汽车维修：发动机机械系统组成

1.概述

发动机机械系统由发动机壳体、气门机构和曲轴传动机构三部分组成，见表2-1。

表2-1 发动机机械系统构成

（续）

2.曲轴箱

（1）曲轴箱概述

曲轴箱或缸体如图2-2所示，包括气缸、冷却水套和曲轴传动机构壳体。现在许多新系统或改进系统都具有连接曲轴箱的接口。

图2-1 发动机气门机构组件

1一带有HVA的室式挺杆 2一排气门 3一进气门 4一气门锁夹 5一进气凸轮轴 6一气门杆密封件 7一上部气门弹簧座 8一气门弹簧 9一底部气门弹簧座 10一排气凸轮轴

图2-2 曲轴箱仰视图

曲轴箱的主要任务如下：

1）吸收作用力和转矩。

2）固定曲轴传动机构。

3）固定和连接气缸。

4）支撑曲轴。

5）固定冷却液和润滑油输送通道。

6）集成一个曲轴箱通风系统。

7）固定各种附属总成。

8）使曲轴空间与外界隔离密封。

维修知识

曲轴箱带有较大的纵向通风孔。这些纵向通风孔可使活塞在上下运动过程中产生的往复式空气柱保持压力平衡。此外，还需要针对机油供给和冷却液冷却调整单废气涡轮增压器上的接口。

（2）曲轴箱通风

1）发动机运转时，气体（所谓的泄漏气体）由气缸进入曲轴空间内。

2）泄漏气体中包含未燃烧的燃油和所有废气。它们在曲轴空间内与油雾形式的发动机油混合。

3）泄漏气体量取决于发动机负荷。曲轴空间内通过活塞运动产生的压力也取决于转速。这个压力出现在所有与曲轴空间相连的空腔内（例如，机油回流管路、正时链箱等），且会将机油挤向密封位置处的出油口。为了避免发生这种情况，在此引入了曲轴箱通风装置。开始时，只是简单地将泄漏气体与发动机油的混合气释放到大气中。很久以后才出于环保的考虑采用了封闭式曲轴箱通风装置。

曲轴箱通风装置将不含发动机油的绝大部分泄漏气体送入进气系统内，并确保曲轴箱内不会产生压力。

（3）非调节式曲轴箱通风

采用非调节式曲轴箱通风方式时，低压压力（真空）将机油与泄漏气体的混合气送入发动机的最高处。该低压压力（真空）由一个至进气通道的连接装置产生。混合气从此处进入到机油分离器，随后使泄漏气体与发动机油分离。

维修技能

在采用非调节式曲轴箱通风的发动机上仅通过—个金属丝网实现上述目的。“净化”后的泄漏气体送入发动机进气系统，而发动机油回流到油底壳内。

曲轴箱内的低压压力（真空）受进气管连接通道内校准孔的限制。曲轴箱内压力过低时，会造成发动机密封件（曲轴密封环、油底壳凸缘密封垫等）失效，使未过滤的空气因此进入发动机内，从而加速机油老化和机油沉积。但是，可以通过校准孔限制这种作用。还可以通过金属丝网控制机油分离效率。

曲轴密封环无法继续正常工作时，就会产生上述情况。如果在发动机转速较高的情况下车辆处于滑行模式，就会因节气门关闭而在进气系统内产生非常高的真空度。如果密封环损坏，环境中的新鲜空气就会进入曲轴箱内，并可能会吸入大量泄漏气体，金属网无法分离如此大量的机油，因此下次加速时会使—定量的机油随之燃烧，尾气中会产生明显的蓝色烟雾。

