四冲程车用发动机采用气门式配气机构,气门式配气机构由气门组和气门传动组两部分组成。其结构形式多样,一般按气门布置形式的不同可分为侧置式和顶置式;按照凸轮轴布置形式又分为顶置式、中置式和下置式;按曲轴和凸轮轴的传动方式有齿轮传动、链条传动和齿带传动三种方式;按发动机每气缸气门数目的不同,还可分为二气门式、三气门式、四气门式、五气门式配气机构等。气门驱动形式有直接驱动、摇臂驱动和摆臂驱动三种类型。现代汽车发动机均采用顶置气门,配气机构的组成如图4-1所示。
1.气门的布置形式
顶置式气门配气机构应用广泛,其结构形式如图4-1所示。它的结构特点是进气门和排气门都装在气缸盖中,处于气缸的顶部,燃烧室结构紧凑,压缩比高,改善了燃烧过程,减少了热损失,提高了热效率,从而提高了发动机的动力性和经济性。现代汽车发动机均采用顶置式气门配气机构。气门侧置式配气机构目前已被淘汰。
图4-1 配气机构的组成
1—曲轴正时带轮;2—中间轴带轮;3—张紧轮;4—凸轮轴正时带轮;5—齿形正时带;6—凸轮轴;7—液压挺柱组件;8—排气门;9—进气门;10—挺柱体外壳;11—柱塞;12—止回阀钢球;13—小弹簧;14—托架;15—回位弹簧;16—油缸;17—气门锁片;18—上弹簧座;19—气门弹簧;20—气门导管油封;21—气门
图4-2 下置凸轮轴式配气机构示意图
1—凸轮轴正时齿轮;2—凸轮轴;3—挺柱;4—推杆;5—摇臂轴支架;6—摇臂轴;7—调整螺钉及锁紧螺母;8—摇臂;9—气门锁片;10—气门弹簧座;11—气门;12—防油罩;13—气门弹簧;14—气门导管;15—气门座圈;16—曲轴正时齿轮;Δ—气门间隙
2.凸轮轴的布置形式
(1)下置凸轮轴式配气机构。如图4-2所示,凸轮轴装在曲轴箱内,距离曲轴很近,曲轴通过一对正时齿轮直接驱动凸轮轴旋转,凸轮凸起部分通过挺柱、推杆、调整螺钉推动摇臂摆转,摇臂的另一端便向下推开气门,同时使弹簧进一步压缩。当凸轮的凸起部分的顶点离开挺柱以后,气门在其弹簧张力的作用下,开度逐渐减小,直至最后关闭,进气或排气过程结束。压缩和作功行程中,气门在弹簧张力作用下关闭,使气缸密闭。
由于四冲程发动机每完成一个工作循环曲轴转两圈,而各缸的进、排气门各开启一次,也即凸轮轴只转一圈,所以曲轴与凸轮轴的传动比为2∶1。
缺点是气门与凸轮轴相距较远,气门传动组的零部件较多,在高速运转时,整个系统产生弹性变形,?影响气门运动规律和开启、关闭的准确性。
(2)中置凸轮轴式配气机构。中置凸轮轴式配气机构的凸轮轴位于气缸体的上部,如图4-3所示。它缩短了推杆或适当加长挺柱后去掉推杆,凸轮通过挺柱直接去动摇臂,减轻了配气机构的往复运动质量,增大了机构的刚度,适用于较高转速的发动机。当凸轮轴的中心线距离曲轴中心线较远时,需要用三个齿轮来传动,增加一个惰轮。
图4-3 采用中置凸轮轴式配气机构的发动机
1—凸轮轴;2—挺柱;3—锁紧螺母;4—气门间隙调整螺钉;5—摇臂;6—摇臂轴;7—气门锁片;8—气门弹簧座;9—气门弹簧;10—气门;11—气门座圈(www.xing528.com)
有些中置凸轮轴式配气机构的组成与下置凸轮轴式配气机构没有什么区别,只是推杆较短而已,如YC6105Q发动机就是这种结构形式。
(3)顶置凸轮轴式配气机构。凸轮轴和气门都置于气缸的顶部,气门装在气缸盖中,凸轮轴安装在气缸盖的上端面上。这种配气机构可省去挺柱和推杆,甚至可省去摇臂,凸轮轴直接或通过液压挺柱驱动气门。其主要优点是运动件少,传动距离短,整个机构的刚度大,适合于高速发动机;缺点是正时传动机构较复杂,拆装气缸盖比较困难。
顶置凸轮轴式配气机构的结构形式多样,按气门的驱动形式分为三种。
1)上置凸轮轴、摇臂驱动式配气机构。如图4-4所示,凸轮轴推动液压挺柱,液压挺柱推动摇臂,摇臂再驱动气门[图4-4(a)];或凸轮轴驱动摇臂,摇臂驱动气门[图4-4(b)]。由于在凸轮和气门杆之间布置了摇臂,所以摇臂构成了一个杠杆,改变摇臂两侧的长度比就可改变气门的升程,所以需要气门升程大的发动机常采用这种方式。为了降低凸轮和摇臂之间的摩擦损失,可采用有滚动轴承的所谓滚子摇臂。其优点是气门间隙的调整方便,但与直接驱动式相比,摇臂驱动的机构比较复杂,使气缸盖总成结构不紧凑,尺寸较大。另外,在发动机转速过高时,摇臂还容易产生挠曲变形。
图4-4 单上置凸轮轴、摇臂驱动式配气机构
(a)单摇臂;(b)双摇臂
1—进气门;2—排气门;3—摇臂;4—摇臂轴;5—凸轮轴;6—液压挺柱
图4-5 上置凸轮轴、摆臂驱动式配气机构
(a)单上置凸轮轴(SOHC);(b)双上置凸轮轴(DOHC)1—气门间隙调整块;2—弹簧扣;3—摆臂;4—摆臂支座;5—气门间隙调整螺钉;6—锁紧螺母
2)上置凸轮轴、摆臂驱动式配气机构。如图4-5所示,摆臂驱动式配气机构比摇臂驱动式配气机构的刚度更好,有利于提高发动机转速,因而广泛应用于高速轿车发动机上。如CA488.3型发动机即为单上置凸轮轴摆臂驱动式配气机构[图4-5(a)];而本田B20A型发动机为双上置凸轮轴摆臂驱动式配气机构[图4-5(b)]。
3)上置凸轮轴、直接驱动式配气机构。如图4-6所示,直接驱动式有两种布置方式,即单上置凸轮轴直接驱动式和双上置凸轮轴直接驱动式。前者用在进、排气门布置在同一侧的场合,后者则用在进、排气门布置在不同侧的场合。由于没有摇臂,不但使零件数减少,提高了配气机构的刚度,降低了摩擦损失,有利于提高发动机转速,而且还增大了气缸盖上的布置空间,特别对双上置凸轮轴布置有利于减少进、排气门之间的夹角,加大了气门布置的自由度,有利于多气门布置(如三气门、四气门、五气门布置),火花塞也可布置在燃烧室的中央位置。
直接驱动式的主要缺点是,由于没有杠杆的放大作用,气门升程不可能很大,气门间隙的调整也就比较麻烦。
图4-6 上置凸轮轴、直接驱动式配气机构
(a)单上置凸轮轴(SOHC);(b)双上置凸轮轴(DOHC)1—机械挺柱;2—气门间隙调整垫块;3—凸轮轴;4—气门弹簧座;5—气门锁片;6—气门弹簧;7—气门导管;8—气门;9—气门座圈;10—液压挺柱
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