配气机构的作用
-
2023年3月5日发(作者：儿童故事365)课题（项目）授课教案
一、课题（项目）名称：
第三章配气机构
二、教学目标
1、知识目标：
了解配气机构的功用类型构造和工作原理。
顶、侧置式配气机构各组成零件的工作条件，构造材
料和要求。
配气定时的意义，气门间隙的意义及调整方法。
2、技能目标：
气门间隙的调整方法。
三、教学重点难点
1、重点
1.配气相位
2.配气机构的主要零部件
2、难点：
1.配气相位
四、教学方法：
采用多媒体播放PPT、动画和视频教学
五、学时分配：
六、课堂（课后）作业：
课后习题
1.凸轮轴的布置形式有哪几种？凸轮轴的传动方式又有哪
几种？
2.什么叫配气相位？画出配气相位图。
七、教学小结：
通过本章节的学习，要求学生了解配气机构的功用
类型构造和工作原理。知道顶、侧置式配气机构各组成
零件的工作条件，构造材料和要求。熟悉配气定时的意
义，气门间隙的意义及调整方法。
教学内容（或实训项目）设计
第三章配气机构
【内容设计】
一、概述
1.配气机构的功用
据发动机每一气缸内所进行的工作循环或发火次序的要求，定
时打开和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气(汽油
机)或空气(柴油机)得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸
排出,使换气过程最佳，以保证发动机在各种工况下工作时发出最
好的性能。
2.四冲程内燃机采用气门式配气机构是由气门组、传动组和驱
动组三部分组成，气门组包括：气门、气门座、气门导管、气门弹
簧、气门弹簧座及锁紧装置等零件；传动组包括：挺柱、推杆、摇
臂、摇臂轴等零件；
驱动组包括：凸轮轴，凸轮轴轴承和止推装置等。
二、配气机构的布置形式
（一）气门式配气机构布置形式
配气机构的分类可以从以下方面来进行：
1.按气门的布置型式，主要有气门顶置式和气门侧置式；
2.按凸轮轴的布置位置，可分为凸轮轴下置式、凸轮轴中置式
和凸轮轴上置式；
3.按曲轴和凸轮轴的传动方式，可分为齿轮传动式、链条传动
式和齿带传动式；
4.按每缸气门数目，有二气门式、三气门式、四气门式和五气
门式。
（二）配气机构的传动
1.齿轮驱动形式
就是采用齿轮副来驱动凸轮轴。曲轴与凸轮轴的传动比为2：
1。即曲轴旋转720o，完成一个工作循环，发动各缸工作一次，对
应的凸轮轴旋转360o给各缸近、排气一次。所以凸轮轴正时齿轮
的齿数为曲轴正时齿轮齿数的二倍。凸轮轴下置时，一般都采用齿
轮副驱动，正时齿轮多用斜齿。
2.链驱动形式
链式驱动，就是指曲轴通过链条来驱动凸轮轴。这种驱动形式
一般多用于凸轮轴上置的远距离传动。奔驰轿车发动机就采用这种
驱动方式。但链传动的可靠性和耐久性不如齿轮传动，且噪声较大、
造价高，其传动性能的好坏直接取决于链条的制造质量。为使在工
作时链条具有一定的张力而不致脱链，通常装有导链板14，张紧
轮装置2、11等。
3.齿形皮带驱动
这种驱动方式与链驱动的原理相同。只是链轮改为齿轮，链条
改成齿形皮带。这种齿形皮带用氯丁橡胶制成，中间夹有玻璃纤维
和尼龙织物，以增加强度。齿形皮带驱动弥补了链驱动的缺陷，并
降低了成本。
（三）每缸气门数及排列方式
1.每缸两个气门方式
一般发动机较多的采用每缸两个气门，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，以改善气缸的换气。但是，由于燃烧室尺寸的限制，
从理论上讲，最大气门直径一般不超过气缸直径的一半。当气缸直
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。
