汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)

摘 要：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，而發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)是保證理想混合氣形成的必要機(jī)構(gòu)，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高效工作的保障。合理的配氣機(jī)構(gòu)可以使燃油達(dá)到最佳利用率，可以讓汽車的動(dòng)力性能大大提高。文章主要通過介紹汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)，闡述汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的工作原理。

關(guān)鍵詞：氣門組；氣門傳動(dòng)組；氣門間隙

1 配氣機(jī)構(gòu)的主要功用

配氣機(jī)構(gòu)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的兩大機(jī)構(gòu)之一，可以按照發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)所進(jìn)行的工作循環(huán)和發(fā)火次序，定時(shí)開啟和關(guān)閉各氣缸的進(jìn)排氣門，使新鮮充足的空氣及時(shí)進(jìn)入氣缸，廢氣可以及時(shí)地排出氣缸，同時(shí)在壓縮與做功行程中，保證燃燒室的密封[1]。配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)各缸燃料燃燒做功的保證。

2 配氣機(jī)構(gòu)的分類

配氣機(jī)構(gòu)按照凸輪軸位置的不同可以分為下置式、中置式和上置式。凸輪軸下置式配氣機(jī)構(gòu)的凸輪軸與曲軸距離近，可以只用一對(duì)齒輪傳動(dòng)。但是由于傳動(dòng)距離長、傳動(dòng)零件多，導(dǎo)致配氣機(jī)構(gòu)的剛度差、噪音大。凸輪軸中置式配氣機(jī)構(gòu)沒有推桿，使機(jī)構(gòu)的剛度增大，所以經(jīng)常在轉(zhuǎn)速較高的發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。凸輪軸上置式配氣機(jī)構(gòu)由于其傳動(dòng)鏈短，整個(gè)機(jī)構(gòu)的剛度大，所以最適合在高速發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。配氣機(jī)構(gòu)按照氣門的驅(qū)動(dòng)形式還可以分為搖臂式、擺臂式和直接式。

3 氣門組和氣門傳動(dòng)組的基本組成和功用

氣門組主要由氣門、氣門彈簧座、氣門彈簧、氣門導(dǎo)管、氣門油封和氣門鎖夾等組成。

氣門的工作環(huán)境極其惡劣，排氣門的溫度可達(dá)850℃，進(jìn)氣門由于新進(jìn)入的空氣散熱作用，溫度也可以達(dá)到450℃。進(jìn)排氣門由于周期性的開閉，在慣性力的作用下，使其受到周期性的沖擊。并且進(jìn)排氣門長期與腐蝕性氣體接觸，潤滑條件不佳。這些因素使得對(duì)進(jìn)排氣門的材料選擇變得極為嚴(yán)苛。通常我們要選擇耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊且導(dǎo)熱性能優(yōu)越的材料，如鉻剛、硅鉻鋼、21-4N奧氏體剛等[2]。氣門頂面有平頂、凸頂和凹頂?shù)刃螤睢Ｆ巾斨圃烊菀?，凹頂用作進(jìn)氣門可以起到減少空氣阻力的作用，而凸頂由于其頭部剛度大，排氣阻力小，所以可用于排氣門。凸頂式和凹頂式氣門的制造都較為困難，且受熱面積大，材料要求更高，成本較大。氣門與氣門座圈之間通常有一錐面，起到密封的作用，而氣門錐面與氣門頂面的夾角就是氣門錐角，氣門錐角45°有和30°可供選擇。氣門錐角較小時(shí)，氣門的進(jìn)氣阻力小，可以增大進(jìn)氣效率，但是由于其邊緣部分較薄，剛度差，所以容易變形漏氣。通常選擇的氣門錐角為45°。氣門頭部的熱量一部分通過氣門座圈傳遞給汽缸蓋，而另一部分通過氣門桿和氣門導(dǎo)管傳給汽缸蓋。為了增強(qiáng)散熱、防止漏氣，氣門和氣門座圈要經(jīng)研磨后緊密貼合，氣門頭部和氣門桿過渡部分不能有突兀。有些發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門桿是中空的，中間填入鈉等金屬物質(zhì)，利用鈉的融化和凝固作用增強(qiáng)氣門的傳熱能力。這種充鈉的氣門成本較高，但是傳熱效果好，常在風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)等散熱條件不好的情況下使用。

發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)汽缸一般有一個(gè)進(jìn)氣門和一個(gè)排氣門，由于進(jìn)氣阻力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響比排氣阻力大，所以通常使進(jìn)氣門頭部的直徑比排氣門大?，F(xiàn)代高性能汽車普遍采用多氣門發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)汽缸的氣門數(shù)可達(dá)到五個(gè)。減少了進(jìn)排氣阻力，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

