气门组的组成与工作原理

二、气门组的组成与工作原理

1.气门组的组成

气门组件由气门、气门座圈、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座、气门锁片（锁销）等组成。

2.气门组的结构

气门组包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧等零件，如图2.43所示。

图2.43　气门组

（1）气门

气门用来封闭气道。气门分成进气门和排气门两种。气门由气门头和杆身两部分组成，如图2.44所示。

图2.44　气门

气门头部是一个具有圆锥斜面的圆盘，气门锥角一般为45°，进气门锥角也可能为30°。气门头边缘应保持一定厚度，一般为1～3mm，以防工作中被冲击损坏和高温烧蚀。气门密封锥面与气门座配对研磨。多数发动机进气门头部直径比排气门大，如两气门大小相同时，排气门一般有记号。

1）功用

①起导向作用，保证气门作直线往复运动。

②起导热作用，将气门头部传给杆身的热量，通过汽缸盖传出去。气门杆与导管之间一般留有0.05～0.12mm的间隙。

2）气门头部的结构形式

气门头部有平顶式、球面顶式和凹顶（喇叭）式三种结构形式，如图2.45所示。

图2.45　气门头部

各种结构形式的优缺点如表2.8所示。

表2.8

3）气门锥面的结构形式

气门锥面与气门顶面之间的夹角称为气门锥角，如图2.46所示。

图2.46　气门锥面

气门锥角一般为45°，少数进气门为30°。较小气门锥角使得气门通过断面较大，进气阻力较小，可以增加进气量，但气门头部边缘较薄，刚度较差，致使密封性变差。较大气门锥角可提高气门头部边缘的刚度，气门落座时有较好的自动对中作用及较大的接触压力，有利于密封与传热及挤掉密封锥面上的积炭。

（2）气门座与气门座圈

1）气门座的功用

气门座与气门配合可对汽缸起密封作用，接受气门传来的热量并进行散热。

2）气门座的工作条件及材料

①工作条件：工作温度很高，冲击载荷频率极高，容易磨损气门。

②座圈材料（铝汽缸盖和多数铸铁缸盖）：合金铸铁、粉末冶金、奥氏体钢。部分铸铁缸盖不镶气门座圈。

（3）气门弹簧

1）气门弹簧的功用

气门弹簧的作用是用来支撑和关闭气门并使气门关闭严密，防止气门跳动而使汽缸漏气。气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧，它的一端支承在汽缸盖上，另一端压靠在气门杆尾端的弹簧座上，弹簧座用锁片固定在气门杆的尾端。其结构形式如图2.47所示。

图2.47　气门弹簧

2）气门弹簧的工作条件及材料

①工作条件：承受交变载荷；为保证其可靠的工作，应具有合适的刚度和足够的抗疲劳强度；避免弹簧锈蚀；两端面必须磨光并与轴线垂直；

②材料：优质冷拔弹簧钢丝，如高碳锰钢、铬钒钢等并经热处理；钢丝表面抛光处理；表面镀锌、磷化；

3）气门弹簧结构

①等螺距圆柱形螺旋弹簧：会发生共振。

②变螺距气门弹簧：螺距小端向缸盖顶面。③锥形气门弹簧：弹簧大端向缸盖顶面。

④双气门弹簧：弹簧旋向相反。

3.配气机构的分类

（1）按气门的布置形式分类

1）顶置气门式

顶置气门式配气机构进、排气门均布置在汽缸盖上，如图2.48所示。它一般由气门、气门座圈、气门弹簧、弹簧座、锁片或锁销、气门导管、摇臂、摇臂轴、推杆、挺杆、凸轮轴、正时齿轮组成。

图2.48　顶置气门式

2）侧置气门式

侧置气门式配气机构的进、排气门都布置在汽缸的一侧，如图2.49所示。这种配气机构的特点是：结构简单、零件数目少，但由于燃烧室结构不太紧凑，热量损失较大，气道比较曲折，气门升程受到一定的限制，影响充气和排气，从而影响发动机的动力性和经济性。目前，这种形式的配气机构已经淘汰。

图2.49　侧置气门式

（2）按凸轮轴的布置形式分类

1）上置凸轮轴式

上置凸轮轴式配气机构的凸轮轴安装在汽缸盖上，它一般有两种形式：一种是单凸轮轴式，如图2.50所示；另一种是双凸轮轴式，如图2.51所示。

图2.50　单凸轮轴式

图2.51　双凸轮轴式

2）中置凸轮轴式（如图2.52所示）

图2.52　中置凸轮轴式

当发动机转速较高时，为了减小气门传动机构的往复运动质量，可将凸轮轴位置移到汽缸体的上部，由凸轮轴经过挺杆直接驱动摇臂而省去推杆，这种结构被称为中置凸轮轴式。由于这种结构会造成凸轮轴的中心线距曲轴中心线较远，若仍用一对齿轮来传替动力，齿轮的直径就必然要做大，这样不但会影响发动机的外形尺寸，并且会使齿轮的圆周速度过大。在这种情况下，一般要在两正时齿轮之间加入一个中间齿轮，通常也称之为惰轮。

3）下置凸轮轴式（如图2.53所示）

图2.53　下置凸轮轴式

下置凸轮轴式结构特点是将凸轮轴布置在曲轴箱内。由于气门与凸轮轴相距较远，因此气门是通过挺杆、推杆、摇臂传递动力，故传动环节多、路线较长，在高速运动时，整个系统会产生弹性变形，影响气门运动规律和气门开闭的准确性，所以它不适应高速车用发动机。

