汽车发动机气门敲击声故障案例

【教师设置故障与提出问题】

桑塔纳2000GSi汽车发动机起动后，在气门室盖处可听到清脆的“嗒嗒”声，此声音随发动机转速的变化而变化。请分析并排除故障【场景也可以采用其他发动机】

1.发动机配气机构总体组成与工作原理

以顶置双凸轮轴齿形带传动的配气机构（图3-8）为例，它主要由气门组件、凸轮轴及其传动机构等组成。

图3-8 配气机构总体总成

1—曲轴正时带轮 2—中间轴正时带轮 3—齿形带 4—张紧轮 5—凸轮轴传动带轮 6—进气凸轮轴 7—凸轮 8—液压挺柱 9—进气门组件 10—排气凸轮轴 11—排气门组件

发动机工作时，通过齿形带3带动进排气凸轮轴旋转。当进气凸轮轴某缸的进气凸轮克服气门弹簧力作用压下进气门时，进气门开启，开始进气；当进气凸轮轴转到凸轮的基圆段时，该进气门在气门弹簧作用下回位，关闭进气门，进气停止。排气门的开闭原理与进气门类似。

各缸进、排气门开闭的时刻取决于各进、排气凸轮的相对位置及进、排气凸轮轴与曲轴的相对位置，前者由设计制造保证，后者则要求正确安装与调整配气机构来达到。

2.配气机构的分类

1）按气门的布置位置分有侧置气门式和顶置气门式。侧置气门式的气门布置在气缸的一侧，使燃烧室结构不紧凑，热量损失大，气道比较曲折，进气流通阻力大，从而使发动机的经济性和动力性变差。目前，这种布置形式已被淘汰。现代汽车发动机均采用气门布置在气缸盖上的顶置气门式结构，如图3-8所示。

2）按凸轮轴布置位置分有上置凸轮轴、中置凸轮轴、下置凸轮轴三种。

①下置凸轮轴配气机构如图3-9所示。将凸轮轴1布置在曲轴箱上，由曲轴正时齿轮带动凸轮轴旋转。这种结构的主要优点是凸轮轴离曲轴较近，可用齿轮驱动，传动简单。但存在零件较多，传动链长，系统弹性变形大，影响配气准确性等缺点。在现代乘用车高速发动机中已趋于淘汰。目前国产轻、中型汽车上还有应用。

②中置凸轮轴配气机构如图3-10所示。将凸轮轴1布置在曲轴箱上，与下置凸轮轴相比，省去了推杆，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，减小了气门传动机构的往复运动质量，适应高速的发动机。

图3-9 下置凸轮轴配气机构

1—凸轮轴 2—挺柱 3—推杆 4—摇臂轴 5—锁紧螺母 6—调整螺钉 7—摇臂 8—气门锁夹 9—气门弹簧座 10—气门弹簧 11—气门导管 12—气门 13—气门座

图3-10 中置凸轮轴配气机构

1—凸轮轴 2—挺柱 3—支架 4—调整螺钉 5—摇臂 6—摇臂轴 7—锁夹 8—气门弹簧座 9—气门弹簧 10—气门导管 11—气门

③上置凸轮轴配气机构。将凸轮轴直接布置在气缸盖上，直接通过摇臂或凸轮来推动气门的开启和关闭。这种传动机构没有推杆等运动件，系统往复运动质量大大减小，非常适合现代高速发动机，尤其乘用车发动机。

根据顶置气门凸轮轴的个数，又分为单顶置凸轮轴（SOHC）和双顶置凸轮轴（DOHC）两种。

单顶置凸轮轴如图3-11所示，仅用一根凸轮轴同时驱动进、排气门，结构简单，布置紧凑。

双顶置凸轮轴驱动由两根凸轮轴分别驱动进、排气门，如图3-12所示，这种双凸轮轴布置有利于增加气门数目，提高进排气效率，提高发动机转速，是现代高速发动机配气机构的主要形式。

图3-11 单顶置凸轮轴

1—进气门 2—排气门 3—凸轮轴 4—摇臂

图3-12 双顶置凸轮轴

1—凸轮轴 2—摇臂 3—进气门 4—排气门

3）按曲轴和凸轮轴的传动方式可分为齿轮传动、链传动和齿形带传动三种。

①齿轮传动如图3-13所示。凸轮轴下置、中置的配气机构大多采用齿轮传动。一般从曲轴到凸轮轴间的传动只需一对正时齿轮，必要时可加装中间齿轮。为了啮合平稳，减小噪声，正时齿轮多用斜齿轮。也有的采用夹布胶木制造，以减小噪声。

