汽車發動機的配氣機構

摘 要：汽車發動機是汽車的心臟，而發動機的配氣機構是保證理想混合氣形成的必要機構，是汽車發動機高效工作的保障。合理的配氣機構可以使燃油達到最佳利用率，可以讓汽車的動力性能大大提高。文章主要通過介紹汽車發動機配氣機構的基本結構，闡述汽車發動機配氣機構的工作原理。

關鍵詞：氣門組；氣門傳動組；氣門間隙

1 配氣機構的主要功用

配氣機構作為發動機的兩大機構之一，可以按照發動機氣缸內所進行的工作循環和發火次序，定時開啟和關閉各氣缸的進排氣門，使新鮮充足的空氣及時進入氣缸，廢氣可以及時地排出氣缸，同時在壓縮與做功行程中，保證燃燒室的密封[1]。配氣機構是發動機各缸燃料燃燒做功的保證。

2 配氣機構的分類

配氣機構按照凸輪軸位置的不同可以分為下置式、中置式和上置式。凸輪軸下置式配氣機構的凸輪軸與曲軸距離近，可以只用一對齒輪傳動。但是由于傳動距離長、傳動零件多，導致配氣機構的剛度差、噪音大。凸輪軸中置式配氣機構沒有推桿，使機構的剛度增大，所以經常在轉速較高的發動機上使用。凸輪軸上置式配氣機構由于其傳動鏈短，整個機構的剛度大，所以最適合在高速發動機上使用。配氣機構按照氣門的驅動形式還可以分為搖臂式、擺臂式和直接式。

3 氣門組和氣門傳動組的基本組成和功用

氣門組主要由氣門、氣門彈簧座、氣門彈簧、氣門導管、氣門油封和氣門鎖夾等組成。

氣門的工作環境極其惡劣，排氣門的溫度可達850℃，進氣門由于新進入的空氣散熱作用，溫度也可以達到450℃。進排氣門由于周期性的開閉，在慣性力的作用下，使其受到周期性的沖擊。并且進排氣門長期與腐蝕性氣體接觸，潤滑條件不佳。這些因素使得對進排氣門的材料選擇變得極為嚴苛。通常我們要選擇耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊且導熱性能優越的材料，如鉻剛、硅鉻鋼、21-4N奧氏體剛等[2]。氣門頂面有平頂、凸頂和凹頂等形狀。平頂制造容易，凹頂用作進氣門可以起到減少空氣阻力的作用，而凸頂由于其頭部剛度大，排氣阻力小，所以可用于排氣門。凸頂式和凹頂式氣門的制造都較為困難，且受熱面積大，材料要求更高，成本較大。氣門與氣門座圈之間通常有一錐面，起到密封的作用，而氣門錐面與氣門頂面的夾角就是氣門錐角，氣門錐角45°有和30°可供選擇。氣門錐角較小時，氣門的進氣阻力小，可以增大進氣效率，但是由于其邊緣部分較薄，剛度差，所以容易變形漏氣。通常選擇的氣門錐角為45°。氣門頭部的熱量一部分通過氣門座圈傳遞給汽缸蓋，而另一部分通過氣門桿和氣門導管傳給汽缸蓋。為了增強散熱、防止漏氣，氣門和氣門座圈要經研磨后緊密貼合，氣門頭部和氣門桿過渡部分不能有突兀。有些發動機的氣門桿是中空的，中間填入鈉等金屬物質，利用鈉的融化和凝固作用增強氣門的傳熱能力。這種充鈉的氣門成本較高，但是傳熱效果好，常在風冷發動機等散熱條件不好的情況下使用。

發動機每個汽缸一般有一個進氣門和一個排氣門，由于進氣阻力對發動機性能的影響比排氣阻力大，所以通常使進氣門頭部的直徑比排氣門大?，F代高性能汽車普遍采用多氣門發動機，每個汽缸的氣門數可達到五個。減少了進排氣阻力，但是結構復雜，成本高。