氣門彈簧保證了氣門關(guān)閉時(shí)氣門座圈和氣門能緊密貼合、氣門開啟時(shí)傳動(dòng)件一直受到凸輪的控制。氣門彈簧應(yīng)該有合適的剛度和足夠的抗疲勞強(qiáng)度。氣門彈簧的材料通常選用用優(yōu)質(zhì)冷拔彈簧鋼絲，彈簧表面需要經(jīng)過熱處理[2]。由于氣門彈簧經(jīng)常做周期運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其工作頻率與其固有頻率相等時(shí)，氣門彈簧會(huì)發(fā)生共振。所以在選用彈簧時(shí)應(yīng)該有所側(cè)重，比如選用雙氣門彈簧，兩個(gè)彈簧可以起到相互減震的作用且當(dāng)一個(gè)彈簧不能工作時(shí)，另一個(gè)彈簧仍能使氣門正常工作。注意兩彈簧的旋向應(yīng)該相反，防止一個(gè)彈簧折斷后卡入另一個(gè)彈簧內(nèi)，使整個(gè)機(jī)構(gòu)不能運(yùn)作。除了采用雙氣門彈簧防止共振外，還可以采用錐形氣門彈簧、變螺距氣門彈簧等方法預(yù)防共振的發(fā)生。

氣門傳動(dòng)組一般由凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂或擺臂等組成。

凸輪軸承受周期性的載荷作用。其表明磨損也較為嚴(yán)重，所以在設(shè)計(jì)和制造時(shí)應(yīng)該保證其表面粗糙度較小、剛度較大、潤滑良好、耐磨性能優(yōu)越。通常選用合金鋼或者優(yōu)質(zhì)碳鋼制造凸輪軸。曲軸驅(qū)動(dòng)凸輪軸運(yùn)動(dòng)，由于要求有固定的傳動(dòng)比，所以其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常為齒輪式、鏈條式或者齒形帶式。齒輪式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于凸輪軸下置式的傳動(dòng)，即傳動(dòng)距離較短時(shí)使用。鏈條式和齒形帶式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在傳動(dòng)距離較長時(shí)使用，其中齒形帶式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作噪聲小、質(zhì)量輕、不要潤滑、成本較低，所以在越來越多的汽車上使用。挺柱是用來傳遞運(yùn)動(dòng)的中間部件。其底部與凸輪接觸，工作應(yīng)力較大，所以挺柱的工作表明需要耐磨耐壓。挺柱可以分為機(jī)械挺柱和液力挺柱。其中液力挺柱使氣門間隙為零，減少了因?yàn)闅忾T間隙所產(chǎn)生的沖擊和噪聲，提高了配氣機(jī)構(gòu)的使用壽命。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本很高，磨損之后只能更換。

4 配氣定時(shí)

以曲軸的轉(zhuǎn)角為刻度，描述進(jìn)排氣門開閉時(shí)刻及其持續(xù)時(shí)間就是配氣定時(shí)。

從進(jìn)氣門打開到上止點(diǎn)過程中曲軸轉(zhuǎn)過的角度叫做進(jìn)氣提前角。記作？琢；從進(jìn)氣下止點(diǎn)到進(jìn)氣門關(guān)閉曲軸轉(zhuǎn)過的角度叫做進(jìn)氣遲后角，記作？茁。一般?。孔列∮?0°，？茁在35°和80°之間。提早進(jìn)氣是未了減少進(jìn)氣阻力，使得后續(xù)進(jìn)氣容易，進(jìn)氣門遲閉是為了增大進(jìn)氣量。從排氣門開啟到活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)曲軸轉(zhuǎn)過的角度叫做排氣提起角，用？酌表示，從活塞運(yùn)動(dòng)到上指點(diǎn)到排氣門關(guān)閉曲軸轉(zhuǎn)過的角度叫做排氣遲后角，用？啄表示。排氣門早開可以使得大量廢氣快速排出。排氣門晚關(guān)可以使排氣更加徹底。整個(gè)過程如上圖所示[2]。在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，可以通過調(diào)節(jié)配氣定時(shí)改善其性能，所以現(xiàn)在某些汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)使用可變的配氣定時(shí)機(jī)構(gòu)。

5 氣門間隙

在冷態(tài)下，進(jìn)氣門間隙一般為0.25～0.30mm，排氣門間隙一般為0.30～0.35mm，不同發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門間隙一般不同。氣門間隙過小，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)傳動(dòng)件受熱膨脹導(dǎo)致漏氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率降低；氣門間隙過大，導(dǎo)致傳動(dòng)零件之間以及氣門和氣門座圈之間相互撞擊，使配氣機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性下降，噪音增加，配氣機(jī)構(gòu)的壽命降低[3]。所以氣門間隙應(yīng)該維持在一個(gè)適當(dāng)?shù)乃?，一般在發(fā)動(dòng)機(jī)出廠前發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)來確定合適的氣門間隙。

6 結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件工作情況惡劣、熱處理要求高。實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)精確控制的難度大且對(duì)零件制造水平的要求高，凸輪的設(shè)計(jì)和使用對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的控制有著重要影響。發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高效工作的必要保證。同時(shí)，現(xiàn)在為保護(hù)環(huán)境，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放要求越來越嚴(yán)格，配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不好，容易引起燃料的不完全燃燒，導(dǎo)致汽車尾氣排放不達(dá)標(biāo)。理解發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的工作原理，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1986.

[2]姚為民.汽車構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社，2013.

[3]郭彥豆，楊勇.氣門間隙的大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[J].裝備制造技術(shù)，2010（9）.

作者簡介：張德明（1993-），男，漢族，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，主修車輛工程專業(yè)。