装配时为了保证配气相位的正确，齿轮上都有正时记号，装配时必须按要求对齐。

②链传动如图3-14所示。链传动多用在凸轮轴上置的配气机构中。为使链条工作时具有一定的张力而不至于脱落，一般装有导链板和张紧轮等。这种传动的优点是布置容易。若传动距离较远时，还可用两级链传动。缺点是结构质量及噪声较大，链的可靠性和耐久性不易得到保证。

③齿形带传动。现代高速发动机广泛采用齿形带传动，如图3-8所示。齿形带用氯丁橡胶制成，中间夹有玻璃纤维和尼龙织物，以增加强度。齿形带的张力可以由张紧轮进行调整。这种传动方式可以减小噪声，减少结构质量和降低成本。

4）按每缸气门的数目分有2气门、3气门、4气门和5气门。传统发动机都采用每缸两气门（一个进气门，一个排气门）。为了改善发动机的充气性能，应尽量加大气门的直径，但由于气缸直径的限制，气门的直径不能超过气缸直径的一半。因此，现代汽车发动机中，普遍采用多气门结构（3～5气门），使发动机的进、排气流通截面积增大，提高了充气效率，改善了发动机的动力性能、经济性能和排放性能。

图3-13 凸轮轴的齿轮传动

1—曲轴正时齿轮 2—凸轮轴正时齿轮 3—凸轮轴 4—挺柱 5—推杆 6—摇臂座 7—摇臂轴 8—摇臂 9—气门

图3-14 凸轮轴的链传动

1—曲轴链轮 2—油泵驱动链轮 3—液力张紧装置 4—凸轮轴链轮 5—导链板 6—链条

当每缸采用四气门时，气门的排列方式有两种：一种是同名气门排成两列，如图3-15a所示，由一根凸轮轴通过T形驱动杆同时驱动。由于两同名气门在气道中的位置不同，可能使二者的工作条件和工作效果不一致，故不常用。另一种是同名气门排成一列，如图3-15b所示，这种结构在阻止进气涡流、保证排气门及缸盖热负荷均匀等方面都具有优越性，但一般需要两根凸轮轴，结构较复杂。

3.配气机构主要组件结构原理

配气机构主要由气门组件、凸轮轴组件、凸轮轴传动机构和气门驱动机构组成。

（1）气门组件（图3-16） 它由气门、气门座、气门导管、气门弹簧和气门锁夹等零件组成。

图3-15 四气门机构的布置

a）同名气门排成两列 b）同名气门排成一列

1—T形驱动杆 2—气门杆端

图3-16 气门组件

1—气门锁夹 2—气门弹簧座 3—气门弹簧 4—气门油封 5—气门弹簧垫圈 6—气门导管 7—气门 8—气门座 9—气缸盖

1）气门。气门由头部、杆身和带密封锥面的气门盘组成。

气门盘顶面的形状有凸顶、平顶和凹顶，如图3-17所示。平顶结构简单，制造方便，吸热面积小，质量也小，应用最多；凸顶的刚度大，受热面积也大，用于某些排气门；凹顶气门质量小，惯性小，与杆部的过渡有一定的流线形，可以减小进气阻力，常用作进气门。

气门盘有一密封锥面，其锥角α一般为30°～45°，工作中由于气门与气门座之间的撞击及高温气体作用，使密封锥面产生磨损和凹陷，应注意修磨或更换。

气门杆与弹簧连接有两种方式。一种是锁夹式，如图3-18a所示，在气门杆端部的沟槽上装有两个半圆形锥形锁夹4，弹簧座3紧压锁夹，使其紧箍在气门杆端部，从而使弹簧座、锁夹与气门连接成一整体，与气门一起运动。

另一种是以锁销代替锁夹，如图3-18b所示，在气门杆端有一个用来安装锁销的径向孔，通过锁销5进行连接。

图3-17 气门顶形状

a）平顶 b）凹顶 c）凸顶

图3-18 气门弹簧座的固定方式

a）锁夹固定 b）锁销固定

1—气门杆 2—气门弹簧 3—弹簧座 4—锁夹 5—锁销

2）气门座。气缸盖的进、排气道与气门锥面相贴合的部位称为气门座，如图3-16所示。它与气门锥面紧密贴合以密封气缸。气门座可在气缸盖上直接镗出，但大多数发动机的气门座是用耐热合金钢单独制成座圈（称气门座圈），压入气缸盖（体）中，以提高使用寿命和便于维护更换。

3）气门导管和油封。气门导管6（图3-16）的作用是在气门作往复直线运动时进行导向，以保证气门与气门座之间的正确配合。当凸轮直接作用于气门杆端时，承受侧向作用力并起传热作用。