氣門彈簧保證了氣門關閉時氣門座圈和氣門能緊密貼合、氣門開啟時傳動件一直受到凸輪的控制。氣門彈簧應該有合適的剛度和足夠的抗疲勞強度。氣門彈簧的材料通常選用用優質冷拔彈簧鋼絲，彈簧表面需要經過熱處理[2]。由于氣門彈簧經常做周期運動，當其工作頻率與其固有頻率相等時，氣門彈簧會發生共振。所以在選用彈簧時應該有所側重，比如選用雙氣門彈簧，兩個彈簧可以起到相互減震的作用且當一個彈簧不能工作時，另一個彈簧仍能使氣門正常工作。注意兩彈簧的旋向應該相反，防止一個彈簧折斷后卡入另一個彈簧內，使整個機構不能運作。除了采用雙氣門彈簧防止共振外，還可以采用錐形氣門彈簧、變螺距氣門彈簧等方法預防共振的發生。

氣門傳動組一般由凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂或擺臂等組成。

凸輪軸承受周期性的載荷作用。其表明磨損也較為嚴重，所以在設計和制造時應該保證其表面粗糙度較小、剛度較大、潤滑良好、耐磨性能優越。通常選用合金鋼或者優質碳鋼制造凸輪軸。曲軸驅動凸輪軸運動，由于要求有固定的傳動比，所以其傳動機構通常為齒輪式、鏈條式或者齒形帶式。齒輪式傳動機構用于凸輪軸下置式的傳動，即傳動距離較短時使用。鏈條式和齒形帶式傳動機構在傳動距離較長時使用，其中齒形帶式傳動機構的工作噪聲小、質量輕、不要潤滑、成本較低，所以在越來越多的汽車上使用。挺柱是用來傳遞運動的中間部件。其底部與凸輪接觸，工作應力較大，所以挺柱的工作表明需要耐磨耐壓。挺柱可以分為機械挺柱和液力挺柱。其中液力挺柱使氣門間隙為零，減少了因為氣門間隙所產生的沖擊和噪聲，提高了配氣機構的使用壽命。但是其結構復雜、成本很高，磨損之后只能更換。

4 配氣定時

以曲軸的轉角為刻度，描述進排氣門開閉時刻及其持續時間就是配氣定時。

從進氣門打開到上止點過程中曲軸轉過的角度叫做進氣提前角。記作？琢；從進氣下止點到進氣門關閉曲軸轉過的角度叫做進氣遲后角，記作？茁。一般??？琢小于60°，？茁在35°和80°之間。提早進氣是未了減少進氣阻力，使得后續進氣容易，進氣門遲閉是為了增大進氣量。從排氣門開啟到活塞運動到下止點曲軸轉過的角度叫做排氣提起角，用？酌表示，從活塞運動到上指點到排氣門關閉曲軸轉過的角度叫做排氣遲后角，用？啄表示。排氣門早開可以使得大量廢氣快速排出。排氣門晚關可以使排氣更加徹底。整個過程如上圖所示[2]。在發動機的設計中，可以通過調節配氣定時改善其性能，所以現在某些汽車的發動機已經使用可變的配氣定時機構。

5 氣門間隙

在冷態下，進氣門間隙一般為0.25～0.30mm，排氣門間隙一般為0.30～0.35mm，不同發動機的氣門間隙一般不同。氣門間隙過小，在發動機工作時傳動件受熱膨脹導致漏氣，使發動機的有效功率降低；氣門間隙過大，導致傳動零件之間以及氣門和氣門座圈之間相互撞擊，使配氣機構的平穩性下降，噪音增加，配氣機構的壽命降低[3]。所以氣門間隙應該維持在一個適當的水平，一般在發動機出廠前發動機制造公司會根據實驗來確定合適的氣門間隙。

6 結束語

發動機配氣機構結構復雜、零件工作情況惡劣、熱處理要求高。實現發動機配氣機構精確控制的難度大且對零件制造水平的要求高，凸輪的設計和使用對配氣機構的控制有著重要影響。發動機的配氣機構是實現發動機高效工作的必要保證。同時，現在為保護環境，對發動機的排放要求越來越嚴格，配氣機構設計不好，容易引起燃料的不完全燃燒，導致汽車尾氣排放不達標。理解發動機配氣機構的工作原理，對發動機配氣機構的優化設計有著重要作用。

參考文獻

[1]楊連生.內燃機設計[M].北京：中國農業機械出版社，1986.

[2]姚為民.汽車構造[M].北京：人民交通出版社，2013.

[3]郭彥豆，楊勇.氣門間隙的大小對發動機性能的影響[J].裝備制造技術，2010（9）.

作者簡介：張德明（1993-），男，漢族，南京農業大學工學院，主修車輛工程專業。