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摘要： 配气机构是柴油发电机进气和排气的控制机构，它按照柴油发电机各气缸工作次序，通过控制进气门和排气门的开启和关闭来保证在规定的时间内有足够的新鲜空气进入气缸，并把燃烧后的废气从气缸内尽可能彻底地排出。本文主要介绍柴油发动机配气机构的分类、气门组件和传动组件的结构与作用。

 

一、配气机构的分类

 

配气机构通常有气门式和气孔式两种型式。气门式配气机构由凸轮驱动气门以控制进排气过程，是四冲程柴油发电机常用的一种型式，如图1所示；而气孔式配气机构是在气缸中间开有进排气孔并通过活塞的控制进排气过程，这种机构在二冲程柴油发电机上应用较多。目前，四冲程发动机最常用的是气门式配气机构。气门式配气机构又分为侧置式和顶置式两类。

1. 气门式配气机构

（1）基本工作原理

气门式配气机构通过凸轮驱动气门，按配气相位规定的时刻开启和关闭进排气门，从而控制新鲜空气进入气缸与废气排出气缸的过程。

（2）主要组成

气门式配气机构主要由气门组件、气门传动组件以及驱动凸轮的正时齿轮等组成。气门组件负责密封与换气，传动组件负责将凸轮的运动传递给气门。

（3）在四冲程柴油机中的地位

四冲程柴油机的进气与排气分别在两个不同的行程中进行，必须依靠气门的定时开闭来实现，因此气门式配气机构是四冲程柴油机普遍采用的型式。

2. 气孔式配气机构

（1）基本工作原理

气孔式配气机构是在气缸中间开有进排气孔并通过活塞的控制进排气过程。

（2）在二冲程柴油机上的应用

这种机构在二冲程柴油机上应用较多。二冲程柴油机的换气过程在活塞接近下止点时进行，活塞本身即可控制气孔的开启与关闭，无需单独的气门机构。

（3）特点

气孔式结构相对简单、零件数量少，但换气质量受活塞位置与扫气方式的限制，废气的彻底排出不如气门式机构。

3. 侧置式气门机构

（1）结构特点

侧置式气门机构的进排气门都布置在气缸体的一侧，它是通过凸轮轴推动挺柱和推杆来控制气门开启和关闭。

（2）适用场合

侧置式气门机构一般适用于单缸柴油发电机。

（3）局限性

由于气门布置在气缸体一侧，燃烧室形状受到限制，进气效率与燃烧质量不如顶置式，因此在多缸机与高强化柴油机上应用较少。

4. 顶置式气门机构

（1）基本组成

顶置式气门机构是柴油发电机使用最广泛的，它主要由气门组件、气门传动机件、进排气系统和柴油发电机增压系统组成，如图2所示。

（2）应用广泛的原因

顶置式气门机构的燃烧室紧凑、进气阻力小、有利于提高充气效率，因而在现代柴油发电机上得到普遍采用。

（3）与侧置式的比较

与侧置式相比，顶置式的气门直接布置在气缸盖上，进排气道可以设计得更为顺畅，气流阻力更小；同时燃烧室可以设计得更为紧凑，有利于改善燃烧过程。

（4）按凸轮轴数量的分类

顶置式气门机构按凸轮轴数量又可分为单顶置凸轮轴（SOHC）与双顶置凸轮轴（DOHC）两种。单顶置凸轮轴由一根凸轮轴同时驱动进气门与排气门；双顶置凸轮轴则分别用一根凸轮轴驱动进气门、另一根驱动排气门，更便于多气门结构的布置。

 

图1  四冲程柴油机配气机构示意图

图2  顶置式配气机构结构原理图

 

二、气门组件的结构及功用

 

气门组件主要是用来密封柴油发电机的进气道和排气道，并保证柴油发电机正常换气。其主要组成部件是气门、气门弹簧、气门导管、气门座圈及锁紧装置等。气门组件在整个柴油发电机中的润滑和冷却条件极差，且受到交变载荷的冲击和高温、腐蚀等的影响，因此这部分零件极易发生故障。气门组件损坏后，柴油发电机会出现很多故障现象，例如油耗增加、功率降低、起动困难和排烟异常等。