气门导管内、外圆柱面经加工后压入气缸盖中，然后精铰内孔。为防止气门导管在工作中松落，有的采用卡环定位。

气门与气门导管间留有0.05～0.12mm的微量间隙，使气门能在导管中自由运动，适量的润滑油由此间隙对气门杆和气门导管进行润滑。该间隙过小，会导致气门杆受热膨胀与气门导管卡死；间隙过大，会使机油进入燃烧室燃烧，产生积炭，加剧活塞、气缸和气门磨损，增加润滑油消耗，同时造成排气冒蓝烟。为了防止过多的润滑油进入燃烧室，有的在气门导管上安装有橡胶油封4，如图3-16所示。

4）气门弹簧。气门弹簧的作用是保证气门复位。在气门关闭时，保证气门及时关闭和紧密贴合，同时防止气门在发动机振动时因跳动而破坏密封；在气门开启时，保证气门不因运动惯性而脱离凸轮。

气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧，如图3-19所示。发动机装一根气门弹簧时，采用不等螺距弹簧，如图3-19b所示，以防止共振。装两根弹簧时，如图3-19c所示，弹簧内、外直径不同，旋向不同，它们同心安装在气门导管的外面，不仅可以提高弹簧的工作可靠性，防止共振的产生，还可以降低发动机的高度。

（2）凸轮轴组件（图3-20） 它由凸轮轴7、凸轮轴衬套6和止推凸缘4等组成。

凸轮轴上加工有进、排气凸轮11，用以保证各缸进、排气门按一定的工作次序和配气相位及时开闭。凸轮的轮廓决定了气门升程、气门开闭的持续时间和运动规律。凸轮磨损，直接影响到气门开闭特性和发动机的动力和经济等性能。

图3-19 气门弹簧

a）等螺距弹簧 b）不等螺距弹簧 c）双弹簧(www.xing528.com)

图3-20 凸轮轴组件

1—螺栓 2—垫圈 3—正时齿轮 4—止推凸缘 5—止推座 6—凸轮轴衬套 7—凸轮轴 8—驱动汽油泵的偏心轮 9—驱动分电器的螺旋齿轮 10—凸轮轴轴颈 11—凸轮

从各缸进、排气凸轮的排列，可以判断出发动机的工作顺序。若上述4缸发动机凸轮轴各缸的进（或排）气凸轮排列如图3-21所示（从凸轮轴前端看），转动方向为逆时针，则可判断出该发动机的工作顺序为1-2-4-3。

对于下置凸轮轴的汽油机，还加工有驱动机油泵、分电器的螺旋齿轮9和驱动汽油泵的偏心轮8，如图3-20所示。

凸轮轴通过衬套6支承在发动机机体上，由正时齿轮3驱动，曲轴每旋转两圈，凸轮轴转一圈，每个气缸要进行一次进气和排气，且各缸进气或排气间隔相等。

图3-21 4缸发动机工作顺序判断

为了防止凸轮轴轴向窜动，需要进行轴向定位。常见的定位装置如图3-22所示，止推片2安装在正时齿轮1和凸轮第一轴颈3之间，且留有一定间隙。调整止推片的厚度，可调整其轴向间隙大小。

（3）凸轮轴传动机构 它是指驱动凸轮轴转动的机构。有齿轮传动、链传动和齿形带传动。

传动机构安装时应特别注意曲轴正时齿轮（或链轮、带轮）与凸轮轴正时齿轮（或链轮、带轮）的相互位置关系。安装不当，将严重影响发动机的动力性能和经济性能，甚至无法进行工作。一般制造厂出厂时都打有配对记号，应严格按要求安装。如图3-23所示齿轮上的点A应与点B相互对齐。

图3-22 凸轮轴的轴向定位

1—正时齿轮 2—止推片 3—凸轮轴颈

图3-23 正时齿轮安装记号

（4）气门驱动机构 它是将凸轮轴的旋转运动变为气门往复运动的机构。主要由气门挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴和气门间隙调整螺钉等组成，如图3-9所示。

1）挺柱。其作用是将凸轮的推力传给推杆或气门，承受凸轮旋转时传来的侧向力并传给发动机机体。

常用的有菌形挺柱、平面挺柱和桶形挺柱，如图3-24所示。挺柱工作时，由于受凸轮侧向推力的作用会引起挺柱与导管间的单面摩擦。为了减小这种单面摩擦及磨损，一般采取以下方法：

