配气机构(图2.2-31)的作用是根据发动机发火顺序和各缸工作循环的要求,定时开启和关闭进、排气门,使新鲜气体及时进入气缸,使废气及时排出气缸。
2结构组成。
配气机构一般由气门组件和气门传动组件组成。气门组件主要包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧等零部件;气门传动组件主要包括凸轮轴、正时及其传动机构、气门挺杆、气门压杆和摇臂等零部件。如图2.2-32~图2.2-36所示。
(1)凸轮轴(图2.2-37)。
①凸轮轴的作用。凸轮轴的作用是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及排气门。发动机的凸轮轴轴身直接在轴承内运转。凸轮轴轴身上带有凸轮,发动机工作的作用力就由凸轮轴轴承承受。
②凸轮的形状。凸轮的形状,即凸轮横截面的轮廓,它决定了气门行程的运行轨迹图2.2-38)。凸轮随动件沿凸轮轮廓随凸轮一起移动,并将运动传至气门。在基圆区域内，气门处于关闭状态。气门机构带有机械调节装置时,基圆和凸轮随动件之间存在间隙。接触到凸轮工作面时,气门开启或关闭。工作面倾斜度越大,气门开启或关闭的速度就越快。工作面可呈直线形状,也可呈曲线形状,具有直线工作面的凸轮也称作切线凸轮。尤其是与滚子式气门压杆一起使用时,凸轮工作面呈中空形式(凹形)。因此,有些车使用了带有烧结凸轮的复合式凸轮轴。只有使用无需修整的烧结凸轮,才能获得滚子式气门压杆所需要的凹形工作面。而使用平顶桶状挺杆时,凸轮工作面呈凸形。这种凸轮也被称作谐运动凸轮。凸轮顶部是气门完全开启点,凸轮顶部越宽,气门开启时间就越长。但可能会产生一定弧度。
凸轮随动件会因加速度而从凸轮上有弧度处抬起。从基圆至凸轮顶部的距离为凸轮行程。
凸轮运动与气门之间的传动比取决于传动部件。例如,桶状挺杆以1:1的传动比传动，而滚子式气门压杆的传动比则取决于杆长。
(2)气门。气门与气门导管和气门弹簧共同构成一个总成,安装在缸盖上(图2.2-39)。
气门由气门头、气门座和气门杆三部分组成(图2.2-40)。气门可分为单一金属气门、双金属气门和空心气门,图2.2-41所示为空心气门。
气门座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。
小贴士:
通常情况下,承受较小负荷的进气门座比承受高负荷的排气门座窄。气门座宽度为1.2~2.0mm。确保气门座位置正确非常重要。如图2.2-42所示为气门座安装位置。
(3)气门导。管气门导管是汽车发动机气门的导向装置,对气门起导向作用,以确保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。气门导管及其安装位置如图2.2-43所示。
(4)气门锁。夹气门锁夹(图2.2-44)负责连接气门弹簧座和气门。
(5)气门弹簧。气门弹簧标准结构形式为对称圆柱弹簧。气门弹簧负责以可控方式关闭气门,就是说必须确保气门随凸轮一起运动,以使其即使在最高转速时也能及时关闭。
气门弹簧安装位置如图2.2-45所示。气门弹簧类型如图2.2-46所示。
(6)摇臂、液压式气门间隙调节器、气门压杆、气门挺杄摇臂、液压式气门间隙调节器、气门压杆、气门挺杆负责将凸轮运动传给气门,因此这些部件也称作传动元件。摇臂、液压式气门间隙调节器、气门压杆、气门挺杆安装位置见图2.2-47。
①气门压杆。滚子式气门压杆(图2.2-48)是采用间接传动方式的气门传动组件。
②气门挺杆。气门挺杆(图2.2-49)是进气门和排气门的直接传动装置,它不改变凸轮的运动或传动比。这种直接传动装置始终具有很高的刚度,移动质量相对较小且所需安装空间较小。气门挺杆用于传递直线运动,其导向部件位于气缸盖内。
③液压式气门间隙调节器(图2.2-50)。气门和传动元件之间必须保持规定的气门间隙。
该间隙可以通过机械方式(摇臂)或通过一个液压式气门间隙调节器来调节。液压式气门间隙调节器负责在所有运行条件下确保气门间隙为零。
小贴士:
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。
凸轮通过气门压杆开启气门时,还会通过球头对液压式气门间隙调节器内的活塞施加作用力。活塞通过压力室内的机油支撑在固定式压力缸内。