1. 气门

（1）气门的分类与功用

气门分进气门和排气门。气门的功用是密封燃烧室，并使柴油发电机的各气缸得到正常换气。

（2）气门的结构

气门主要由头部和杆部两部分构成。气门头部的形状有平顶、凸顶和凹顶，目前使用较多的是平顶，这主要是因为平顶气门的头部形状简单、制造方便，受热面积小等特点。

（3）进排气门头部的差异

柴油发电机为了提高燃烧室内的进气量，进气门的头部一般做的比排气门大，因为增大进气门可以减小进气阻力，增大进气量，这比增大排气门减小排气阻力更为有效。

（4）密封锥面斜角的差异

气门密封锥面的斜角也不同，进气门一般采用30°的斜角，排气门一般采用45°的斜角。进气门的锥面采用30°的斜角，主要是因为较小的锥面斜角可使气流通过断面的流量增大。

（5）多气门结构

现代发动机普遍采用多气门结构（3～5气门，如图3~5所示），且多将同名气门排成一列，分别用进气凸轮轴和排气凸轮轴驱动。

 

图3  三气门结构图

图4  四气门结构图

图5  五气门结构图

 

2. 气门导管

（1）作用

气门导管给往复运动的气门起着导向的作用，并保证气门头部准确地落在气门座上，同时还能够把气门的部分热量传出去。

（2）材料与工作条件

气门导管一般采用铸铁铸成，由于它在高温和润滑条件较差的环境下工作，所以该部件较易出现磨损现象。

（3）配合间隙的要求

气门导管与气门杆部在长期的相对运动的磨损中，易使两者之间的配合间隙增大。正常情况下，进气门与导管的间隙为0.09左右，排气门与导管的间隙约为0.12mm，当间隙增大到极限值0.26mm时，气门导管与气门应成对换新。

（4）间隙过小的后果

若装配时间隙过小，则易出现气门卡死现象。

3. 气门座圈

（1）作用

气门座圈是为往复运动的气门而设计的，它与气门一起用来密封燃烧室。

（2）材料与装配

气门座圈一般采用耐热铸铁制造，并压入气缸盖中心。

（3）常见损伤

气门座圈长期受到气门的连续冲击和高温、高压气体的腐蚀，在使用过程中特别容易发生故障。在长期的工作中气门座圈的锥面容易产生麻点、凹坑、座圈缩短和磨损变宽等现象。

（4）损伤后果

座圈锥面产生麻点或磨损变宽后，气门与座圈之间的密封性下降，会造成压缩压力不足、启动困难与功率下降。

4. 气门弹簧

（1）功用

气门弹簧的功用是克服在气门关闭过程中气门及传动件的惯性力，防止各传动件之间的惯性的作用产生间隙。保证气门及时坐落并紧密接触，防止气门在发动机震动时发生跳动，破坏其密封性。

（2）材料与加工

气门弹簧多为圆柱型螺旋弹簧，其材料为高碳锰钢冷拔钢丝，加工后热处理，钢丝表面要磨光、抛光或用喷丸处理。为了防止生锈，表面镀锌。

（3）安装方式

气门弹簧的一端支承在气缸盖或气缸体上，而另一端则压靠在气门杆端的弹簧座上，弹簧座用锁片固定在气门杆的末端。

（4）弹簧失效的后果

气门弹簧若出现断裂或弹力减弱，会造成气门关闭不严或落座不及时，进而引发异响、功率下降甚至气门碰活塞。

 

三、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。

1. 凸轮轴

（1）功用与组成

凸轮轴是配气机构的关键部件，由它控制气门的配气相位，有些发动机还用来驱动机油泵、柴油泵和分电器。凸轮轴主要由进排气凸轮、支撑轴、正时齿轮轴、柴油泵偏心凸轮、机油泵及分电器驱动齿轮等组成的。

（2）凸轮相对角位置的要求

为了保证配气机构正常工作，凸轮在凸轮轴上的相对角位置有严格的要求。同一缸的各排气凸轮的相对角位置，保证一个工作循环中的配气相位；各缸进气（或排气）凸轮的相对角位置，则应与发动机的点火次序相一致。因此，只要知道了凸轮轴的旋转方向，以及各进气凸轮（或排气凸轮）的工作次序，就不难判断发动机的点火次序。对四缸四行程发动机的凸轮轴，其同名凸轮间的夹角为90°；四行程六缸发动机同名凸轮间的夹角为360°/6=60°。

（3）驱动与正时记号

凸轮轴通常由曲轴通过一对正时齿轮驱动，在装配曲轴和凸轮轴时，必须将正时记号对准，以保证正确的配气相位和发火时刻。

（4）轴向定位

为了防止凸轮轴的轴向移动，凸轮轴必须有轴向定位装置。现代发动机的凸轮多采用止推凸缘定位装置，即将止推凸缘装在凸轮轴第一道轴颈前的凸台上，凸台比止推凸缘厚，以保证止推凸缘与正时齿轮之间的轴向间隙符合规定（一般为0.05~0.10mm）。

