內燃機配氣機構
正文
控制內燃機進氣和排氣的機構。內燃機在完成一個工作循環以後，為了持續地工作必須將膨脹作功後的廢氣排出氣缸，並及時地吸入新鮮充量（空氣或可燃混合氣）。配氣機構按內燃機各缸工作順序，適時地開啟和關閉進、排氣門或進、排氣口（見二衝程內燃機），以保證充分換氣。布置形式 配氣機構按氣門在內燃機上布置的方式可分為側置氣門式和頂置氣門式兩類（圖1）。
配氣機構布置型式
① 側置氣門式：結構簡單,但進、排氣阻力大，燃燒室難以設計得緊湊，抗爆震性和高速性都差，燃料消耗率又高，故現代內燃機很少採用，只在強化程度低的汽油機上還有採用的。
② 頂置氣門式:由於燃燒室緊湊，進、排氣阻力小，可以增多內燃機的新鮮充量和提高汽油機的壓縮比，內燃機的動力性能和經濟性能都優於側置氣門式，在柴油機和汽油機中得到廣泛套用。頂置氣門式配氣機構又可分為下置凸輪軸和頂置凸輪軸兩種。後者的凸輪軸置於氣缸蓋上，凸輪直接或通過搖臂開啟氣門，由於沒有挺柱和推桿，慣性力、振動和變形都較小，改善了內燃機的高速性能，在高轉速、高性能的內燃機上獲得更多的套用。
內燃機配氣機構主要構件及其作用 配氣機構通常由氣門組、搖臂、挺柱、推桿、凸輪軸及其傳動機構組成。圖2為下置凸輪軸的頂置氣門式配氣機構，這種型式套用最廣。它由氣門組、搖臂、推桿、挺柱和凸輪軸組成。
① 氣門組:由氣門、氣門座、氣門彈簧、氣門彈簧座、鎖片和氣門導管組成。氣門頭部的錐面與氣門座的內錐面緊密貼合，以保證密封。氣門頭部與氣缸內的燃氣直接接觸。高溫的燃氣排出時流經排氣門，可使排氣門溫度高達600～900℃。進氣門溫度約為300～400℃。因此要求氣門材料耐熱、耐磨和耐腐蝕。通常排氣門採用耐熱合金鋼，進氣門採用普通合金鋼。氣門座可以在氣缸蓋上或機體上直接鏜出，但考慮到它在高溫下工作，磨損嚴重，所以通常用耐熱合金鋼或合金鑄鐵製成單獨的環形氣門座圈，壓入氣缸蓋或機體，以便於磨損後更換氣門座。氣門導管的作用是引導氣門上下移動，並使氣門頭部錐面與氣門座緊密貼合。氣門導管通常用鑄鐵或粉末冶金製成，壓入氣缸蓋或機體。氣門彈簧用來保證氣門關閉時能使氣門頭部錐面與氣門座貼緊。
② 搖臂：它的作用是改變由推桿所傳推力的方向，以開啟氣門。搖臂常用鋼材模鍛或球墨鑄鐵製成。
③ 推桿：一般用空心鋼管制成,兩端焊有球狀或凹坑狀的端頭。
④ 挺柱:挺柱的作用是將凸輪的推力傳給推桿或氣門。
⑤ 凸輪軸:通過其上的各進、排氣凸輪，分別控制相應氣缸的進、排氣門，使之按配氣相位適時開啟。凸輪軸材料一般採用碳鋼，也有採用合金鑄鐵或球墨鑄鐵的。
配氣機構的傳動 凸輪軸是由內燃機的曲軸驅動的，兩者間的傳動機構根據凸輪軸在內燃機上的布置來決定。下置凸輪軸通過齒輪由曲軸驅動，頂置凸輪軸則用鏈條或軸由曲軸驅動。採用無聲鏈或齒形帶傳動可使傳動基本無聲。
凸輪軸由曲軸驅動鏇轉時，凸輪軸上的凸輪推動挺柱、推桿作往復運動。推桿的上頂端頂推搖臂的一端，使搖臂繞搖臂軸搖擺，則搖臂另端即下推氣門，使氣門開啟，同時也壓縮氣門彈簧。當氣門需要關閉時，受凸輪驅動的搖臂不再壓住氣門桿端，氣門彈簧伸張而關閉氣門。
