汽车发动机的配气机构

摘 要：汽车发动机是汽车的心脏，而发动机的配气机构是保证理想混合气形成的必要机构，是汽车发动机高效工作的保障。合理的配气机构可以使燃油达到最佳利用率，可以让汽车的动力性能大大提高。文章主要通过介绍汽车发动机配气机构的基本结构，阐述汽车发动机配气机构的工作原理。

关键词：气门组；气门传动组；气门间隙

1 配气机构的主要功用

配气机构作为发动机的两大机构之一，可以按照发动机气缸内所进行的工作循环和发火次序，定时开启和关闭各气缸的进排气门，使新鲜充足的空气及时进入气缸，废气可以及时地排出气缸，同时在压缩与做功行程中，保证燃烧室的密封[1]。配气机构是发动机各缸燃料燃烧做功的保证。

2 配气机构的分类

配气机构按照凸轮轴位置的不同可以分为下置式、中置式和上置式。凸轮轴下置式配气机构的凸轮轴与曲轴距离近，可以只用一对齿轮传动。但是由于传动距离长、传动零件多，导致配气机构的刚度差、噪音大。凸轮轴中置式配气机构没有推杆，使机构的刚度增大，所以经常在转速较高的发动机上使用。凸轮轴上置式配气机构由于其传动链短，整个机构的刚度大，所以最适合在高速发动机上使用。配气机构按照气门的驱动形式还可以分为摇臂式、摆臂式和直接式。

3 气门组和气门传动组的基本组成和功用

气门组主要由气门、气门弹簧座、气门弹簧、气门导管、气门油封和气门锁夹等组成。

气门的工作环境极其恶劣，排气门的温度可达850℃，进气门由于新进入的空气散热作用，温度也可以达到450℃。进排气门由于周期性的开闭，在惯性力的作用下，使其受到周期性的冲击。并且进排气门长期与腐蚀性气体接触，润滑条件不佳。这些因素使得对进排气门的材料选择变得极为严苛。通常我们要选择耐高温、耐腐蚀、耐冲击且导热性能优越的材料，如铬刚、硅铬钢、21-4N奥氏体刚等[2]。气门顶面有平顶、凸顶和凹顶等形状。平顶制造容易，凹顶用作进气门可以起到减少空气阻力的作用，而凸顶由于其头部刚度大，排气阻力小，所以可用于排气门。凸顶式和凹顶式气门的制造都较为困难，且受热面积大，材料要求更高，成本较大。气门与气门座圈之间通常有一锥面，起到密封的作用，而气门锥面与气门顶面的夹角就是气门锥角，气门锥角45°有和30°可供选择。气门锥角较小时，气门的进气阻力小，可以增大进气效率，但是由于其边缘部分较薄，刚度差，所以容易变形漏气。通常选择的气门锥角为45°。气门头部的热量一部分通过气门座圈传递给汽缸盖，而另一部分通过气门杆和气门导管传给汽缸盖。为了增强散热、防止漏气，气门和气门座圈要经研磨后紧密贴合，气门头部和气门杆过渡部分不能有突兀。有些发动机的气门杆是中空的，中间填入钠等金属物质，利用钠的融化和凝固作用增强气门的传热能力。这种充钠的气门成本较高，但是传热效果好，常在风冷发动机等散热条件不好的情况下使用。

发动机每个汽缸一般有一个进气门和一个排气门，由于进气阻力对发动机性能的影响比排气阻力大，所以通常使进气门头部的直径比排气门大。现代高性能汽车普遍采用多气门发动机，每个汽缸的气门数可达到五个。减少了进排气阻力，但是结构复杂，成本高。

