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1、内燃机设计内燃机设计内燃机设计内燃机设计15 15 气气 门门 机机 构构第一页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题 15.1.1 气门机构的主要设计要求气门机构的主要设计要求发动机中控制其进气、排气的起止时刻及气流通路面积的方式有：发动机中控制其进气、排气的起止时刻及气流通路面积的方式有：气口控制（回流扫气二冲程机）气口控制（回流扫气二冲程机）气门控制（四冲程发动机）气门控制（四冲程发动机）混合控制（有排气门的直流扫气二冲程机）混合控制（
2、有排气门的直流扫气二冲程机）四四冲冲程程发发动动机机全全都都采采用用气气门门控控制制进进气气和和排排气气。其其优优点点是是气气门门口口的的密密封封比比较较可可靠靠而而且且便便于于修修复复密密封封面面，冷冷却却和和润润滑滑比比较较方方便便，寿寿命命也也相相对较长。对较长。气门机构的设计质量对于四冲程发动机的性能有着多方面的重要影响。气门机构的设计质量对于四冲程发动机的性能有着多方面的重要影响。第二页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题 对对升
3、升功功率率的的影影响响：发发动动机机的的最最大大功功率率转转速速nmax正正比比于于进进气气门门通通路路面面积积Av除除以以活活塞塞排排量量Vh，而而升升功功率率Nl则则正正比比于于peNnmax。当当最最大大功功率率工工况况的的peN一一样样大大时时，升升功功率率Nl正正比比于于nmax也也正正比比于于Av/Vh;所所以以进进气气门门的的相相对对通通路路面积面积Av/Vh越大，升功率越大，升功率Nl越大。越大。进进排排气气定定时时的的影影响响：进进排排气气定定时时影影响响充充气气系系数数随随转转速速变变化化的的情情况况（进进气气晚晚关关角角），影影响响泵泵气气损损失失（排排气气早早开开角角和
4、和进进气气晚晚关关角角），影影响响换换气气质质量量（进进排排气气重重叠叠角角），因因此此对对发发动动机机的的动动力力性性、燃燃料料经经济济性性和和有有害害排排放放有有影影响响。此此外外，气气门门机机构构的的磨磨擦擦损损失失对对发发动动机机在在低低转转速速负负荷荷工工况况下下的的机机械械效率和耗油率影响较大。效率和耗油率影响较大。气气门门机机构构的的工工作作可可靠靠性性和和噪噪声声的的影影响响：直直接接影影响响发发动动机机整整体体可可靠靠性性和和噪噪声声。排排气气门门的的热热裂裂、凸凸轮轮一一从从动动件件的的接接触触疲疲劳劳、气气门门弹弹簧簧的的疲疲劳劳失失效效等等都都是是重重要要的的可可靠靠性
5、性问问题题，气气门门机机构构的的传传动动链链脱脱节节或或气气门门提提前前落落座座、反反跳跳等异常现象，使发动机的噪声以及各接触面的磨损都会加剧。等异常现象，使发动机的噪声以及各接触面的磨损都会加剧。第三页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题 对气门机构设计的主要要求可归纳为：对气门机构设计的主要要求可归纳为：气气门门口口有有足足够够大大的的气气流流通通路路面面积积（也也叫叫做做气气门门通通过过能能力力），保保证证充充气气量量大大;气气门门机
6、机构构的的动动力力学学特特性性好好，在在发发动动机机最最高高转转速速工工况况也也不不出出现现机机构构飞飞脱脱和和气门反跳气门反跳;重重要要零零件件的的热热应应力力和和机机械械应应力力水水平平不不过过高高，选选材材及及表表面面处处理理恰恰当当，能能耐耐久工作久工作;气门机构的磨擦损失和噪声较低气门机构的磨擦损失和噪声较低;进排气定时恰当，能兼顾高速和低速工况性能进排气定时恰当，能兼顾高速和低速工况性能;便于制造和维修，成本较低。便于制造和维修，成本较低。第四页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有
