的阀导管孔内，再铰入内孔。

③气门座

气门座和气门头紧密锥面相配以密闭空气，而气门头的能量亦通过气门座外传。气门座可从活塞的汽缸上进行钟出，也可使用嵌入式构造。嵌入式的气门座都使用很高的材质(合金铸铁、奥氏体钢等)独立制造，目前大多是自行制造。

④气门弹簧

1)圆柱螺旋弹簧(普通)。

2)变丝齿的圆柱弹簧:在运行时工作圈数并没有常数，但振荡次数常常改变，可以避免弹簧和气门之间发生共振现象，使弹簧在运行时无法断裂(导致气门闭锁不严)。

3)同心布置的二个弹簧:效果是能够避免共振(两根弹簧的震动频段不相同)；可减小气门弹簧的高度；可大大提高工作的可信度(某个坏了，还有某个还能持续上班，而且二者旋向反过来，以防折断后卡死)。

此外，锁片、卡簧的功能则是在气门弹簧力的影响下将弹簧座与阀门杆卡住，并将弹簧力矩影响在进气门柱上。

⑤摇臂摇臂的运行环境一般非常严酷，特别是在顶置凸轮轴形式的发电机上，在电动机工作期间，摇臂总是在承载着较大的脉动压力下高频摆动，在与凸轮机构间不断持续的压力作用下发生磨擦。而摇臂与凸轮机构间的磨擦也会消耗一些电能，使电机工作效率显著下降;同时摇臂的旋转惯量和刚度也会直接影响着电机的驱动功能;摇臂的疲劳情况直接威胁着整套电机的性能。尤其是，摇臂工作时圆弧表面和轴承孔的耐磨程度直接决定着发电机配气机构的工作精度，进而关系着整套电机的驱动功能、振动情况、燃料消耗以及排放标准等许多的重要技术指标。为适应上述的要求，摇臂基体硬度高、硬度大、疲劳寿命长、旋转惯性小，且轴孔耐磨程度高。

⑥凸轮轴

凸轮轴驱动机构是指设置在曲轴和凸轮轴之间，使曲轴能按照特定的速比和定时关系带动凸轮轴转动的机械部件。凸轮轴的基本结构分为整体式和组合式两部分。一般都是由凸轮轴之间的容积和轴承天然气热锻铸造而成，而组合凸轮轴体通常是由凸轮机构和轴承分离，然后把凸轮轴按要求的实体拧紧在轴承型式上，而较长的凸轮轴体通常是由金属片组成，然后连接在一起。这种形式的优点是它的结构更简单，当凸轮轴磨损时可以很容易地更换。

在气缸运行过程中，进气阀和排气阀在每个功能循环中旋转一次。因此，四冲程柴油机曲轴与凸轮轴之间的传动比为2:1。整个内燃机的配气凸轮机构是由配气系统的凸轮结构驱动的，因此配气机构的凸轮结构在大范围内限制了配气的性能指标。特别是当汽缸转速增加时，凸面结构的好坏对发动机的充气特性和行驶稳定性有很大的影响。由于凸轮与远日点结构之间的线性接触，阀门在运行过程中受到凸轮结构载荷的影响，凸轮轴结构往往采用高碳钢、合金钢和球墨铸铁制成，工作面上的磨损会通过淬火温度、碳和表面硬化处理而硬化，以增加耐磨性。

5.气门间隙

在冷态下，进气门间距通常为0.25-0.30mm，而排气阀门间距通常为0.30-0.35ram，但各种发动机的气阀间距通常有所不同。气门间隙过小，在发动机正常工作时会因传动件间受热而膨胀引起气体泄漏，使发动机的有效输出功率减小;若气门间隙过大，造成传动零部件间包括气动阀与气门座圈之间互相碰撞，使配气机构的工作平稳性减少，噪声也增大，配气机构的寿命减少日。所以气门间隙必须保持在一个合理的水准，而通常在发动机出厂之前发动机生产企业就会先通过试验来决定合理的气门间隙。

6.结束语

发动机配气系统机构结构复杂、零部件工作隋况不良、机械热处理技术要求很高等。因此实现发动机配气系统机构精度控制系统的困难很大且对零部件加工水平的要求很高，凸轮的设计与应用也对配气系统机构的质量控制产生了很大影响。发动机的配气系统机构设计是实现发动机高效率工作的必要保障。但同时，现在国家为了环保，对发动机的排放规定也更加严苛了，配气系统机构设计得不好，极易造成燃油的不充分燃烧，甚至造成汽车尾气排放不合格。因此掌握了发动机配气系统机构的工作机理，对发动机配气系统机构的优化设计具有关键意义。

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