气门弹簧保证了气门关闭时气门座圈和气门能紧密贴合、气门开启时传动件一直受到凸轮的控制。气门弹簧应该有合适的刚度和足够的抗疲劳强度。气门弹簧的材料通常选用用优质冷拔弹簧钢丝，弹簧表面需要经过热处理[2]。由于气门弹簧经常做周期运动，当其工作频率与其固有频率相等时，气门弹簧会发生共振。所以在选用弹簧时应该有所侧重，比如选用双气门弹簧，两个弹簧可以起到相互减震的作用且当一个弹簧不能工作时，另一个弹簧仍能使气门正常工作。注意两弹簧的旋向应该相反，防止一个弹簧折断后卡入另一个弹簧内，使整个机构不能运作。除了采用双气门弹簧防止共振外，还可以采用锥形气门弹簧、变螺距气门弹簧等方法预防共振的发生。

气门传动组一般由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂或摆臂等组成。

凸轮轴承受周期性的载荷作用。其表明磨损也较为严重，所以在设计和制造时应该保证其表面粗糙度较小、刚度较大、润滑良好、耐磨性能优越。通常选用合金钢或者优质碳钢制造凸轮轴。曲轴驱动凸轮轴运动，由于要求有固定的传动比，所以其传动机构通常为齿轮式、链条式或者齿形带式。齿轮式传动机构用于凸轮轴下置式的传动，即传动距离较短时使用。链条式和齿形带式传动机构在传动距离较长时使用，其中齿形带式传动机构的工作噪声小、质量轻、不要润滑、成本较低，所以在越来越多的汽车上使用。挺柱是用来传递运动的中间部件。其底部与凸轮接触，工作应力较大，所以挺柱的工作表明需要耐磨耐压。挺柱可以分为机械挺柱和液力挺柱。其中液力挺柱使气门间隙为零，减少了因为气门间隙所产生的冲击和噪声，提高了配气机构的使用寿命。但是其结构复杂、成本很高，磨损之后只能更换。

4 配气定时

以曲轴的转角为刻度，描述进排气门开闭时刻及其持续时间就是配气定时。

从进气门打开到上止点过程中曲轴转过的角度叫做进气提前角。记作？琢；从进气下止点到进气门关闭曲轴转过的角度叫做进气迟后角，记作？茁。一般取？琢小于60°，？茁在35°和80°之间。提早进气是未了减少进气阻力，使得后续进气容易，进气门迟闭是为了增大进气量。从排气门开启到活塞运动到下止点曲轴转过的角度叫做排气提起角，用？酌表示，从活塞运动到上指点到排气门关闭曲轴转过的角度叫做排气迟后角，用？啄表示。排气门早开可以使得大量废气快速排出。排气门晚关可以使排气更加彻底。整个过程如上图所示[2]。在发动机的设计中，可以通过调节配气定时改善其性能，所以现在某些汽车的发动机已经使用可变的配气定时机构。

5 气门间隙

在冷态下，进气门间隙一般为0.25～0.30mm，排气门间隙一般为0.30～0.35mm，不同发动机的气门间隙一般不同。气门间隙过小，在发动机工作时传动件受热膨胀导致漏气，使发动机的有效功率降低；气门间隙过大，导致传动零件之间以及气门和气门座圈之间相互撞击，使配气机构的平稳性下降，噪音增加，配气机构的寿命降低[3]。所以气门间隙应该维持在一个适当的水平，一般在发动机出厂前发动机制造公司会根据实验来确定合适的气门间隙。

6 结束语

发动机配气机构结构复杂、零件工作情况恶劣、热处理要求高。实现发动机配气机构精确控制的难度大且对零件制造水平的要求高，凸轮的设计和使用对配气机构的控制有着重要影响。发动机的配气机构是实现发动机高效工作的必要保证。同时，现在为保护环境，对发动机的排放要求越来越严格，配气机构设计不好，容易引起燃料的不完全燃烧，导致汽车尾气排放不达标。理解发动机配气机构的工作原理，对发动机配气机构的优化设计有着重要作用。

参考文献

[1]杨连生.内燃机设计[M].北京：中国农业机械出版社，1986.

[2]姚为民.汽车构造[M].北京：人民交通出版社，2013.

[3]郭彦豆，杨勇.气门间隙的大小对发动机性能的影响[J].装备制造技术，2010（9）.

作者简介：张德明（1993-），男，汉族，南京农业大学工学院，主修车辆工程专业。