7、关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题 15.1.2 气门的布置及气门机构的类型气门的布置及气门机构的类型15.1.2.1气门的布置气门的布置现现代代汽汽车车发发动动机机的的气气门门都都布布置置在在气气缸缸盖盖上上。按按照照每每缸缸的的气气门门数数目目和和在在发发动动机纵向上的排列情况看来，有三种主要的布置方式：机纵向上的排列情况看来，有三种主要的布置方式：每缸两个气门（每缸两个气门（1进进1排），在发动机纵向上成一列布置。排），在发动机纵向上成一列布置。绝绝大大多多数数柴柴油油机机和和楔楔形形、盆盆形形燃燃烧烧室室的的汽汽油油机机是是这这样样布布置置的的。气气门门的的中中心心
8、线线一一般般相相互互平平行行，只有风冷机为了扩大进、排气门间的冷却空气通道要把两气门分开成一小角度。只有风冷机为了扩大进、排气门间的冷却空气通道要把两气门分开成一小角度。各各缸缸进进、排排气气门门的的纵纵向向布布置置顺顺序序有有三三种种：交交替替排排列列，同同气气门门相相邻邻排排列列和和混混合合排排列列。采采用用哪哪一一种种顺顺序序要要考考虑虑柴柴油油机机进进气气道道的的型型式式、汽汽油油机机的的供供油油方方式式以以及及缸缸盖盖的的热热负负荷荷等等情情况。况。第五页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一
9、些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题 进、排气道的进口进、排气道的进口和出口有的安排在和出口有的安排在发动机的同一侧，发动机的同一侧，有的分别安排在有的分别安排在左、右两侧，还有左、右两侧，还有的进气道进口安排的进气道进口安排在气缸盖的顶面。在气缸盖的顶面。采用哪一种要考虑采用哪一种要考虑到汽油机进气需要到汽油机进气需要加热而柴油机不宜加热而柴油机不宜加热，考虑风冷机加热，考虑风冷机合理安排冷却气流合理安排冷却气流通道的需要等等。通道的需要等等。第六页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机
10、构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题 每每缸缸两两个个气气门门，在在发发动动机机纵纵向向上上成两列布置。成两列布置。这样布置气门就得用这样布置气门就得用两根凸轮轴来驱动或两根凸轮轴来驱动或者用一根凸轮轴和两者用一根凸轮轴和两个摇轴来驱动。因此个摇轴来驱动。因此气门驱动机构复杂气门驱动机构复杂化，只用于不得不这化，只用于不得不这样布置气门的半球形样布置气门的半球形燃烧室或帐蓬形燃烧燃烧室或帐蓬形燃烧室的汽油机。室的汽油机。第七页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些
11、问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题 每缸四个气门，纵向成两列布置。每缸四个气门，纵向成两列布置。每每缸缸用用四四个个气气门门的的好好处处，一一是是加加大大进进气气通通路路相相对对面面积积，从从而而提提高高发发动动机机的的最最大大功功率率转转速速和和升升功功率率；二二是是每每一一排排气气门门的的受受热热面面积积缩缩小小而而经经过过气气门门座座散散热热的的距距离离缩缩短短，可可以以降降低低排排气气门门的的热热负负荷荷；三三是是可可把把喷喷油油器器布布置置在在气气缸缸中中心心线线上上，对对直直接接喷喷射射燃燃烧烧室室柴柴油油机机的的性性能能有有利利。缺缺点点则则是是气气门门
12、驱驱动动机机构构复复杂杂化化。要要用用两两根根凸凸轮轮轴轴或或两两根根摇摇臂臂轴轴，甚甚至至有的要用叉形摇臂等驱动机构。有的要用叉形摇臂等驱动机构。除除上上述述三三种种气气门门布布置置方方式式外外，还还有有每每缸缸三三气气门门和和五五气气门门的的汽汽车车发发动动机。机。第八页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题 15.1.2.2气门机构的类型气门机构的类型凸凸轮轮轴轴装装在在气气缸缸体体（或或风风冷冷机机曲曲轴轴箱箱）中中的的气气门门机机构