為了使氣門在工作中能夠緊密關閉，當氣門桿端與搖臂端或凸輪之間留有間隙，在氣門及其傳動機構等受熱伸長時不致使氣門與氣門座關閉不嚴。
發動機在冷態下，當氣門處於關閉狀態時，氣門與傳動件之間的間隙稱為氣門間隙。氣門間隙過大 會使汽車動力下降 耗油量增加 。氣門間隙過小 會使汽車氣門座出現局部淬火 甚至損壞 。氣門間隙在使用中常需要檢查調整
組成
各式配氣機構都可分為氣門組和氣門傳動組兩大部分。氣門組包括氣門及與之相關聯的零件，其組成與配氣機構的形式基本無關。氣門傳動組是從正時齒輪開始至推動氣門動作的所有零件，其組成視配氣機構的形式而有所不同，它的功用是定時驅動氣門使其開閉。[3]
氣門組
氣門組包括氣門、氣門導管、氣門座及氣門彈簧等零件。有的進氣門還設有氣門鏇轉機構，氣門組應保證氣門對汽缸的密封性，氣門組有以下要求：
氣門頭部與氣門座貼合嚴緊；
氣門在氣門導管中上下運動良好。
氣門彈簧的兩端面與氣門桿中心線垂直，保證氣門頭部在氣門座上不偏斜。
氣門彈簧力足以克服氣門運動慣性力，使氣門能順速開閉。
1）氣門
氣門是由氣門頭部和桿部組成。氣門頭部溫度很高（進氣門570~670，排氣門1050~1200），而且還承受氣體的壓力、氣門彈簧的作用力和傳動組件慣性力，其潤滑、冷卻條件差，要求氣門必須有一定強度、剛度、耐熱和耐磨性能。進氣門一般採用合金鋼（鉻鋼、鎳鉻鋼），排氣門採用耐熱合金（矽鉻鋼）。有時為了省耐熱合金，排氣門頭部用耐熱合金，而桿部用鉻鋼，然後將兩者焊接起來。
氣門頭部的形狀有平頂、球面頂和喇叭頂等。一般是使用平頂的。平頂氣門頭部結構簡單、製造方便、吸熱面積小、質量較小、進排氣門都可以使用。球面頂氣門適用於排氣門，其強度高、排氣阻力小、廢氣消除效果好，但其受熱面積大，質量和慣性大、加工複雜。喇叭型有一定的流線型，可減少進氣阻力，但其頭部受熱面積大，只適合進氣門。
氣門錐角是氣門密封面的角度一般是45°，有些是30°（CA1091性汽車6102型發動機）.30的氣門是考慮升程相同的情況下，氣門錐度小，氣門通過端面大，進氣阻力小，但由於錐度小的氣門頭部邊緣較薄，剛度小，密封性與導熱性差，一般用於進氣門。氣門邊緣的厚度一般為1~3mm，以防止工作中與氣門座衝擊而損壞或被高溫燒壞。為了減少進氣阻力，提高汽缸進氣效率，多數發動機進氣門比排氣門大。用過的進氣門與排氣門顏色也不同。
配氣機構氣門桿呈圓柱型，在氣門導管中不斷進行往復運動，其表面必經過熱處理和磨光。氣門桿端部的形狀取決於氣門彈簧的固定形式，常用的結構是兩半鎖片來固定彈簧座，氣門桿的端部有環槽來安裝鎖片，有的是用鎖銷來固定，其端部有一安裝鎖銷用的孔。
2）氣門導管
氣門導管的作用是起導向作用，保證氣門做直線運動。使氣門與氣門座能正確貼合。此外，氣門導管還在氣門桿與汽缸體之間起導熱作用。
氣門導管的工作溫度較高，約500K，氣門桿在其中運動，僅靠配氣機構飛濺出來的機油進行潤滑，易磨損，所以氣門導管大多數適用灰鑄鐵、球墨鑄鐵等製造的。
氣門導管外圓柱面經過機加工後壓入汽缸蓋，為了防止氣門導管在使用中鬆脫，有的發動機用卡環定位。氣門桿與氣門導管之間有0.05~0.12mm間隙，使氣門桿能在導管中自由運動。