非调节式曲轴箱通风装置如图2-3所示。

图2-3 非调节式曲轴箱通风装置

1一节气门 2一排气通道 3一机油回流通道 4一曲轴空间 5一油底壳 6一连接进气管的通道

（4）真空调节式曲轴箱通风

采用真空调节式曲轴箱通风装置时，曲轴空间通过排气通道、集气室、机油分离器、调压阀与节气门后的进气管相连。真空调节式曲轴箱通风装置如图2-4所示。

图2-4 真空调节式曲轴箱通风装置

1一节气门 2一排气通道 3一机油回流通道 4一曲轴空间 5一油底壳 6一连接机油分离器的通道 7一调压阀 8一气旋分离器 9一机油回流管

维修技能

由于节气门和空气滤清器产生气流阻力，进气管内会产生相对真空。

由于与曲轴箱之间存在压力差，因此泄漏气体被吸入气缸盖内，并在此首先到达集气室处。集气室用于确保从凸轮轴等处喷出的机油不会进入曲轴箱通风装置内。如果通过迷宫式密封装置进行机油分离，则集气室还具有消除泄漏气体压力波动的作用。这样可以避免使调压阀内的隔膜处于工作状态。

在带有气旋分离器的发动机上非常需要这种压力波动，因为可以改善机油分离效率。随后气体在气旋分离器内达到平衡。因此，集气室的结构与通过迷宫式密封装置进行机油分离的集气室不同。

泄漏气体通过输送管路到达机油分离器，并在此处分离出发动机油。分离出的发动机油回流到油底壳内。净化后的泄漏气体通过调压阀进入进气系统的洁净空气管内。

3.密封垫

在金属部件之间放置一个绝缘密封垫可防止接触腐蚀。通常有油底壳密封垫和气缸盖密封垫两种，这些密封垫用于将铝合金油底壳和气缸盖与曲轴箱分隔开。

维修知识

发动机的气缸盖密封垫有一个密封唇。该密封唇用于防止灰尘和喷水进入密封接缝，从而防止接触到金属部件，如图2-5所示。如果密封垫已损坏，那么气缸盖（如果铝合金）和曲轴箱（如果是镁合金）之间很快就会出现接触腐蚀。密封唇损坏严重时，甚至会影响到密封垫核心的钢制部分，如图2-6所示。

图2-5 带有密封垫凸出物的油底壳密封垫

图2-6 气缸盖密封垫的密封唇

维修技能

进行发动机的螺栓连接时需要特别注意。取下螺栓连接件后必须立即吹干螺纹孔，以免因冷却液造成腐蚀。

维修技能

重新安装螺栓前也要完全吹干螺纹孔，以免以后在曲轴箱材料和螺栓之间形成接触腐蚀，如图2-7所示。

图2-7 吹干螺纹孔

4.气缸盖

（1）气缸盖功能

气缸盖对发动机运行特性（如输出功率/转矩、尾气排放特性、耗油量和噪声等）有决定性影响。发动机正时控制几乎都在气缸盖内进行。

气缸盖需要完成以下任务：

1）吸收作用力。

2）固定气门机构。

3）固定换气通道。

4）固定火花塞。

5）固定冷却液和润滑油输送通道。

6）构成气缸上限。

7）向冷却液散热。

8）固定附属总成和传感器。

（2）结构

随着发动机的不断开发，气缸盖的设计结构变化很大。

气缸盖的形状主要受到以下因素的影响：

1）气门的数量和位置。

2）凸轮轴的位置和数量。

3）火花塞的位置和数量。

4）换气通道的形状。

为了提高发动机功率、减小污染物排放量和耗油量，换气必须尽可能有效且灵活，容积效率必须较高。

为了在这些方面进行优化，过去主要进行改进顶置气门、顶置凸轮轴、4气门技术等来实现。

进气和排气通道流量较大时，也可以提高换气效率。对气缸盖提出的另一个要求是要具有尽可能紧凑的结构。如果再考虑到用于气门间隙补偿或尽量减小摩擦的元件、燃烧室形状以及火花塞位置，所以气缸盖结构是比较复杂的。

汽车知识

在直接喷射式发动机上和一些进气管喷射式发动机上，气缸盖中还装有喷油器。喷油器的位置也会影响到燃烧是否充分。这一点同样适用于气缸盖内装有喷油器的进气管喷射式发动机。

在4气门气缸盖上，可以将火花塞布置在燃烧室顶中心。这有助于缩短燃烧室内的火焰行程。但是，随着气门数量的增加，气缸盖结构也变得很复杂。批量生产的产品中还有每个气缸配有三个或五个气门的气缸盖。跑车中甚至有六气门气缸盖。