13、构简简称称下下置置凸凸轮轮轴轴式式气气门门机构，其凸轮经挺柱、推杆、摇臂驱动气门。机构，其凸轮经挺柱、推杆、摇臂驱动气门。第九页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题 凸轮轴装在缸盖凸轮轴装在缸盖上的气门机构简上的气门机构简称顶置凸轮轴式称顶置凸轮轴式气门机构，其凸气门机构，其凸轮或经过摇臂驱轮或经过摇臂驱动气门，或经过动气门，或经过挺柱和摇臂驱动挺柱和摇臂驱动气门，或直接经气门，或直接经导套、导套、T形导杆形导杆驱动气门。驱动气门。第十页，
14、编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题 在在最最后后这这两两种种直直接接驱驱动动的的气气门门机机构构中中气气门门运运动动规规律律同同凸凸轮轮型型线线一一致致，而在其它各种气门机构中都有摇臂比放大的作用。而在其它各种气门机构中都有摇臂比放大的作用。下置凸轮轴式气门机构的特点：下置凸轮轴式气门机构的特点：主主要要优优点点是是凸凸轮轮轴轴距距曲曲轴轴较较近近，可可以以采采用用便便宜宜、可可靠靠、磨磨擦擦损损失失也也较较小小的的齿齿轮轮传传动动，而而且
15、且凸凸轮轮轴轴可可以以同同其其它它附附件件共共用用一一个个齿齿轮轮传传动动系系;还还可可使使发动机的高度较小和便于发动机的高度较小和便于V型发动机布置。型发动机布置。主主要要缺缺点点是是构构件件多多，运运动动质质量量较较大大而而机机构构刚刚度度较较小小，因因此此固固有有频频率率较较低低，出出现现机机构构脱脱节节、气气门门反反跳跳等等不不正正常常现现象象的的转转速速界界限限低低于于顶顶置置轮轮轴轴式式气气门门机构。机构。上上述述优优缺缺点点决决定定了了下下置置凸凸轮轮轴轴式式气气门门机机构构广广泛泛用用于于柴柴油油机机以以及及部部分分汽汽油机中。油机中。第十一页，编辑于星期六：十六点 五十九分。
16、15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题顶置凸轮轴式气门机构的特点：顶置凸轮轴式气门机构的特点：主主要要优优点点是是运运动动质质量量小小而而机机构构刚刚度度大大，可可以以在在很很高高转转速速下下正正常常控控制制气气门门运动。此外，气缸体的形状简化、刚度改善、重量和成本降低。运动。此外，气缸体的形状简化、刚度改善、重量和成本降低。主主要要缺缺点点是是凸凸轮轮轴轴要要用用链链传传动动，既既昂昂贵贵又又不不耐耐用用，磨磨擦擦损损失失和和噪噪声声也也较较大大。采采用用齿齿形形皮皮带带传
17、传动动可可以以降降噪噪，但但传传递递力力矩矩较较小小，也也不不耐耐用用。对对于于有有其其它它辅辅助助装装置置需需要要传传动动时时还还得得另另外外安安排排一一套套齿齿轮轮传传动动，使使整整机机结结构构更更复复杂。杂。这这些些情情况况决决定定了了顶顶置置凸凸轮轮轴轴式式气气门门机机构构主主要要用用于于轿轿车车、赛赛车车用用的的高高速速汽油机，以及少数轿车用的小型柴油机。汽油机，以及少数轿车用的小型柴油机。在在几几种种顶顶置置凸凸轮轮轴轴式式气气门门机机构构中中，直直接接驱驱动动气气门门的的机机构构因因运运动动件件最最少少而而最最有有利利于于上上高高速速，但但实实际际应应用用较较多多的的却却是是经经
18、摇摇臂臂驱驱动动气气门门的的顶顶置置凸凸轮轮轴轴式式气气门机构。有摇臂时凸轮升程小于气门升程，可以较灵活地选择摇臂比门机构。有摇臂时凸轮升程小于气门升程，可以较灵活地选择摇臂比第十二页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题 使使凸凸轮轮的的h/（升升程程/工工作作段段包包角角）较较合合适适、轮轮廓廓不不至至于于过过陡陡，并并且且留留有有改改变变气气门门升升程程的的余余地地。在在有有摇摇臂臂的的机机构构中中还还可可以以安安排排液液压压自自动动补