④摇臂。摇臂是一个以中间轴孔为支点的双臂杠杆,短臂一端装有气门间隙调整螺钉,长臂端有一个圆弧工作面用来推动气门。摇臂是用来调节气门间隙的机械装置。气缸盖上摇臂实物图如图2.2-51所示。摇臂安装位置如图2.2-52所示。
小贴士:
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合适程度。
(7)链条传动机构。不同链条传动机构的主要区别通常仅在于链条的结构形式和布置方式不同,图2.2-53所示为宝马某V型发动机的链条传动机构。无论采用何种结构形式，每个链条传动机构一般都包括一个曲轴链轮、链条导轨、带有张紧导轨的链条张紧器、一个供油装置、至少一个凸轮轴上一个链轮以及正时链自身。
2.配气相位。
发动机吸入新鲜汽油空气混合气和排出废气的过程称为换气。通过进气门和排气门控制换气,气门的开启和关闭时刻取决于曲轴转角。这些时刻又称为正时时间。
进气门的运行方式:活塞即将开始向下移动前,进气门打开;活塞重新开始向上移动后,进气门关闭。
排气门的运行方式与此相似:活塞开始向上移动前,排气门打开;活塞重新开始向下移动后,排气门关闭。
正时的目的其实在实际的发动机工作中,是为了增大气缸内的进气量,进气门需要提前开启、延迟关闭;同样,为了使气缸内的废气排得更干净,排气门也需要提前开启、延迟关闭,这样才能保证发动机有效的运作。配气相位如图2.2.54所示。
3.凸轮轴可变配气调节装置(可变正时)。
(1)链条张紧器式。链条张紧器式(图2.2-55)只能对进气凸轮轴进行调整。凸轮轴调整是通过电控液压活塞将油压作用于链条张紧器来实现的。张紧元件被液压力向下压,在转速较低的范围,要求较高扭矩时,进气凸轮轴被调节到“早”的方向。这种调节方式不能实现无级调节,调节角度约为20°(曲轴转角)。按调节方式不同,又可分为功率调节和扭矩调节。
①功率调节(图2.2-56)。链条下部短,上部长,进气门延迟关闭。高速时,充气量充足,功率大。
②扭矩调节(图2.2-57)。凸轮轴调节器向下拉长,链条上部变短,下部变长,进气门提前关闭。中、低转速时,可获得大扭矩输出。
(2)斜齿啮合式。同样,斜齿啮合式(图22-58)只能对进气凸轮轴进行调整。凸轮轴调整是通过液压活塞在斜齿啮合处轴向移动来实现的无级调节,其调节角度约为40°(曲轴转角)。
采用斜齿啮合方式工作的系统模块中,有一个活塞,液压油可从两侧冲压活塞。这样，活塞可进行轴向往复运动。而通过斜齿啮合,活塞不仅进行往复运动,还可进行旋转运动。
朝向与凸轮轴动力啮合连接着的齿圈支架内转动。这样,凸轮轴便随着模块的壳体转动。该模块的中心螺栓具有一个左旋螺纹,通过左旋螺纹,调节装置可保持在其基准位置即“晚”位置。假如是右旋螺纹,则只需在拧紧螺栓的时候,将凸轮轴调节装置向“早方向调节即可。
(3)叶片调节器式。叶片调节器式(图2.2-59)正时调节装置,有时也简称叶片调节器或回转电动机。每个需要调节的凸轮上面各有一个调节元件(进气凸轮轴叶片调节器和排气凸轮轴叶片调节器)。每个调节元件通过一个电动液压式电磁阀进行控制。进气凸轮轴因调节角度有多种,所以可实现无级调节。
进气凸轮轴的叶片调节器被直接安装在进气凸轮轴上,它根据发动机控制单元的信号调节进气凸轮轴;排气凸轮轴的叶片调节器被直接安装在排气凸轮轴上(图2.2-60),控制外壳内安装有两个电磁阀,它根据发动机控制单元的信号调节排气凸轮轴。两个叶片调节器都是由液压阀操控的,并且通过控制外壳与发动机的机油系统连接。
4.凸轮轴调节单元。
凸轮轴调节单元(图2.2-61)是通过凸轮轴调节阀借助于发动机的机油压力来实现调节功能的。两个凸轮轴一起调节,可以实现较大的气门重叠,有利于改善尾气排放。
凸轮轴调节单元调节机构的工作原理如图2.2-62~图2.2-64所示。
(1)滞后调节。如图2.2-63所示,电磁阀通电,阀芯顶出,油道B与主油道接通,建立压力。凸轮轴向延迟关闭方向调整,进气门“晚”关,以增加进气量。
(2)提前调节。如图2.2-64所示,电磁阀断电,阀芯回缩,油道A与主油道接通,建立压力。凸轮轴向提前关闭方向调整,进气门“早”关,避免进气回流。
5电子气门调节系统。
宝马汽车中的可变配气系统称为电子气门调节系统,由全可变气门行程控制装置和可变凸轮轴控制装置构成(图2.2-65),因此可以任意选择进气门关闭时刻。仅在进气侧控制气门行程,而凸轮轴控制则在进气和排气侧进行。