3）氣門座
氣門座可以在汽缸蓋（氣門頂置）或汽缸體（氣門側置）上直接搪出和氣門座用交好的材料單獨製作，然後鑲嵌到汽缸蓋或汽缸體上。他們與氣門的頭部共同對汽缸起密封作用，並接受氣門出來的熱量。
進氣門的溫度較低，可以直接鏜出但排氣門的溫度較高，潤滑條件較差，及易磨損，多用鑲嵌式。鑲嵌式的缺點是導熱性差、加工精度高、容易脫落，一般直接鏜出來好。用鋁合金的汽缸蓋，由於鋁合金材質軟，進排氣門均鑲嵌。
4）氣門彈簧
氣門彈簧的功用是克服在氣門關閉過程中氣門及傳動件的慣性力，防止各傳動件之間的慣性的作用產生間隙。保證氣門及時坐落並進密接出，防止氣門在發動機震動時發生跳動，破壞其密封性。
氣門彈簧多為圓柱型螺鏇彈簧，其材料為高碳錳鋼冷拔鋼絲，加工後熱處理，鋼絲表面要磨光、拋光或用噴丸處理。為了防止生鏽，表面鍍鋅。
氣門彈簧的一端支承在氣缸蓋或氣缸體上，而另一端則壓靠在氣門桿端的彈簧座上，彈簧座用鎖片固定在氣門桿的末端。為了防止彈簧發生共振，可採用變螺距的圓柱彈簧（如紅旗轎車的8V100發動機氣門彈簧）。高速發動機多數是一個氣門有同心安裝的內、外兩根氣門彈簧。這樣能提高氣門彈簧工作可靠性，即不但可以防止共振，而且當一根彈簧折斷時，另一根還可維持工作。此外還能使氣門彈簧的高度減小。當裝用兩根氣門彈簧時，彈簧圈的螺鏇方向應相反。這樣可以防止折斷的彈簧圈卡入另一個彈簧圈內。680Q型發動機，492Q型發動機和CA6102型發動機均採用雙氣門彈簧。
氣門傳動組
氣門傳動組主要包括凸輪軸、正時齒輪、挺柱及其導桿，推桿、搖臂臂和搖臂軸等，其作用是使進排氣門按配氣相位規定的時刻進行開閉，並保證有足夠的開度。
1）凸輪軸
凸輪軸是配氣機構的關建部件，由它控制氣門的配氣相位，有些發動機還用來驅動機油泵、汽油泵和分電器。
凸輪軸主要由進排氣凸輪、支撐軸、正時齒輪軸、汽油泵偏心凸輪、機油泵及分電器驅動齒輪等組成的。
在發動機工作時，為了減少凸輪軸的變形以避免導致配氣機構工作失常，凸輪軸的支承大多採用全支承方式，如上海桑塔納、一汽奧迪100和豐田ZY、3Y型發動機的凸輪軸都採用五個軸頸。有些發動機則為非全支承方式，如解放CA6102和E吸10（）型凸輪軸採用四道軸頸。
為了保證配氣機構正常工作，凸輪在凸輪軸上的相對角位置有嚴格的要求。同一缸的各排氣凸輪的相對角位置，保證一個工作循環中的配氣相位；各缸進氣（或排氣）凸輪的相對角位置、則應與發動機的點火次序相一致。因此，只要知道了凸輪軸的鏇轉方向，以及各進氣凸輪（或排氣凸輪）的工作次序，就不難判斷發動機的點火次序。對四缸四行程發動機的凸輪軸，其同名凸輪間的夾角為業四行程六缸發動機同名凸輪間的夾角為360W=60/6=60凸輪軸通常由曲軸通過一對正時齒輪驅動，在裝配曲軸和凸輪軸時，必須將正時記號對準，以保證正確的配氣相位和發火時刻。為了防止凸輪軸的軸向移動，凸輪軸必須有軸向定位裝置。現代汽車發動機的凸輪多採用止推凸緣定位裝置在解放CA6102、東風EQ6llJ、豐田ZY、3Y型凸輪軸，均採用這種定位方式，即將止推凸緣裝在凸輪軸第一道軸頸前的凸台上，凸台比止推凸緣厚，以保證止推凸緣與正時齒輪之間的軸向間隙符合規定（轎車0.05~0.10S）。