（3）燃烧室顶

气缸盖作为气缸的顶部构成了燃烧室顶。它与活塞几何因素一起决定了燃烧室的形状。燃烧室是由活塞、气缸盖和气缸壁围成的空间。

维修知识

如图2-8a所示，整个燃烧室都位于活塞内；如图2-8b所示，燃烧室分布在活塞和气缸盖内；如图2-8c所示，这种布置方式非常有利，因为其油气混合气可以非常有效地环绕火花塞流动。

图2-84 气门气缸盖的不同燃烧室类型

5.曲轴

曲轴是一个单一部件，但可以分为多个不同的部分。主轴承轴颈位于曲轴箱内的轴承内。

图2-9 发动机曲轴

1一扭转减振器的固定装置 2一用于驱动机油泵的齿轮 3一主轴承轴颈 4一连杆轴承轴颈 5一输出端 6一平衡重块 7一油孔 8一正时链链轮

维修知识

如图2-9所示，连杆轴颈或曲柄轴颈与曲轴通过所谓的曲柄臂连接起来。曲柄轴颈和曲柄臂的这部分也称作曲柄。

连杆轴承轴颈与曲轴轴线之间的距离决定了活塞的行程。连杆轴承轴颈之间的夹角决定各气缸的点火间隔。曲轴转动两圈（720°）后，各气缸均点火一次。

连杆轴颈之间的夹角称为曲柄轴颈偏置或曲柄角度，根据气缸数、结构形式（V型或直列发动机）和点火顺序计算得出。其目的是获得尽可能平稳、均匀的发动机运行状态。

曲轴内有几个油孔。这些油孔为连杆轴承提供机油。油孔从主轴承轴颈通向连杆轴承轴颈，并通过主轴承座与发动机机油回路连接在一起。

平衡重块用于平衡围绕曲轴轴线的惯性力，从而使发动机平稳运行。

6.连杆

在曲轴传动机构中，连杆负责连接活塞和曲轴。活塞的直线运动通过连杆转化为曲轴的转动。此外，连杆还要将燃烧压力产生的作用力由活塞传至曲轴上。

作为一个加速度很大的部件，连杆的质量直接影响发动机的工作效率和运行平稳性。图2-10为带活塞的连杆。

图2-10 带活塞的连杆

汽车知识

如图2-11所示，梯形连杆小连杆头的横截面呈梯形。就是说，在小连杆头处由连杆轴端部向连杆端部逐渐变细。这样一方面可以进一步减轻质量，因为节省了“未承受负荷”一侧的材料，而承受负荷一侧则为整个轴承宽度。此外还能缩小活塞销孔间距，这意味着活塞销弯曲度较低。

另一个优点是可以取消小连杆头内的油孔，因为机油通过滑动轴承的倾斜沿渗入。由于省去了油孔，因此也避免了对该侧轴承强度造成的不利影响。这又可使该侧连杆结构更窄小。这样不仅可以减轻质量，还能节省活塞空间。

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图2-11 连杆

1一油孔 2一小连杆头内的滑动轴承 3一连杆 4一连杆内的轴瓦 5一连杆盖内的轴瓦 6一连杆盖 7一连杆螺栓

7.活塞

活塞（图2-12）将燃烧产生的气压转化为运动。活塞顶的形状对混合气的形成有决定性影响。活塞环负责燃烧室严密密封和控制气缸壁上的油膜。

活塞的主要部分包括活塞顶、带有火力岸的活塞环部分、活塞销座和活塞裙。活塞环、活塞销和活塞销卡环也是活塞总成的一部分。活塞顶构成了燃烧室的下部。在汽油发动机上可以采用平顶、凸顶或凹顶活塞。

活塞环部分通常有三个用于固定活塞环的环形槽，活塞环的作用是防止漏气和漏油（密封）。活塞环岸位于环形槽之间。位于第一个活塞环上方的环岸称为火力岸。一套活塞环通常包括两个气环和一个刮油环。

图2-12 活塞

1一活塞顶 2一气环 3一活塞销 4一活塞裙 5一刮油环 6一气环

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活塞裙部分是现代活塞变化最明显的部分。活塞裙负责使活塞在气缸内直线运行。只有与气缸之间的间隙足够大时，才能完成上述任务。但是这个间隙会因连杆偏移而引起活塞摆动，这种情况称为活塞二次移动。这种二次移动对于活塞环的密封性和耗油量来说也非常重要，而且还会影响活塞噪声。许多参数都有利于活塞保持直线运行，例如活塞裙的长度、活塞裙形状和装配间隙。