电子气门调节系统在很大程度上执行了节气门的功能,为此需要使用全可变气门行程控制装置。全可变气门行程控制通过气门机构的伺服电动机、偏心轴、气门挺杆和扭转弹簧等部件来实现。气门行程调节状态见图2.2-66。
伺服电动机负责调节偏心轴。通过改变电动机转动方向和节拍控制时间可对偏心轴进行相应调节,进行气门升程控制。偏心轮旋转的角度不同,凸轮轴通过气门挺杆和摇臂推动气门的升程不同。当高速时,通过伺服电动机控制机构,以增加气门开度,获得更多进气量;反之,同理(图2.2-67)。
(1)偏心轴端部挡块状态。达到最小气门行程时,偏心轴挡块靠在气缸盖挡块上,该挡块用螺栓固定在气缸盖内。因此可以通过机械方式限制最小气门行程(图2.2-68)。最大气门行程也通过一个机械挡块来限制(图2.2-69)。气缸盖实物图如图2.2-70所示,图中标示了最小/最大位置挡块的相对位置。
进气侧和排气侧各有一个紧凑型无级叶片式凸轮轴单元。凸轮轴单元作为链条传动机构的集成式组件,用一个中央螺栓固定在相应凸轮轴上(图2.2-71)。螺旋弹簧将凸轮轴单元固定在基本位置,如图2.2-72所示。
小贴士:
由于进气和排气凸轮轴单元的交错角不同,因此不允许进行互换(混淆)。如果安装了不正确的凸轮轴单元,则可能导致发动机严重损坏。
(2)电子气门调节系统对排放的影响。进气门的气门行程和气门关闭时刻通过电子气门调节系统来控制(图2.2-73),从而使“进气门关闭”时燃烧室内到达理想的混合气质量。
气门行程较小时气流围绕气门均匀流动,因此混合气在燃烧室内的分布情况非常好(图2.2-74)。
由于进气速度非常高且气门间隙内的压力差非常大，因此油滴尺寸减小。这样可以达到很好的混合气形成效果并减小功率输出波动以及碳氢化物(HC)和氮氧化物(NOχ)排放量。
传统节流式发动机达到最大气门行程时的燃油分布情况如图2.2-75所示。燃油分布不均匀且油滴相对较大时,说明怠速运转期间燃烧情况不理想。
6.VVT-i可变气门正时系统。
丰田汽车中的VVT-i可变气门正时系统(图2.2-76),基本原理是:在凸轮轴上加装一套液力机构,通过发动机控制单元,在一定角度范围内对气门开启、关闭的时间进行调节,或提前,或延迟,或保持不变。凸轮轴正时齿轮的外转子与正时驱动相连,内转子与凸轮轴相连。外转子可以通过液压油间接带动内转子,从而实现一定范围内的角度提前或延迟。
7.i-VTEC可变气门升程系统。
本田汽车中的 i-VTEC可变气门升程系统(图2.2-77)基本原理是:在普通气门调节系统的基础上增加了第三根摇臂和第三个凸轮轴。通过三根摇臂的动作,来实现高低升程凸轮轴的切换,从而改变气门的升程。
当发动机处于低负荷时,三根摇臂处于分离状态,低升程凸轮驱动两侧摇臂来压开气门,气门升程量小;当发动机处于高负荷时,三根摇臂通过卡销结合为一体,由升程凸轮驱动中间摇臂压开气门,气门升程量大。
8.AVS可变气门升程系统。
奥迪汽车中的AVS可变气门升程系统(图2.2-78)基本原理是:通过切换凸轮轴上两组高度不同的凸轮来实现改变气门的升程,AVS系统通过安装在凸轮轴上的螺旋沟槽套简,来实现凸轮轴的左右移动,进而切换凸轮轴上的高低凸轮。
(1)凸轮轴结构。为了使排气凸轮轴上两个不同的气门升程之间能相互切换,排气凸轮轴(带外花键)上有4个可移动凸轮件(带内花键)。每个凸轮件上都装有两对凸轮通过两个电动执行器对两种升程进行切换。电动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(图2.2-79)。
(2)凸轮轴调节器(图2.2-80)通电后电磁线圈使金属销向外移动,插入凸轮件调节槽,进行调节。
(3)凸轮件调整及锁止(图2.2-81)。每个凸轮段使用两个执行器执行器使凸轮件从大凸轮调节到小凸轮;另一个执行器以相反方向调节。执行器由发动机控制单元接地信号启动,通过主继电器供电。调节槽的轮廓迫使凸轮段移动到另一个位置,通过弹簧加压球(锁紧钢球)来进行锁紧。
(4)AVS工作状态。
①高负荷时。当发动机处于高负荷时,电磁驱动器使凸轮轴向右移动,切换到高角度凸轮,从而增大气门的升程(图2.2-82和图2.2-83)。
②低负荷时。当发动机处于低负荷时,电磁驱动器使凸轮轴向左移动,切换到低角度凸轮,以减少气门的升程(图2.2-84和图2.2-85)。