2.每缸四个气门方式
3.每缸五个气门方式
现代轿车发动机设计面临的主要任务是进一步降低燃油消耗
和排放污染；提高动力性和改善噪声
特性；另外还要降低成本。
当每缸采用五气门时，气门排列的方案通常是同名气门排成一
列，分别用进气凸轮轴和排气凸轮轴驱动。
三、配气相位
（一）定义
配气相位就是用曲轴转角表示的进、排气门的实际开闭时刻和
开启的持续时间。用曲轴转角的环形图来表示配气相位。
理论上四冲程发动机的进气门应当在活塞处在上止点时开启，
当活塞运动到下止点时关闭；排气门则应当在活塞处于下止点时开
启，在上止点时关闭。进气时间和排气时间各占1800曲轴转
角。但是实际发动机的曲轴转速都很高，活塞每一行程历时都很短。
例如上海桑塔纳轿车发动机，在最大功率时的转速为5600r／
rain，一个行程历时仅为0.0054s。
这样短时间的进气和排气过程，往往会使发动机充气不足或排
气不干净，从而使发动机功率下降。
因此，现代发动机都采取延长进、排气时间的方法，即：气门
的开启和关闭的时刻并不正好是活塞处于上止点和下止点的时刻，
而是分别提前或延迟一定曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提
高发动机的动力性。
（二）气门的叠开
同一气缸的工作行程顺序是排气行程后，接着便是进气行程。
因此，在实际发动机中，在进排气行程的上止点前后，由图3-10
可见，由于进气门在上止点前即开启，而排气门在上止点后才关闭，
这就出现了在一段时间内排气门与进气门同时开启的现象，这种现
象称为气门重叠，重叠的曲轴转角α+δ称为气门重叠角。由于新
鲜气流和废气流的流动惯性比较大，在短时间内是保持原来的流动
方向。
因此只要气门重叠角选择适当，就不会产生废气倒流人进气管
或新鲜气体随同废气排出的可能性，这将有利于换气。但应注意，
如气门重叠角过大，当汽油机小负荷运转，进气管内压力很低时，
就可能出现废气倒流，进气量减少。对于不同发动机，由于结构形
式，转速各不相同，因而配气相位也不相同。合理的配气相位应根
据发动机性能要求，通过反复试验确定。
（三）配气相位图
（四）气门间隙
所谓气门间隙就是指：发动机在冷状态时，在气门传动机
构中，留有一定的间隙。以补偿气门及传动机构受热后的膨胀
量。发动机工作时，气门将因温度升高而膨胀。如果气门及其
传动件之间，在冷态时无间隙或间隙过小，则在热态下，气门
及其传动件的受热膨胀势会将气门自动顶开引起气门关闭不
严，造成发动机在压缩和作功行程中的漏气，而使功率下降，
严重时使发动机甚至不易起动。为消除上述现象，通常在发动
机冷态装配时，在气门与其传动机构中，留有适当的间隙，以
补偿气门受热后的膨胀量。
气门间隙视配气机构的总体结构形式而定，同时这一间隙
也可进行调整。气门间隙的大小一般由发动机制造厂根据试验
确定。通常在冷态时，进气门的间隙为0.25—0.30mm，排气
门的间隙为0.3—0.35mm。如果间隙过小，发动机在热态下可
能发生漏气，导致功率下降严重时，将使气门烧坏。
如间隙过大，则使传动零件之间以及气门和气门座之间将
产生撞击、响声，而加速磨损，同时也使气门开启的持续时间
减短，采用液力挺柱的发动机，挺柱的长度能自动变化，随时
补偿气门的热膨胀量，故不需要预留气门间隙。如一汽奥迪、
桑塔纳轿车无须预留气门间隙。
四、配气机构的主要零部件
（一）气门组
气门组包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、弹簧座
及锁片等零件，气门由头部和杆部两部分组成，头部用来封闭
气缸的进、排气通道，杆部则主要为气门的运动导向。气门头
部的工作温度很高，而且还要承受气体压力、气门弹簧力以及