8.活塞环

活塞环是金属密封环，分气环和油环，见表2-2。活塞环在其环形槽内转动。这是因为换侧时侧向力作用在活塞环上。此时活塞环的转速很高，转速大概最高可达到100r/min。这种换侧作用可以清除环形槽上的沉积物。此外还能防止活塞环切口磨入气缸套内。

表2-2 活塞环

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各种活塞环如图2-13所示。

①矩形环是在普通运行条件下使用的带有矩形横截面的气环。通常还使用桶面环。

②锥面环的运行表面呈锥形，锥面向上逐渐缩小。这样可以缩短起动时间。锥面环也是气环，但具有刮油环的作用。

由于内倒角矩形环的横截面不对称，因此，安装时会使其呈碟形。因此与气缸壁的运行表面呈锥形。这种气环与锥面环一样，也具有辅助刮油的作用。

③鼻形环和鼻形锥面环既是气环又是刮油环。这些活塞环的底部都有一个小槽口。鼻形锥面环的运行表面呈锥形。

④开槽油环通过两个运行表面上较高的表面压力实现其刮油作用。环壁上的开槽有助于刮下的润滑油回流。在带有管状弹簧的开槽油环上，通过一个圆柱形螺旋弹簧（管状弹簧）提高表面压力和接触面积。位于铸铁或钢制活塞环圆形或V形固定槽内的弹簧使整个环壁均匀受力，因此这种活塞环结构灵活性较大。

⑤双倒角环与开槽油环相似。两个运行表面的倒角可以进一步提高表面压力，从而达到更好的刮油效果。双倒角环也可以采用带有管状弹簧的结构。

⑥VF系统是一个三件式钢带刮油环。它由两个钢片和一个钢制隔离弹簧构成。这种结构特别适用于较薄的活塞环。两个钢片彼此独立，径向移动有助于提高刮油效果。

图2-13 活塞环

1一矩形环 2一桶面环 3一锥面环 4一内倒角矩形环 5一鼻形环 6一鼻形锥面环 7一开槽油环 8一带有管状弹簧的开槽油环 9一双倒角环 10一带有管状弹簧的双倒角环 11一VF系统（三件式钢带刮油环）

9.凸轮轴

凸轮轴控制换气过程和燃烧过程。其主要任务是开启和关闭进气门和排气门。凸轮轴由曲轴驱动。其转速与曲轴转速之比为1：2。即凸轮轴转速只有曲轴转速的一半。这可以通过链轮传动比实现。凸轮轴相对于曲轴的位置也有明确规定。但最新的发动机已不再采用固定传动比方式，而是可以进行可变调节的，如宝马发动机VANOS系统。

维修技能

凸轮轴传感器可安装在凸轮轴上。维修时需要用于安装专用定位工具的双平面轴颈和用于装配时顶住凸轮轴的扳手宽度面。发动机凸轮轴如图2-14所示。

图2-14 凸轮轴

1一轴颈和用于轴向导向的止推面 2一凸轮轴传感器的参考基准 3一用于安装专用工具的双平面 4一扳手宽度面 5一凸轮 6一轴颈

10.摇臂、压杆和挺杆

摇臂、压杆和挺杆负责将凸轮运动传给气门（表2-3），因此这些部件也称作传动元件。传动元件沿凸轮轮廓移动，直接或间接（以一定传动比）传递运动。

表2-3 摇臂、压杆和挺杆

图2-15 滚子式气门压杆

1一用于随凸轮移动的滚针轴承滚子 2一用于支撑HVA元件的半球 3一压在气门上的操作面

图2-16 发动机的室式挺杆

1一球形接触面 2一室式挺杆 3一导向凸台

11.机械式气门间隙调节

如果采用机械气门间隙调节装置，只有在气门关闭状态下，气门杆与气门操纵装置之间存在间隙时，才能确保所需的气门密封效果。由于气门间隙随发动机温度变化而变化，因此必须将该间隙调节到足够大的程度。