凸輪軸的材料一般用優質鋼模鍛而成，也可以採用合金鑄鐵或球墨鑄鐵鑄造，凸輪和軸徑的工作表面一般經過熱處理後精磨，以改善耐磨性。
配氣機構2）氣門挺柱
挺住的功用是將凸輪的推力傳給推桿（或氣門桿），並承受凸輪軸鏇轉時所施加的側向力。對於氣門側置式配氣機構，其挺柱一般做成菌式，在挺柱的頂部裝有調節螺釘，用來調節氣門間隙。氣門頂置式配氣機構的挺柱一般製成筒式，以減輕重量。所示為滾輪式挺住，其優點是可以減小摩擦所造成的對挺柱的側向力。這種挺柱結構複雜，重量較大。一般多用於大缸徑柴油機上。挺柱常用鎳鉻合金鑄鐵或冷激合金鑄鐵製造。其摩擦表面應經熱處理後精磨。
有的發動機的挺柱直接裝在氣缸體上相應處鑽出的導向孔中，也有的發動機的挺柱裝在可拆式的挺柱導向體中。
液壓挺柱
在挺柱體1中裝有柱塞3，在柱塞上端壓入支承座5。柱塞經常被彈簧8壓向上方，其最上位置由卡環4來限制。柱塞下端的閥架2內裝有碟形彈簧6和單向閥7。發動機潤滑系中的機油從主油道經挺柱體側面的油孔流入，並經常充滿柱塞內腔及其下面的空腔，當氣門關閉時，彈簧8是柱塞3連同壓合在注塞上的支撐座緊靠推桿，整個排氣機構中不存在間隙。
當挺柱被凸輪推舉向上時，推桿作用於支承座5和柱塞3上的反力力圖使柱塞克服彈簧8的力而相對於挺柱體1向下移動，於是柱塞下部空腔內油壓迅速增高，使單向閥7關閥。由於液體的不可壓縮性，整個挺柱如同一個剛體一樣上升，這樣便保證了必要的氣門升程。當油壓很高時，會有少許油液經柱塞與挺柱體之間的配合間隙漏出去，但這不致影響正常的工作。同樣，在氣門受熱膨脹時，柱塞也因受壓而與挺柱體作軸向相對運動，並將油液自下腔經上述間隙擠出。故使用液力挺柱時，可以不留氣門間隙，而保證氣門受熱膨脹時仍能與氣門座密合。
當氣門開始關閉或冷卻收縮時，柱塞所受壓力減小，由於彈簧8的作用，柱塞向上運動，始終與推桿保持接觸。同時柱塞下部的空腔中產生真空度，單向閥7被吸開，油液便流入而再度充滿整個挺柱內腔。
3）推桿
推桿的作用是將從凸輪輪經過挺柱傳來的推力傳給搖行、它是氣門機構中最易彎曲的零件。要求有很高的剛度，在動載荷大的發動機中，推桿應儘量地做得短些。對於缸體與缸蓋部是鋁合金製造的發動機，其推桿最好用硬鋁製造。推桿可以是實心，或空心的．鋼製實心推桿，一般是同球形支座鍛成一個整體，然後進行熱處理。
4）搖臂與搖臂軸
實際上是一個雙臂槓桿，用來將推桿傳來的力改變方向，作用到氣門桿端以推開氣門。搖臂7的兩邊臂長的比值（稱為搖臂比）約為1.2～1.8，其中長臂一端是推動氣門的。端頭的工作表面一般製成圓柱形，當搖臂擺動時可沿氣門桿端面滾滑。這樣可以使二者之間的力儘可能沿氣門軸線作用。搖臂內還鑽有潤滑油道和油孔。在搖臂的短臂端螺紋孔中鏇入用以調節氣門間隙的調節螺釘9，螺釘的球頭與推桿頂端的凹球座相接觸。
搖臂通過襯套6空套在搖臂軸2上，而後者又支承在支座5上，搖臂上還鑽有油孔。搖臂軸為空心管狀結構，機油從支座的油道經搖臂軸內腔和搖臂中的油道流向搖臂兩端進行潤滑。為了防止搖臂的竄動，在搖臂軸上每兩搖臂之間都裝有定位彈簧11。
搖臂是用45號鋼衝壓而成。