传动组零件惯性力的作用，其冷却和润滑条件又较差。因此，
要求气门必须具有足够的强度、刚度、耐热和耐磨能力。
气门头顶面的形状有平顶、球面顶和喇叭形顶等，平顶气
门头结构简单，制造方便，吸热面积小，质量也较小，进、排
气门均可采用。
喇叭形顶头部与杆部的过渡部分具有一定的流线形，可以
减少进气阻力，但其顶部受热面积大，故适用于进气门；球面
顶气门头，因其强度高，排气阻力小，废气的清除效果好，适
用于排气门。但球形的受热面积大，质量和惯性力大，加工较
复杂。气门头部与气门座接触的工作面，是与杆部同心的锥角。
通常将这一锥面与气门顶平面的夹角称为气门锥角，一般做成
45o。有的发动机进气门的锥角做成30o，气门杆呈圆柱形，在
气门导管中不断进行往复运动。
气门导管是气门在其中作直线运动的导套，以保证气门与
气门座正确贴合。此外，气门导管还在气门杆与气缸盖之间起
导热作用。气门导管—般用耐磨的合金铸铁或粉末冶金材料制
造，然后以一定的过盈压入气缸盖的导管孔内。为了防止轴向
运动，保证气门导管伸人进、排气歧管的合适深度，有的发动
机对气门导管用卡环定位。
气门座与气门头部共同对气缸起密封作用，并接受气门传
来的热量。
气门弹簧的作用是使气门自动回位，防止气门传动机构中
产生间隙，气门弹簧应具有足够的刚度和安装预紧力。
气门旋转机构，为了改善气门和气门座密封面的工作条
件，可设法使气门在工作中能相对气门座缓慢旋转。这样可使
气门头沿圆周温度均匀，减小气门头部热变形。气门缓慢旋转
时在密封锥面上产生轻微的摩擦力，有阻止沉积物形成的自洁
作用。
（二）气门传动组
气门传动组主要包括凸轮轴及正时齿轮、挺柱、导管、推
杆、摇臂和摇臂轴等。气门传动组的作用是使进、排气门能按
配气相位规定的时刻开闭，且保证有足够的开度。
（1）凸轮轴（图3－21）上主要配置有各缸进、排气凸
轮1，可以使气门按一定的工作次序和配气相位及时开闭，并
保证气门有足够的升程。凸轮受到气门间歇性开启的周期性冲
击载荷，因此对凸轮表面要求耐磨，对凸轮轴要求有足够的韧
性和刚度。
同一气缸的进、排气凸轮的相对角位置是与既定的配气相
位相适应的。发动机各个气缸的进气(或排气)凸轮的相对角位
置应符合发动机各气缸的发火次序和发火间隔时间的要求。因
此，根据凸轮轴的旋转方向以及各进气(或排气)凸轮的工作次
序，就可以判定发动机的发火次序。
（2）挺柱：将凸轮的推力传给推杆或气门，并承受凸轮
轴旋转时所施加的侧向力。气门顶置式配气机构的挺柱一般制
成筒式，以减轻质量。滚轮式挺柱与液力挺柱。
（3）推杆：将从凸轮轴经过挺柱传来的推力传给摇臂，
它是气门机构中最易弯曲的零件。要求有很高的刚度，在动载
荷大的发动机中，推杆应尽量地做得短些。
（4）摇臂：将推杆和凸轮传来的力改变方向，作用到气
门杆端以推开气门。
五、可变进气系统
（一）可变气门正时及升程电子控制系统
VTEC系统全称是可变气门正时和升程电子控制系统，是
本田公司在1989年推出了自行研制的“可变气门正时和气门
升程电子控制系统”，英文全“VariableValveTimingand
ValveLiftElectronicControlSystem”，缩写就是“VTEC”，
是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程等两种不同
情况的气门控制系统。
（二）双进气管分段工作进气系统
该系统是利用进气管通道面积的变化形成可变系统来改
善可燃混合气的混合和燃烧状况，如图3-38所示。
（三）进气管长度及面积可变进气系统
如图3-39所示，发动机在中小负荷，低速工作时，使用
长而细的进气管，保证其经济性及低速的稳定性；而在高速、
大负荷工况时，采用短而粗的进气管，提高了发动机的动力性。