图3-24 气门挺柱的形状

a）菌形挺柱 b）平面挺柱 c）桶形挺柱

①将挺柱工作面制成球面，如图3-24a所示，这样可使挺柱在工作时绕其中心线稍有转动，达到磨损均匀的目的。

②挺柱相对凸轮偏心安装，如图3-24b所示，使挺柱工作时绕其中心线稍作转动。

③挺柱外表面做两端小中间大的桶形，如图3-24c所示，当挺柱在座孔中歪斜时由于它的定位作用，仍可保证凸轮型面全宽与挺柱表面相接触，从而减小接触应力，并使磨损均匀。

2）推杆如图3-25所示。推杆位于挺柱与摇臂之间，作用是将挺柱传来的推力传给摇臂。其上端的凹槽与摇臂上的球头相接触，下端的凸头与挺柱的凹槽相接触。

3）摇臂如图3-26所示。摇臂实际上是一个双臂杠杆，其作用是将挺柱传来的运动和作用力改变方向，作用到气门杆端，开闭气门。同时利用两边臂的比值（称摇臂比）来改变气门的升程。

图3-25 推杆

1—上凹球头 2—空心杆 3—下凸球头

图3-26 摇臂

A、C—油道 B—油槽

摇臂与气门杆端接触部分接触应力高，且有相对滑移，磨损严重，因此在该部分常堆焊硬质合金。

摇臂通过青铜衬套或滚针轴承支承在空心的摇臂轴上，再一起固定在摇臂轴支座上，如图3-27所示，再与气缸盖相连。为了防止摇臂窜动，相邻两摇臂之间装有弹簧7。

图3-27 摇臂组

1—垫圈 2、3、4—摇臂轴支座 5—摇臂轴 6、8、10—摇臂 7—弹簧 9—定位销 11—锁簧 12—堵头 C、D、E—油孔

摇臂内一般钻有油道，与摇臂轴中心相通。压力机油充满摇臂轴中心，并从摇臂油孔流出，润滑挺柱及气门杆端等零件。

4）气门间隙调整螺钉。在摇臂一端安装有气门间隙调整螺钉2，如图3-28所示，用来调整气门间隙。

气门间隙是指发动机冷态，气门关闭时，气门与摇臂之间的间隙。其作用是为气门及驱动组件工作时留有受热膨胀的余地。

气门间隙的大小由发动机制造厂根据试验确定。一般在冷态时，进气门的间隙为0.25～0.30mm，排气门的间隙为0.30～0.35mm。如果气门间隙过小，发动机在热态下可能关闭不严而发生漏气，导致功率下降，甚至烧坏气门。如果气门间隙过大，则使传动零件之间以及气门与气门座之间撞击声增大，并加速磨损。同时，也会使气门开启的持续角度变小，气缸的充气及排气情况变坏。发动机工作中，由于气门、驱动机构及传动机构零件磨损，会导致气门间隙发生变化，应注意检查调整。

5）液压挺柱。气门间隙的存在，导致发动机工作时产生敲击噪声。由于气门传动组件的磨损，导致气门间隙变大，使进排气相位改变，增加了检查调整气门间隙的工作量。现代高级乘用车基本采用了液压挺柱，无需调整气门间隙。

图3-28 气门间隙

1—摇臂 2—气门间隙调整螺钉 3—锁紧螺母

图3-29 液压挺柱

1—高压油腔 2—缸盖油道 3—油量孔 4—斜油孔 5—球阀 6—低压油腔 7—键形槽 8—凸轮轴 9—挺柱体 10—挺柱体焊缝 11—柱塞 12—套筒 13—弹簧 14—缸盖 15—气门杆

如图3-29所示为桑塔纳和捷达乘用车发动机采用的液压挺柱。挺柱体9由上盖和圆筒焊接成一体，可以在缸盖14的挺柱体孔中上下运动。液压缸的内孔和外圆都经过精加工研磨，外圆与挺柱内导向孔相配合，内孔则与柱塞11配合，两者都可以相对运动。液压缸底部装有一个补偿弹簧13，把球阀5压靠在柱塞的阀座上，它还可以使挺柱顶面和凸轮表面保持紧密接触，以消除气门间隙。当球阀关闭柱塞中间孔时，可将挺柱分成两个油腔，上部的低压油腔6和下部的高压油腔1。球阀开启后，则形成一个通腔。

当圆筒挺柱体9上的环形油槽与缸盖上的斜油孔4对齐时（图3-29中位置），发动机润滑系中的机油经斜油孔4和环形油槽流入低压油腔6。位于挺柱体背面上的键形槽7可将机油引入柱塞上方的低压油腔。当凸轮转动，挺柱体9和柱塞11向下移动时，高压油腔1中的机油被压缩，油压升高，加上补偿弹簧13的作用，使球阀紧压在柱塞的下端阀座上，这时高压油腔与低压油腔被分隔开。由于液体具有不可压缩性，整个挺柱如同一个刚体一样下移，推开气门15。此时，挺柱环形油槽已与斜油孔4错开，停止进油。