19、补偿偿元元件件（装装在在顶顶气气门门的的摇摇臂臂端端或或作作为为摇摇臂臂的的支支点点），从从而而取取消消气气门门间间隙隙、降降低低噪声，这对于轿车发动机也是很重要的优点。噪声，这对于轿车发动机也是很重要的优点。15.1.3 凸轮轴的传动机构凸轮轴的传动机构凸凸轮轮轴轴的的传传动动机机构构由由曲曲轴轴带带着着凸凸轮轮轴轴转转动动，还还要要使使凸凸轮轮轴轴对对曲曲轴轴保保持持一一定定的的相相位位关关系系以以保证气门适时启闭，因此常被称为正时传动机构。保证气门适时启闭，因此常被称为正时传动机构。中中小小型型发发动动机机的的正正时时传传动动机机构构大大多多布布置置在在发发动动机机的的前前端端，使使装装
20、拆拆方方便便，但但扭扭振振附加载荷和噪声较大。附加载荷和噪声较大。布布置置在在发发动动机机后后端端的的正正时时传传动动机机构构受受扭扭振振的的影影响响较较小小，但但不不便便拆拆装装，机机体体结结构构较复杂，曲轴后端尺寸较大，使凸轮轴上的正时齿轮或链轮也随之加大。较复杂，曲轴后端尺寸较大，使凸轮轴上的正时齿轮或链轮也随之加大。第十三页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题 下下置置凸凸轮轮轴轴的的传传动动一一般般用用斜斜齿齿的的圆圆柱柱齿齿轮轮
21、传传动动。下下图图为为几几种种可可能能的的柴柴油油机机下下置凸轮轴的齿轮传动方案，只画了凸轮轴和喷油泵的传动部分。置凸轮轴的齿轮传动方案，只画了凸轮轴和喷油泵的传动部分。方方案案(a)用用于于单单列列式式柴柴油油机机，由由于于喷喷油油器器和和气气门门机机构构推推杆杆分分置置于于缸缸盖盖两两侧侧，对对缸缸盖盖的的布布置置较较有有利利。方方案案(b)也也用用于于单单列列式式柴柴油油机机，所所用用齿齿轮轮数数目目最最少少，但但齿齿轮轮尺尺寸寸决决定定于于曲曲轴轴和和凸凸轮轮轴轴中中心心距距，要要比比方方案案(a)中中的的齿齿轮轮大大一一些些，使使发发动动机机宽宽度度加加大大，同同时时由由于喷油器和推
22、杆集中于缸盖一侧，进、排气道就只能于喷油器和推杆集中于缸盖一侧，进、排气道就只能都安排在另一侧了。方都安排在另一侧了。方案案(c)对缸盖设计的限制对缸盖设计的限制同同(b)一样，只是发动机一样，只是发动机宽度可较小。宽度可较小。第十四页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题 方方案案(d)是是V型型柴柴油油机机最最常常用用的的正正时时齿齿轮轮传传动动方方案案。凸凸轮轮轴轴和和喷喷油油泵泵都都布布置置在在V型型夹夹角角内内。方方案案(e)用用于
23、于有有两两根根凸凸轮轮轴轴的的V型型柴柴油油机机，两两凸凸轮轮轴轴仍仍在在V型型角角范范围围内内，但但位位置置靠靠近近缸缸体体上上端端，推推杆杆缩缩短短，气气门门机机构构的的刚刚度度较较大大。不不过过气气门门机机构构性性能能上上的的改改善善是是否否抵抵得得过过增增加加凸凸轮轮轴轴、齿齿轮轮带带来来的成本损失很值得的成本损失很值得考虑。方案考虑。方案(f)也用也用于两根凸轮轴的于两根凸轮轴的V型发动机，但凸轮型发动机，但凸轮轴布置在发动机的轴布置在发动机的外侧，接近性好，外侧，接近性好，也有少量应用。也有少量应用。第十五页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115
24、.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题发动机的正时传动齿轮通常用优质钢材制成，表面淬火或氮化，以承受发动机的正时传动齿轮通常用优质钢材制成，表面淬火或氮化，以承受冲击性交变载荷，斜齿轮传动时有轴向推力，因此无论是凸轮轴还冲击性交变载荷，斜齿轮传动时有轴向推力，因此无论是凸轮轴还是传动机构中的各中间齿轮，都需要双向定位。中间齿轮的轴应有是传动机构中的各中间齿轮，都需要双向定位。中间齿轮的轴应有足够刚度，并固紧在刚度较好的机体壁上而不是固定在齿轮盖上。足够刚度，并固紧在刚度较好的机体壁上而不是固定在齿轮盖上。图图示示为
