四行程发动机都采用气门式配气机构。其作用是按照发动机的工作顺序和工作循环要求,定时开启和关闭各气缸的进、排气门,使新气(汽油机是汽油和空气的混合气体,柴油机是新鲜空气)进入气缸,废气排出气缸。 气门式配气机构由气门传动组和气门组两部分组成。现代的汽车发动机均采用顶置气门,即进、排气门位于发动机气缸盖上,倒挂于气缸顶上。驱动气门的凸轮轴则有下置式、中置式和顶置式三种。现代的汽车多采用顶置凸轮轴结构。奥迪V12TDI发动机配气机构如图2-4-14所示。
(1)气门传动组气门传动组主要包括凸轮轴、正时齿轮、挺柱及其导杆、推杆、摇臂和摇臂轴等,其作用是使进、排气门按配气相位规定的时刻进行开闭,并保证有足够的开度。L4、V6、W12发动机气门传动组如图2-4-15所示。
(2)气门组气门组由气门、气门导管、气门弹簧(部分发动机有内、外气门弹簧)气门油封、上下气门弹簧座、气门锁片等组成。气门组安装在气缸盖上,在凸轮轴、液压挺柱、摇臂的作用下开启和关闭。L4、W12发动机气门组及在气缸盖中的装配关系如图2-4-16所示。
(3)大众/奥迪可变气门升程大众/奥迪可变气门升程主要通过排气凸轮轴上的电子气门升程切换以及进、排气门凸轮轴上的可变正时,实现对每个气缸气体交换的优化控制,发动机电子控制单元根据当前发动机负荷情况决定使用哪个凸轮,较小的凸轮仅用于低转速。
可变气门升程有以下好处:优化气体交换;防止废气回流到之前的180°排气缸;进气门打开的时间更早,气体填充程度更充分;通过燃烧室内的高压少量余气;提升响应性;在较低的转速和较高增压压力下达到更高的扭矩。
大众/奥迪可变气门升程如图2-4-17所示。
①凸轮轴构造。为了在排气凸轮轴上两个不同的气门升程之间相互切换,凸轮轴上安装有4个可移动的凸轮件(带有内花键)。每个凸轮件上都装有两对凸轮,其凸轮升程是不同的。通过执行器对两种升程进行切换。执行器接合每个凸轮件上的滑动槽,并移动凸轮轴上的凸轮件。每个凸轮件有两个执行器用于在两种升程之间来回切换。
凸轮轴中的弹簧加载式球体将凸轮件锁定在其各自的端部位置。凸轮轴的滑动槽和轴向推力轴承会限制凸轮件的移动,如图2-4-18所示。
②执行器。在两个电执行器(电磁阀)[气缸1-4的排气凸轮轴执行器(电磁阀)A/B]的辅助下,排气凸轮轴上的每个凸轮件在两个切换位置之间被来回推动。每个气缸的一个执行器切换到更大的气门升程,另一个执行器切换到更小的气门升程。
每个执行器由发动机控制单元的接地信号启动。通过主继电器提供电压。执行器的电流消耗约为3A,执行器的位置结构与原理如图2-4-19所示。
当电流通过执行器电磁线圈时,金属销在18-22ms内被移动。伸展的金属销接合到排气凸轮轴上凸轮件的相关滑动槽中,并通过凸轮轴旋转推动滑动槽到相应的切换位置。销通过机械方式在滑动槽(相当于一个复位斜面)的作用下缩进去。
凸轮件的两个执行器被启动时,总是只有一个执行器上的金属销移动。
③发动机转速低时的凸轮轴位置及切换。发动机在较低转速负荷下的凸轮轴位置及切换如图2-4-20所示。
④发动机在部分负载和全负载下的凸轮轴位置及切换。发动机在部分负载和全负载下的凸轮轴位置及切换如图2-4-21所示。
⑤配气相位。以曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻及其开启的持续时间称为配气定时。
进气门在进气行程上止点之前开启称为早开。从进气门开启到上止点,曲轴所转过的角度称为进气提前角。进气门在进气行程下止点之后关闭称为晚关。从进气行程下止点到进气门关闭,曲轴转过的角度称为进气迟后角。
进气门早开的目的是为了在进气开始时进气门能有较大的开度或较大的进气通过断面,以减小进气阻力,使进气顺畅。进气门晚关则是为了充分利用气流的惯性,在进气迟后角内继续进气,以增加进气量。进气阻力减小不仅可以增加进气量,还可以减少进气过程消耗的功率。
排气门在做功行程结束之前,即在做功行程下止点之前开启称为排气门早开。从排气门开启到下止点,曲轴转过的角度称为排气提前角。排气门在排气行程结束之后,即在排气行程上止点之后关闭称为排气门晚关。从上止点到排气门关闭,曲轴转过的角度称为排气迟后角。
排气门早开的目的是为了在排气门开启时气缸内有较高的压力,使废气能以很高的速度自由排出,并在极短的时间内排出大量废气。排气门晚关则是为了利用废气流动的惯性,在排气迟后角内继续排气,以减少气缸内的残余废气量。
由于进气门早开和排气门晚关,致使活塞在上止点附近出现进、排气门同时开启的现象称为气门重叠。重叠期间的曲轴转角称为气门重叠角,它等于进气提前角与排气迟后角之和。虽然进排气门在一段时间内同时开启,但是由于新气和废气都有较大的流动惯性,它们仍然各行其道并不互相掺混。因此,只要气门重叠角选得适当,便可以使进气更充分,排气更干净。如果气门重叠角太大,就会引起不良后果。
不同的发动机,由于结构和转速的不同,其配气定时也不相同。即使是同一台发动机,其配气定时也应随转速的变化而变化。
丰田3AZ-FE发动机配气相位如图2-4-22所示。