气门间隙过大会产生令人不舒适的噪声以及造成磨损加剧的冲击负荷。

维修知识

气门间隙影响发动机正时时间，从而影响发动机功率、行驶性能、耗油量和废气排放量。

气门间隙过大会缩短正时时间，即气门延迟开启、提前关闭。

气门间隙过小会延长正时时间，即气门提前开启、延迟关闭。

12.带有导向件和弹簧的气门

带有导向件和弹簧的气门结构组成与维修的知识见表2-4。

表2-4 带有导向件和弹簧的气门

（1）气门座

气门座（表2-5）承担隔开燃烧室与气道的作用。此外，热量也通过此处从气门传至气缸盖。气门处于关闭状态时，气门座表面与气缸盖气门座圈靠在一起。气门座表面的宽度没有统一标准。气门座表面较窄时可改善密封效果，但会削弱散热能力。

表2-5 气门座

维修知识

气门座位于气门头外缘时，气门承受的机械负荷过高。气门座过于靠内时，外缘散热效果不佳；而且开启截面面积减小。

气门座角度是指气门座与一个垂直于气门杆的（理论）平面之间的夹角。密封效果和磨损情况也取决于气门座角度。对于进气门来说，气门座角度还会影响新鲜空气进气量，从而影响混合气形成过程。

（2）气门导管

气门导管用于确保使气门位于气门座的中心并通过气门杆将气门头处的热量传至气缸盖。为此需要在导向孔与气门杆之间留有最佳间隙量。间隙过小时，气门容易卡住；间隙过大时，会影响散热效果。最好留出尽可能小的气门间隙。

气门导管以压配合方式安装在气缸盖内。气门导管不得伸入排气通道内，否则会因温度较高而导致导管变宽。燃烧残余物可能会进入气门导管内。

维修知识

为确保气门正常工作，气门导管与座圈之间的中心偏移量必须保持在公差范围内。中心偏移过大会使气门头弯向气门杆。这可能会造成过早损坏。还可能会导致泄漏、影响热传递效果和增加耗油量。

（3）气门锁夹

气门锁夹负责连接气门弹簧座和气门。连接方式分为夹紧式和非夹紧式，见表2-6。

表2-6 夹紧式和非夹紧式气门锁夹

（4）气门弹簧

气门弹簧结构形式，见表2-7。

表2-7 气门弹簧结构形式

（5）气门杆

用于气门在气门导管内导向，气门杆从固定气门锁夹的凹槽处直至内圓角过渡处或刮油边处。为避免气门杆磨损，气门杆采用镀铬表面。

如果气门杆端部带有用于气门自由转动的凹槽，则与气门锁夹接触的区域必须进行淬火处理，以免磨损。这些凹槽与气门锁夹形成结构连接，气门弹簧可支撑在该部位处。

（6）空心气门

用于排气门侧，以便降低内圓角和气门面附近的温度。为此，气门该区域采用空腔结构。为传导热量，气门杆空腔体积大约60%的部分填充有可自由移动的金属钠。钠在97.5℃时熔化，并根据发动机转速在气门空腔内产生相应的“振动”作用。内圓角和气门头处产生的部分热量通过液态钠传至气门导管并进入冷却循环回路。从而显著降低气门温度。

13.扭转减振装置

（1）概述

使用活塞式发动机时，实际传至曲轴上的能量并不均衡。一方面是因为燃烧过程具有周期性；另一方面是由于负责传输作用力的连杆与曲轴之间的夹角不断变化。

从图2-17a）中可以看出这种情况。图中活塞离上止点很近。因为连杆几乎垂直压到曲轴上（夹角β几乎达到180°），所以曲轴倾斜角度很大，从而只有很小的作用力从连杆传到曲轴上。相对于活塞行程来说，为此需要曲轴转角较大。

图2-17b）中曲轴垂直于气缸轴线（α=90°）。处于此位置时动力传输效果最佳。相对于活塞行程来说，此时曲轴转角较小。

维修知识

以不均匀方式传递的作用力与燃烧产生的气体压力叠加。因此会造成运转的不平稳性。因为可以将作用力以相位错开的方式传到曲轴上，所以采用多气缸结构可显著降低运行不平稳性。但是只有点火顺序和点火间隔相互匹配时，才能达到上述效果。在这方面直列六缸发动机优势特别明显。但该发动机仍在一定程度上运转不平稳。