25、为几几种种高高速速汽汽油油机机顶顶置置凸凸轮轮轴轴的的链链传传动动方方案案。在在链链条条的的松松边边要要设设张张紧紧链链轮轮或或张张紧紧压压板板，压压板板的的表表面面有有多多层层橡橡胶胶。张张紧紧力力通通过过弹弹簧簧或或液液压压自自动动调调节节。为为了了消消减减链链条条的的振振动动，还还要要在在链链条条的的边边上上设设置置滑滑轨轨，表表面面也也有有多多层层橡橡胶胶。曲轴上的链轮通常是钢制的，凸轮轴的链轮多用铸铁材料。曲轴上的链轮通常是钢制的，凸轮轴的链轮多用铸铁材料。第十六页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构
26、总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题近近年年来来有有一一些些高高速速汽汽油油机机顶顶置置凸凸轮轮轴轴采采用用齿齿形形皮皮带带传传动动。齿齿形形带带由由内内含含钢钢丝丝或或尼尼龙龙丝丝的的塑塑料料带带制制成成，不不需需要要润润滑滑，松松边边也也要要张张紧紧以以防防跳跳齿齿。齿齿形形带带传传动动的的成成本本低低而而噪噪声声小小，对对轿轿车车很很有有利利，但但传传递递扭扭矩矩较较小小，寿寿命命一一般般不不大大于于50000km，只只能能用用于于小小型高速汽油机。型高速汽油机。15.1.4 气门通过能力与配气相位气门通过能力与配气相位15.1.4.1气门通过能力的表
27、征及影响因素气门通过能力的表征及影响因素在气门开启过程中气门与气门座之间的气流通路在气门开启过程中气门与气门座之间的气流通路面积随着气门升程面积随着气门升程h的增减而变化。可以近似地的增减而变化。可以近似地认为气流通路面积就是图示的倒锥面认为气流通路面积就是图示的倒锥面式中式中d1是气门头的小端直径，是气门头的小端直径，是气门密封是气门密封锥面角，锥面角，d2和和h的含义见图。的含义见图。第十七页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题f在气门
28、开启期间的变化如图所示的曲线。在气门开启期间的变化如图所示的曲线。曲线下的面积即曲线下的面积即叫做气门的叫做气门的“开启时间开启时间-断面断面”或气门的或气门的“时面值时面值”。气门的气门的“平均开启面积平均开启面积”。时面值和平均开启面积常被用来作为气门时面值和平均开启面积常被用来作为气门通过能力的表征。在同一气流速度下，这些参数越大，进气量就越大。通过能力的表征。在同一气流速度下，这些参数越大，进气量就越大。影响气门通过能力的参数有：影响气门通过能力的参数有：气气门门直直径径dv和和气气门门最最大大升升程程hv。加加大大气气门门直直径径和和气气门门最最大大升升程程，会会使使每每一一瞬瞬时时
29、的的气气门通路都加大，门通路都加大，和和fm都加大。都加大。气气门门的的启启闭闭速速度度。对对于于dv、hv、等等尺尺寸寸一一定定的的气气门门，即即气气门门的的最最大大通通路路面面积积一一定定，若若改改变变气气门门的的启启闭闭速速度度，图图中中曲曲线线的的形形状状就就会会改改变变，也也会会影影响响气气门门通通过过能能力。气门的启闭速度越快，曲线下的面积越大，即时面值和力。气门的启闭速度越快，曲线下的面积越大，即时面值和fm越大。越大。第十八页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置
30、的一些问题有关气门机构总布置的一些问题气门口的其它设计。实际上不仅通路面积的大小对于单位时间进气量有影响，气门口的其它设气门口的其它设计。实际上不仅通路面积的大小对于单位时间进气量有影响，气门口的其它设计情况（如进气门头部向杆身过渡部分的形状设计、气门座内孔形状设计计情况（如进气门头部向杆身过渡部分的形状设计、气门座内孔形状设计）也影响气体流）也影响气体流动阻力，从而影响气门的实际通过能力。动阻力，从而影响气门的实际通过能力。15.1.4.2气门直径和最大升程的确定气门直径和最大升程的确定1、气门直径、气门直径一般说来，气门直径要在结构布置允许的限度内尽可一般说来，气门直径要在结构布置允许的限