当挺柱到达下止点后开始上行时，在气门弹簧上顶和凸轮下压的作用下，高压油腔封闭，球阀也不会打开，液压挺柱仍可认为是一个刚性挺柱，直至上升到凸轮处于基圆，使气门关闭时为止。此时，缸盖主油道中的机油经斜油孔4进入挺柱的低压油腔6，同时，高压油腔1内油压下降，补偿弹簧推动柱塞上行。从低压油腔来的机油推开球阀而进入高压油腔，使两腔连通充满机油。这时挺柱顶面仍和凸轮紧贴。

在气门受热膨胀时，柱塞和液压缸作轴向相对运动，高压油腔中的油液可经过液压缸与柱塞间的缝隙挤入低压油腔。因此，使用液压挺柱时，可以不预留气门间隙。

采用液压挺柱，消除了配气机构中的间隙，减小了各零件的冲击和噪声。同时凸轮轮廓可设计得陡一些，以便气门开启和关闭得更快，减小进、排气阻力，改善发动机的换气，提高发动机的性能，特别是高速性能。但液压挺柱结构复杂，加工精度要求较高。

4.四冲程发动机的配气正时与充气效率

（1）配气正时（配气相位） 为了使进气充分，排气彻底，进气门应在上止点前打开，下止点后关闭；而排气门应在下止点前打开，上止点后关闭。进、排气门实际开启和关闭的时刻以曲轴转角表示即为配气正时，也称配气相位。用环形图表示配气相位称为配气相位图，如图3-30所示。

1）进气提前角。指发动机从进气门打开时刻到活塞行至上止点所转过的曲轴转角。其目的是为了保证进气开始时，进气门已开启较大，增加进入气缸的新鲜气体或可燃混合气数量。非增压发动机进气提前角一般在0°～40°CA。该角度过小，充气量减少；该角度过大，又会导致废气流入进气管。

2）进气迟后角。是指活塞从下止点行至进气门完全关闭的曲轴转角。其目的是利用进气气流惯性和压力差继续进气。非增压发动机进气迟后角一般在40°～70°CA。该角度过小，进气气流惯性未能得到充分利用，降低了充气量；而该角度过大，进气气流惯性已用完，会导致已经进入气缸的新鲜充量又被排出。

3）排气提前角。从排气门打开到活塞行至下止点所转过的曲轴转角。其目的是利用废气压力，使气缸内废气排得更干净。但排气提前角也不宜过大，否则将造成做功能量损失。非增压发动机排气提前角一般在45°～55°CA。

4）排气迟后角。指活塞从上止点到排气门完全关闭所转过的曲轴转角。其目的是利用排气气流惯性使废气排除更干净。非增压发动机排气迟后角一般在10°～35°CA。过大会造成排出的废气又被吸入气缸。

图3-30 配气相位图

5）气门重叠角。由于进、排气门的早开和迟闭，就会有一段时间出现进、排气门同时开启的现象，这种现象称为气门重叠，重叠的曲轴转角称为气门重叠角。适宜的气门重叠角，可以利用气流压差和惯性清除残余废气，增加新鲜充量，称此为燃烧室扫气。非增压发动机气门重叠角一般为20°～80°CA，增压发动机一般为80°～160°CA，所以增压发动机可以有效提高充气量。

发动机的结构不同、转速不同、配气相位也就不同，最佳的配气相位角是根据发动机性能要求，通过反复试验确定的。

在使用中，由于配气机构零部件磨损、变形或安装调整不当，会使配气相位发生变化，应定期进行检查调整。

（2）充气效率 评价发动机换气过程完善的程度可采用充气效率η_v，它是指每循环实际进入气缸的充量与进气状态下充满气缸工作容积的理论充量的比值。

式中 V₁、m₁——实际进入气缸充量的体积、质量；

V_h、m_S——进气状态下充满气缸工作容积的理论充量的体积、质量。

所谓进气状态是指当时、当地的大气状态（非增压机型）或增压器压气机出口的气体状态（增压机型）。

η_v高，表示每循环进入气缸的充量多，则发动机的功率、转矩增加，动力性能、经济性能及排放性能好。

柴油机充气效率一般在0.75～0.9，汽油机在0.70～0.85。

多气门结构，采用进气增压，都可以有效提高充气效率。

在使用中，应特别注意对空气滤清器的清洁保养，以保证进气畅通，提高η_v值。