下置凸轮轴由曲轴定时齿轮驱动。发动机工作时，曲轴通过定时齿轮驱动凸轮轴旋转。当凸轮的上升段顶起挺柱时，经推杆和气门间隙调整螺钉推动摇臂绕摇臂轴摆动，压缩气门弹簧使气门开启。当凸轮的下降段与挺柱接触时，气门在气门弹簧力的作用下逐渐关闭。

四冲程发动机每完成一个工作循环，每个汽缸进、排气一次。这时曲轴转两周，而凸轮轴只旋转一周，所以曲轴与凸轮轴的转速比或传动比为2∶1。

（3）按曲轴和凸轮轴的传动方式分类

曲轴和凸轮轴之间的动力传递方式有三种，分别为齿轮式、链条式和正时皮带式。

1）齿轮传动（如图2.54所示）

图2.54　齿轮传动

为了使齿轮啮合平顺，减小噪声和磨损，配对正时齿轮多用斜齿并用不同材料制成。为了保证配气正时，齿轮上都有正时记号，装配时必须使记号对齐。

2）链条传动（如图2.55所示）

图2.55　链条传动

正时齿轮通过链条驱动凸轮轴，在链条侧面有张紧机构和链条导板，利用张紧机构可以调整链条的张力。

3）正时皮带传动（如图2.56所示）

图2.56　正时皮带传动

这是用氯丁橡胶齿形皮带代替链条传动，它的优点是噪声更小、质量更轻、包角更大、啮合量更大、工作更可靠，且不需要润滑，松紧度更便于调整。

（4）按每缸气门数分类

一般发动机采用较多的是每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门。这种结构在可能的条件下应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径，以改善汽缸的换气性能。但是，由于受到燃烧室尺寸的限制，从理论上讲，最大气门直径一般不超过汽缸直径的一半。

当汽缸直径较大、活塞平均速度较高时，每缸一进一排的气门结构就不能满足发动机对换气的要求。这就要采用每缸三气门、四气门甚至五气门的结构。

①每缸三气门：即两个进气门，一个排气门；

②每缸四气门：如图2.57所示，即两个进气门和两个排气门。

图2.57　四气门

③每缸五气门：如图2.58所示，即三个进气门和两个排气门。

图2.58　五气门

4.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，如图2.59所示。

图2.59　气门间隙

发动机工作时，气门及其传动件，如挺柱、推杆等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，则在热态下将由于气门及其传动件膨胀伸长而顶开气门，破坏气门与气门座之间的密封，造成汽缸漏气，从而使发动机功率下降，启动困难，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，在气门与气门座以及各传动件之间将产生撞击和响声。最适当的气门间隙应由发动机制造厂根据试验确定。一般在冷态下，进气门的间隙为0.25～0.3mm，排气门的间隙为0.3～0.35mm。

5.配气相位

配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间，通常用环形图表示，即配气相位图，如图2.60所示。

图2.60　配气相位图

为了使进气充足，排气干净，除了从结构上进行改进外（如增大进、排气管道），还可以从配气相位上采取措施，如气门能否早开晚闭，延长进、排气时间。

（1）气门早开晚闭

活塞到达进气下止点时，由于进气吸力的存在，汽缸内气体压力仍然低于大气压，在大气压的作用下仍能进气；另外，此时进气流还有较大的惯性。由此可见，进气门晚关可以增加进气量。进气门早开，可使进气一开始就有一个较大的通道面积，可增加进气量。

在做功行程快要结束时，排气门打开，可以利用做功的余压使废气高速冲出汽缸，排气量约占50％。排气门早开，势必造成功率损失，但因气压低，损失并不大，而早开可以减少排气所消耗的功，又有利于废气的排出，所以总功率仍是提高的。

由此可见，气门具有早开晚闭的可能，它对发动机实际工作的好处如下：

①进气门早开：增大了进气行程开始时气门的开启高度，可减小进气阻力，增加进气量。

②进气门晚关：延长了进气时间，在大气压和气体惯性力的作用下增加进气量。

③排气门早开：借助汽缸内的高压自行排气，大大减小了排气阻力，使排气干净。

④排气门晚关：延长了排气时间，在废气压力和废气惯性力的作用下使排气干净。

（2）气门重叠

由于进气门早开，排气门晚关，势必造成在同一时间内两个气门同时开启。两个气门同时开启时间相当的曲轴转角，叫做气门重叠角。在这段时间内，可燃混合气和废气不会乱串。这是因为：进、排气流各自有自己的流动方向和流动惯性，而重叠时间又很短，不至于混乱，即吸入的可燃混合气不会随同废气排出，废气也不会经进气门倒流入进气管，而只能从排气门排出；进气门附近有降压作用，有利于进气。

（3）进、排气门的实际开闭时刻和延续时间

实际进气时刻和延续时间：在排气行程接近终了时，活塞到达上止点前，即曲轴转到离上止点还差一个角度（进气提前角）α，进气门便开始开启，进气行程直到活塞越过下止点β（进气延尺角）时，进气门才关闭。整个进气过程延续时间相当于曲轴转角180°+α+β。

一般情况下，α＝10°～30°，β＝40°～80°，故进气过程曲轴转角为230°～290°。

实际排气时刻和延续时间：做功行程接近终了时，活塞在下止点前排气门便开始开启，提前开启的角度γ一般为40°～80°，活塞越过下止点后δ角排气门关闭，δ一般为10°～30°，整个排气过程相当曲轴转角180°+γ+δ，为230°～290°；气门重叠角α+δ＝20°～60°。

从上面的分析可以看出，实际配气相位和理论上的配气相位相差很大，气门要早开晚关，主要是为了满足进气充足、排气干净的要求。但实际中，要根据各种车型，经过实验的方法确定气门开关的最适宜时机，由凸轮轴的形状、位置及配气机构来保证。