31、度内尽可能取大些。限制的主要因素有：能取大些。限制的主要因素有：燃烧室型式；燃烧室型式；缸缸盖盖中中进进、排排气气道道之之间间，以以及及气气道道与与涡涡流流燃燃烧烧室室、喷喷油油器器之之间间，都都应应有有足足够够的的冷冷却却水水流流通道；通道；气门头边缘与气缸孔或燃烧室壁面之间应有一定距离，以免气流不畅。气门头边缘与气缸孔或燃烧室壁面之间应有一定距离，以免气流不畅。以以直直喷喷式式柴柴油油机机为为例例，在在气气缸缸孔孔范范围围内内布布置置气气门门应应考考虑虑的的一一些些限限制制条条件件示示于于上上图图中中，图图中中1是是喷喷嘴嘴孔孔边边缘缘，2是是进进气气门门头头部部外外圆圆，3是是进进气气门
32、门座座圈圈外外圆圆，4是是排排气气门门座座圈外圆，圈外圆，5是排气门头部外圆，是排气门头部外圆，6表示活塞顶上燃烧室凹穴的边缘。表示活塞顶上燃烧室凹穴的边缘。第十九页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题为了在有限的气缸面积内安排较大的进气门通路，通常都把排气门直径取得为了在有限的气缸面积内安排较大的进气门通路，通常都把排气门直径取得相对小一些，但考虑到泵气损失，排气门也不能过小。相对小一些，但考虑到泵气损失，排气门也不能过小。现有汽车发动机
33、的排气门直径与进气门直径之比大多在现有汽车发动机的排气门直径与进气门直径之比大多在0.82-0.88之间。之间。2、气门的最大升程、气门的最大升程hv 原原则则上上气气门门全全开开时时气气流流通通路路面面积积如如果果大大于于气气门门口口通通路路面面积积就就没没有有影影响响了了。即即hv只要大到能使只要大到能使成成立立。hs是是气气门门杆杆直直径径。因因dh稍稍大大于于d1，可可认认为为。按按上上式式，当当就够了。就够了。据统计，汽车发动机进气门的据统计，汽车发动机进气门的hv大多在大多在0.26-0.28之间，排气门的之间，排气门的hv大大多在多在0.3-0.35之间，进气门的之间，进气门的h
34、v总是小于或等于排气门的。总是小于或等于排气门的。第二十页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题实际上在设计时把进气门的实际上在设计时把进气门的hv取得比排气门的小一些是比较合理的。这是因为气门取得比排气门的小一些是比较合理的。这是因为气门在开启期间的平均运动速度在开启期间的平均运动速度vv hvn/（此处（此处是气门开启延续时间所对应的曲轴转角度是气门开启延续时间所对应的曲轴转角度数，延续时间数，延续时间/n），其平均运动加速度），其平均运
35、动加速度jv hvn2/2，平均惯性力，平均惯性力Pjv mvjv dv3hvn2/2，而气门机构的振动强度和构件应力水平大体上可以说，而气门机构的振动强度和构件应力水平大体上可以说正比于正比于jv和和Pjv。鉴于进气门的直径大于排气门，而进气门的开启延续角度又。鉴于进气门的直径大于排气门，而进气门的开启延续角度又大多比排气门的小大多比排气门的小10-20曲轴转角，如果设计时对于发动机的进气门机构曲轴转角，如果设计时对于发动机的进气门机构和排气门机构要求同等的振动强度和构件应力水平，则进气门的最大升程和排气门机构要求同等的振动强度和构件应力水平，则进气门的最大升程是应该比排气门的最大升程小一些
36、。是应该比排气门的最大升程小一些。15.1.4.3配气相位配气相位配气相位对于换气质量、泵气损失、充气系数、扭矩外特性、怠速稳配气相位对于换气质量、泵气损失、充气系数、扭矩外特性、怠速稳定性、有害排放等方面都有很大的影响，是需要通过调整试验加定性、有害排放等方面都有很大的影响，是需要通过调整试验加以优选的，也可以利用循环模拟作些预测。以优选的，也可以利用循环模拟作些预测。第二十一页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.115.1 有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题有关气门机构总布置的一些问题现现有有的的nmax0.
