乘用车主流气门驱动方式结构特点及其影响分析

孙云龙 胡志刚 施玉春 闫立凯 张世伟

哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150060

1 引言

当今顶置凸轮轴配气机构已然是乘用车所选用的的主流趋势，相比于单顶置凸轮轴，双顶置凸轮轴的进排气相位可以独立控制，配气相位的控制可以更精准，这就使得进气更充足、燃烧更充分，往往发动机发挥出来的性能也就更出色。

在双顶置凸轮轴中，又有两种配气机构被普遍采用，分别是液压挺柱滚子摇臂式配气机构和杯状挺柱气门直驱式配气机构。这两种配气机构在我司分别可对应两种批产机型4G15M和4G15M2发动机。下面主要结合我司的这两款批产发动机，对这两种配气机构的结构特点和优劣进行分析。

2 结构特点

首先结合二者完整的三维剖视图，对其结构形式、组成、功能、执行方式等进行简单介绍，请见下图：

如图1所示，4G15M型发动机这种滚子摇臂液压挺柱式配气机构，主要由凸轮轴、滚子摇臂、液压挺柱和气门弹簧等零件构成。

其工作原理为：凸轮轴旋转，在凸轮桃尖向下的压力与液压挺柱向上的支撑力共同作用下，滚子摇臂压迫气门做直线运动，使得气门开启；当凸轮运动到基圆位置时，依靠气门弹簧的回弹力，保证气门落座。

图1 4G15M发动机配气机构

整个气门工作的特点在于：凸轮轴凸轮部分与滚子摇臂的轴承部分始终接触，滚子摇臂的两端分别与液压挺柱和气门接触，在这三者的力的共同作用下，既保证了滚子摇臂可以“悬浮”在气缸盖内，又保证了气门可以随着凸轮旋转而做直线运动；另一个重点在于液压挺柱，液压挺柱内有油腔与缸盖油路连通，依靠液压油维持挺柱伸出量，支撑着滚子摇臂的不规则运动。

如图2所示，4G15M2型发动机这种杯状挺柱气门直驱式配气机构，主要由凸轮轴、杯状挺柱和气门弹簧等零件构成。

其工作原理为：凸轮轴旋转，在凸轮桃尖向下的压力的作用下，杯状挺柱压迫气门做直线运动，使得气门开启；当凸轮运动到基圆位置时，依靠气门弹簧的回弹力，保证气门落座。

整个气门工作的特点在于：杯状挺柱与气门始终接触，在凸轮桃尖的作用下，杯状挺柱压迫气门做直线运动。

4G15M2发动机与4G15M发动机配气机构最大的不同就是，滚子摇臂+液压挺柱式的驱动方式被杯状挺柱直接取代了，由此，结合配气结构的设计要素，在凸轮型线、气门夹角、弹簧力等参数上也做了适应性的优化设计。

图2 4G15M2发动机配气机构

图3 两款发动机弹簧力

3 影响分析

单从结构来讲，4G15M发动机配气机构与4G15M2发动机配气机构最大的区别在于滚子摇臂+液压挺柱式的驱动方式被杯状挺柱直接取代了；前者的压力作用靠凸轮桃尖与滚子摇臂轴承处的滚动摩擦实现，后者靠凸轮桃尖与杯状挺柱表面的滑动摩擦实现。

若从机械原理的角度分析，相同压力下，滑动摩擦阻力会大于滚动摩擦阻力，也就是会加大机械损失。但是随着减磨设计理念的逐渐深入，直驱式配气机构已通过多种手段，将摩擦减至合理范围，其中包括提高杯状挺柱表面光洁度，减小弹簧力，建立油膜等，简要影响分析如下:

（1）提高杯状挺柱表面光洁度，减小摩擦表面动摩擦因素；

杯状挺柱上表面的光洁度可达RZ1，约相当于表面粗糙度可达Ra0.125，极大程度上减小了杯状挺柱的表面动摩擦因素，从而减小了滑动摩擦力。

（2）减小弹簧力，减小摩擦压力；

相比于4G15M压缩后416.2N的弹簧力，4G15M2发动机仅有308.9N；减小后的弹簧力，既能保证气门及时回位，又能从一方面减小凸轮压迫杯状挺柱时所受到的压力，从而减小了滑动摩擦力。

图4 机械损失对比

（3）4G15M2发动机凸轮轴为中空凸轮轴，内设油道，在润滑凸轮轴颈的同时，在杯状挺柱表面建立油膜，起到润滑减小摩擦的作用。

通过以上措施后，4G15M2发动机与4G15M发动机机械损失对比如图4：

由图4可知，4G15M2发动机与4G15M发动机的机械损失曲线基本重合，在较高发动机转速下，4G15M2发动机机械损失略微高出1kW左右，二者配气机构的摩擦损失已基本相当。

4 结语

综上所述，结合我司两种批产发动机的对比，可以看出，对于中小排量发动机，杯状挺柱气门直驱式配气机构的结构更加简单，工作更加稳定可靠，虽机械损失略高出液压挺柱滚子摇臂式配气机构，但通过各种减小摩擦的设计手段，已使得高出部分可以忽略不计；最后由于其简单可靠的结构原理，可以适应更恶劣的工作环境，对于升级开发、匹配设计更占优势，市场应用前景更加广阔。