这种不均匀的扭力曲线造成转速波动。动力过大时曲轴传动机构加速运行，动力不足时减速运行。通过飞轮可减小转速波动。飞轮是曲轴传动机构内的一个附加平衡重块，可以提高传动机构的转动惯量。它起蓄能器的作用，即动力过大时储存能量，动力不足时释放能量。

（2）扭转减振器

扭转减振器由一个固定盘（小质量块）和一个飞轮齿圈（大质量块）构成。这两个部件通过一个橡胶垫连接在一起，因此二者可以相对扭转几度。固定盘用螺栓连接在曲轴的前部端面上。扭转减振器用于补偿曲轴的扭转振动。

突然加速时飞轮齿圈的转动比曲轴慢几度，松开加速踏板时则正好相反。扭转减振器不仅要确保发动机的运行平稳性，还要确保凸轮轴传动装置和皮带传动机构的运行平稳性和低磨损性。

图2-17 由连杆向曲轴传递作用力

图2-18 双质量飞轮的构造

1一盖罩 2一次级飞轮 3一盖板 4一密封隔膜 5一弧形减振弹簧 6一齿圈 7一弧形减振弹簧 8一主飞轮 9一轮毂凸缘 10一挡板

14.双质量飞轮

在带有手动变速器的车辆上，发动机燃烧过程的周期性会使传动系统内产生扭转振动。这将使变速器和车身发出异响。为避免影响舒适性，很多车采用了双质量飞轮（例如，大众捷达、宝来等）。双质量飞轮的构造如图2-18所示。

汽车知识

双质量飞轮将传统飞轮的质量块一分为二。一部分继续用于补偿发动机惯量；另一部分用于提高变速器惯量。从而使共振范围明显降低。

两个非刚性连接的质量块通过一个弹簧/减振系统连接起来。次级质量块与变速器之间不带扭转减振器的离合器从动盘用于分离和接合。

与发动机相连的飞轮质量块承受发动机的不平稳运动，在发动机转速不变的情况下，与变速器相连的质量块速度保持不变。双质量飞轮的功能如图2-19所示。

图2-19 双质量飞轮的功能示意图

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由于以非刚性连接两个质量块，因此可在临界发动机转速范围内消除变速器噪声。但有一个限制条件：振动质量块的惯性力矩越大，共振程度以及与其相关的转矩峰值就越大。起动和关闭发动机时，这种现象尤为明显。使用附加减振单元（盘形弹簧）可有效防止共振时过载。

但在正常运行状态下（发动机运转时），该减振单元不起作用，此时通过弹簧减振器消除发动机的扭转振动。

15.链条传动机构

现代发动机很多都采用了所谓的顶置气门传动机构。就是说，气门机构以及发动机正时系统都位于气缸盖内。凸轮轴负责确保正时系统开启和关闭气门。发动机的凸轮轴通过一个传动机构，即正时链或正时带驱动，如图2-20所示。

维修知识

链条传动机构将曲轴与凸轮轴以刚性方式连接起来。刚性连接是指传动比固定为2：1（曲轴转动2圈时凸轮轴转动1圈）。当凸轮轴链轮齿数是曲轴链轮齿数的两倍时，即可达到该传动比。

图2-20 发动机的链条传动机构（V型发动机）

1一气缸列1的上部导轨 2一气缸列1进气凸轮轴的VANOS单元 3一气缸列1的正时链 4一气缸列1的导轨 5一气缸列2的链条张紧器 6一气缸列2的导轨 7一气缸列2进气凸轮轴的VANOS单元 8一气缸列2的上部导轨 9一气缸列2排气凸轮轴的VANOS单元 10一气缸列2的正时链 11一气缸列2的导轨 12一机油泵传动链条 13一机油泵链轮 14一曲轴链轮 15一喷油嘴 16一气缸列1的张紧导轨 17一气缸列1的链条张紧器 18一气缸列1排气凸轮轴的VANOS单元