37、5，发发动动机机的充气系数将大为减小，故以的充气系数将大为减小，故以M0.5为界限。为界限。为为了了尽尽可可能能提提高高进进气气口口平平均均流流量量系系数数，以以降降低低进进气气口口马马赫赫数数M，在在结结构构设计上要注意以下几点：设计上要注意以下几点：第三十二页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.4 15.4 气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料进气门的升程直径比宜取为进气门的升程直径比宜取为0.25-0.28；进进气气门门头头的的外外径径到到气气缸缸壁壁（或或燃燃烧烧室室壁壁
38、）的的最最小小距距离离不不小小于于0.03D，同同一一气缸的两进气门头之间的最近距离不小于气缸的两进气门头之间的最近距离不小于0.12D；进气门头部以进气门头部以20左右的背锥面和较大半径的曲面向气门杆圆滑过渡；左右的背锥面和较大半径的曲面向气门杆圆滑过渡；进气门座的内孔宜加工成曲面，喉口直径进气门座的内孔宜加工成曲面，喉口直径dh 宜比气门头小端直径宜比气门头小端直径d1大出（大出（0.8-1.5）mm。排气门通过能力对发动机性能的影响较排气门通过能力对发动机性能的影响较 小。故在排气门数目与进气门数目相同时，小。故在排气门数目与进气门数目相同时，取排气门直径小于进气门，而且排气门座取排气门
39、直径小于进气门，而且排气门座 孔不加工成曲面，排气门头部到杆身的过孔不加工成曲面，排气门头部到杆身的过 渡弧半径也小于进气门，排气门头的底面渡弧半径也小于进气门，排气门头的底面 或是平面或稍向外凸起。或是平面或稍向外凸起。第三十三页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.4 15.4 气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门头与气门座的密封气门头与气门座的密封气气门门头头和和气气门门座座以以锥锥面面贴贴紧紧，靠靠气气门门弹弹簧簧预预紧紧力力和和缸缸内内气气压压力力压压紧紧以以保保持持
40、密密封封。如如果果因因气气门门座座及及气气门门头头部部变变形形或或者者因因锥锥面面上上有有未未清清除除的的积积炭炭而而密密封封不不良良，则则将将导导致致漏漏气气、气气门门过过热热以以至至于于烧烧损损，因因此此保保证证密密封封是是个个重重要问题。要问题。气门气门锥面角的确定锥面角的确定如如图图，作作用用于于锥锥面面的的法法向向力力和和磨磨擦擦力力二二者者在在气气门门中中心心线线方方向向的的分分力力之之和和与与弹弹簧簧预预紧紧力力及及气气门门头头所所受受气气体体作作用用力力之之和和相相平平衡衡。在在弹弹簧簧预预紧紧力力及及气气体体作作用用力力相相同同时时，锥锥面面角角越越小小则则密密封封力力越越小
41、小，这这有有利利于于减减小小密密封封面面的的摩摩擦擦磨磨损损，但但不不利利于于挤挤碎碎积积炭炭保保证证密密封封。较较小小的的锥锥面面角角还还使使气气门门开开启启初初期期同同一一气气门门升升程程下下的的气气流流通通过过面面积积较较大大，有有助助于于提提高高气气门门口口平平均均流流量量系系数数。所所以以排排气气门门和和非非增增压压发发动动机机进进气气门门的的锥锥面面角角一一般般都都取取为为45，增增压压发发动动机机的的进进气气门门则则常常取为取为30 第三十四页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.4 15.4 气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与
42、材料气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门座锥面角的确定气门座锥面角的确定气气门门座座的的锥锥面面角角通通常常加加工工得得比比气气门门头头锥锥面面角角大大0.51，然然后后通通过过配配对对研研磨形成宽磨形成宽1.02.0mm的密封带。密封带宽些有利于散热而不利于密封。的密封带。密封带宽些有利于散热而不利于密封。气门的冷却和热负荷气门的冷却和热负荷气门头部朝向气缸的顶面受热，通过气门座气门头部朝向气缸的顶面受热，通过气门座和气门导管散热。经过气门座传出的热量和气门导管散热。经过气门座传出的热量约占约占75%。排气门的最高温度一般在排气门的最高温度一般在600以上，汽油以
43、上，汽油机排气门可能高达机排气门可能高达800以上，是发动机中以上，是发动机中热负荷最严重的零件。考虑到钢材的强度热负荷最严重的零件。考虑到钢材的强度极限随着温度的上升而下降，必须尽可能极限随着温度的上升而下降，必须尽可能降低气门温度以提高其可靠性。降低气门温度以提高其可靠性。第三十五页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.4 15.4 气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料在结构设计上有助于降低气门温度的一般性措施有：在结构设计上有助于降低气门温度的一般性措施有：导导管管尽尽可可能