（5）材料与热处理

凸轮轴的材料一般用优质钢模锻而成，也可以采用合金铸铁或球墨铸铁铸造，凸轮和轴径的工作表面一般经过热处理后精磨，以改善耐磨性。

（6）单顶置与双顶置凸轮轴

根据顶置凸轮轴的个数，分为单顶置凸轮轴（SOHC）和双顶置凸轮轴（DOHC）两种，分别如图6、图7所示。

 

图6  单顶置凸轮轴示意图

图7  双顶置凸轮轴示意图

 

2. 气门挺柱

（1）功用

挺柱的功用是将凸轮的推力传给推杆（或气门杆），并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。

（2）侧置式与顶置式的差异

对于气门侧置式配气机构，其挺柱一般做成菌式，在挺柱的顶部装有调节螺钉，用来调节气门间隙。气门顶置式配气机构的挺柱一般制成筒式，以减轻重量。

（3）滚轮式挺柱

滚轮式挺柱的优点是可以减小摩擦所造成的对挺柱的侧向力。这种挺柱结构复杂，重量较大。一般多用于大缸径柴油机上。

（4）材料与安装

挺柱常用镍铬合金铸铁或冷激合金铸铁制造。其摩擦表面应经热处理后精磨。有的发动机的挺柱直接装在气缸体上相应处钻出的导向孔中，也有的发动机的挺柱装在可拆式的挺柱导向体中。

3. 推杆

（1）作用

推杆的作用是将从凸轮轴经过挺柱传来的推力传给摇臂，它是气门机构中最易弯曲的零件。

（2）刚度要求

要求有很高的刚度，在动载荷大的发动机中，推杆应尽量地做得短些。

（3）材料选择

对于缸体与缸盖都是铝合金制造的发动机，其推杆最好用硬铝制造。

（4）结构形式

推杆可以是实心，或空心的。钢制实心推杆，一般是同球形支座锻成一个整体，然后进行热处理。

4. 摇臂与摇臂轴

（1）摇臂的作用

摇臂实际上是一个双臂杠杆，用来将推杆传来的力改变方向，作用到气门杆端以推开气门。

（2）摇臂比

摇臂的两边臂长的比值（称为摇臂比）约为1.2～1.8，其中长臂一端是推动气门的。

（3）接触面的设计

端头的工作表面一般制成圆柱形，当摇臂摆动时可沿气门杆端面滚滑。这样可以使二者之间的力尽可能沿气门轴线作用。

（4）润滑与气门间隙调节

摇臂内还钻有润滑油道和油孔。在摇臂的短臂端螺纹孔中旋入用以调节气门间隙的调节螺钉，螺钉的球头与推杆顶端的凹球座相接触。

（5）摇臂轴的结构与润滑

摇臂通过衬套空套在摇臂轴上，而后者又支承在支座上，摇臂上还钻有油孔。摇臂轴为空心管状结构，机油从支座的油道经摇臂轴内腔和摇臂中的油道流向摇臂两端进行润滑。

（6）定位弹簧

为了防止摇臂的窜动，在摇臂轴上每两摇臂之间都装有定位弹簧。

 

 

总结

本文围绕柴油发电机配气机构的分类、气门组件与传动组件展开，说明配气机构按型式分为气门式与气孔式，四冲程柴油机多采用气门式，其中顶置式因燃烧室紧凑、进气阻力小而应用最广。气门组件由气门、气门导管、气门座圈、气门弹簧及锁紧装置组成，工作条件恶劣，易出现磨损、麻点、弹簧断裂等故障，进而引起油耗增加、功率降低、起动困难与排烟异常。气门传动组由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂与摇臂轴组成，其作用是使进排气门按配气相位规定的时刻开闭并保证足够开度。其意义在于：配气机构的工作状态直接决定气缸能否在规定时间内获得足够新鲜空气并彻底排出废气，凸轮轴的相对角位置、正时记号的对准、气门间隙的调整以及各配合间隙的控制，都是保证配气相位准确的关键。理解气门组件的结构特点与传动组件的作用关系，有助于在机组出现启动困难、功率下降或排烟异常时，判断问题是否出在配气机构环节，并通过检查间隙、弹簧与正时关系，恢复配气机构的正常功能，从而保障柴油发电机的动力性能与运行可靠性。

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