44、能靠靠近近气气门门头头部部；即即喉喉口口深深度度H要要尽尽量量小小以以减减少少受受热热面面积积，当当然然过小会影响气流；过小会影响气流；气气门门座座与与气气缸缸盖盖的的配配合合要要保保证证在在热热态态仍仍有有一一定定过过盈盈以以利利传传热热；这这也也是是防防止止气门座脱落所必需的；气门座脱落所必需的；气气缸缸盖盖的的冷冷却却水水套套尽尽量量靠靠近近气气门门座座和和气气门门导导管管，同同时时加加强强两两气气门门之之间间“鼻鼻梁区梁区”的冷却；的冷却；同同一一气气缸缸的的两两排排气气门门头头外外圆圆间间的的最最小小距距离离不不要要小小于于0.13D，进进气气门门头头和和排排气门头之间的最小距离不小
45、于气门头之间的最小距离不小于0.12D；气门头不要过薄，一般取为（气门头不要过薄，一般取为（0.10.12）dv。第三十六页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.4 15.4 气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料每缸每缸4气门的优点：有助于降低气门的热负荷，因为每一气门的受热面气门的优点：有助于降低气门的热负荷，因为每一气门的受热面积减少了，到气门座的传热距离也减小了。积减少了，到气门座的传热距离也减小了。钠冷却的气门：在强化程度很高的赛车、军车发动机里，当一钠冷却的气门：在强化程
46、度很高的赛车、军车发动机里，当一般措施还不能把排气门温度降到允许界限之内时，常采用中空般措施还不能把排气门温度降到允许界限之内时，常采用中空气门，充入熔点为气门，充入熔点为98的金属钠，或钾和钠的混合物。发动机工作的金属钠，或钾和钠的混合物。发动机工作时充入物成液态，在气门中晃荡，有助于气门头向较冷的杆部散热。但时充入物成液态，在气门中晃荡，有助于气门头向较冷的杆部散热。但气门成本高。气门成本高。气门的材料气门的材料气门材料应能在气门工作温度下保持高的强度并耐腐蚀。气门材料应能在气门工作温度下保持高的强度并耐腐蚀。进进气气门门工工作作温温度度较较低低，一一般般用用含含有有少少量量Ni、Cr、S
47、i的的低低合合金金钢钢，如如40Cr、38CrSi、4Cr9Si2等。等。第三十七页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.4 15.4 气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料排气门材料则有下列两类：排气门材料则有下列两类：马马氏氏体体钢钢，可可用用于于工工作作温温度度低低于于650的的排排气气门门，其其工工艺艺性性好好，也也较较耐耐磨磨耐腐蚀，膨胀系数小。耐腐蚀，膨胀系数小。奥氏体钢，允许最高工作温度到奥氏体钢，允许最高工作温度到880，抗蚀，但耐磨性不及马氏体钢，抗蚀，但耐磨性不及
48、马氏体钢，膨胀系数也较大，价格较高。膨胀系数也较大，价格较高。组合气门：由于气门头部和杆身的温度水平不同，杆身应有良好的摩擦组合气门：由于气门头部和杆身的温度水平不同，杆身应有良好的摩擦磨损特性，有些发动机采用不同材料制成排气门的头部（用奥氏体钢）磨损特性，有些发动机采用不同材料制成排气门的头部（用奥氏体钢）和杆身（用马氏体钢），焊接成一体。和杆身（用马氏体钢），焊接成一体。气门的表面处理：有些发动机的进、排气门进行盐浴氮碳共渗处理（俗气门的表面处理：有些发动机的进、排气门进行盐浴氮碳共渗处理（俗名黑色液体软氮化），在表面形成化合层和黑色氧化膜，可提高表面硬名黑色液体软氮化），在表面形成化合层
49、和黑色氧化膜，可提高表面硬度，提高耐磨耐蚀性能和疲劳强度。度，提高耐磨耐蚀性能和疲劳强度。第三十八页，编辑于星期六：十六点 五十九分。15.15.气门机构气门机构15.4 15.4 气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气门机构主要零部件的结构与材料气气门门杆杆端端面面与与摇摇臂臂滑滑擦擦，应应有有很很高高的的耐耐磨磨性性，HRC大大于于50。气气门门头头部部密密封封锥锥面面也也应应有有较较高高的的高高温温硬硬度度。这这两两处处通通常常要要淬淬火火（马马氏氏体体钢钢）或或堆堆焊焊硬硬质质合合金金层层，也也有有利利用用激激光光使使涂涂在在表表层
50、层的的硬硬质质金金属属粉粉末末与与基基体体互互熔熔而而形成合金化表层的。形成合金化表层的。气门杆的润滑及其它气门杆的润滑及其它气气门门杆杆端端面面与与摇摇臂臂之之间间和和气气门门杆杆与与导导管管之之间间需需要要润润滑滑。润润滑滑油油一一般般是是通通过过中中空空的的摇摇臂臂轴轴或或中中空空的的推推杆杆，再再经经摇摇臂臂中中的的油油孔孔送送到到这这两两处处的的。润润滑滑应应充充分分，但但也也不不可可过过多多。为为了了控控制制润润滑滑油油量量，气气门门杆杆与与导导管管的的间间隙隙要要适适当，还有不少发动机在气门导管上端套一个橡胶挡油罩。当，还有不少发动机在气门导管上端套一个橡胶挡油罩。气门杆上装锁夹