配气机构论文

配气机构常见故障诊断与排除

摘要 本论文阐述配气机构的作用、组成、主要构造、工作原理、故障的检测步骤和 排除方法，同时论述了各类配气机构的优缺点，以及配气机构运用的最新技术及配

气机构的发展趋势。

关键词：配气机构

配气相位

各类配气机构特点

1 绪 论

发动机的配气机构就好比人体的呼吸系统，进排气的机械动作就有 如人体的呼吸气。尽管配气机构的作用相当于人体的呼吸器官，但是它 的作动原理以及构造却相对要复杂许多 人体呼吸作用是指让氧气通过呼吸道进入到体内，使细胞在氧气的 参与下经过体内酶的催化转换，将糖类、脂肪类以及蛋白质等有机物彻 底氧化分解产生出二氧化碳和水，同时释放出大量能量供肌体活动的过 程。通常我们所提到的呼吸都是指有氧呼吸，而有氧呼吸也是大多数生 物体的主要呼吸形式。实际上，除了生物需要做有氧呼吸外，汽车也同 样如此。表面看来，汽车虽然是一台冰冷的钢铁机器，但是通过将各种 电子设备以及功能零部件进行叠加，汽车已俨然具有了生物所特有的灵 性。 汽车的构成部件中，发动机的配气机构是非常重要的一个组成部分， 它的作用和人体的呼吸器官一样掌控着氧气的进入， 对于能否做功拥有决 定权，不过它的工作环境可比呼吸器官严酷多了——油污、高温、高压， 毫不

夸张的说简直有如炼狱。 配气机构的主要功能是按照一定时限自动开 启和关闭各气缸的进、排气门。它的作用则是空气及时通过进气门向气缸 内供给可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）。并且及时将燃烧做 功后形成的废气从排气门排出，实现发动机气缸换气补给的整个过程。

2 配气机构的概述

2.1 配气机构的作用

配气机构的功用是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和发火 次序的要求，定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜充量得以及 时进入气缸，废气得以及时从气缸排出；在压缩与膨胀行程中，保证燃 烧室的密封。新鲜充量对于汽油机而言是汽油和空气的棍合气，对于柴 油机而言是纯空气。

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2.2 配气相位

配气相位就是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时 间，用下图表示配气相位。

理论上，进气、压缩、做功、排气、四行程各占 180，发动机曲轴转速很 高，活塞每个行程的历时都很短，不能满足发动机对进气、排气的要求。所 以实际配气相位克服了缺点，使进气更充足，排气更干净。 实际配气相位分析

改进方法 气门 早开 晚闭 进气 进气门早开，可使进 气一开始就有较大的 通道面积，增加进气 量，活塞到达下止点 由于进气吸力的存 在，

在大气压作用下 可以增加进气量 气门 重叠 排气 做功行程即将时， 排气门打 开， 利用做功的余压使废气 高速冲出气缸， 活塞到达上 止点， 缸内废气压力仍高于 大气压，加之排气气流惯 性，排气门晚关，使废气排 的更干净 可燃混合气与废气 不会乱串同时使废 气排放更彻底 结果 气门早开晚关， 能增 加进气量， 排气门早 开晚闭， 可使排气干 净

由于混合气流动惯性较大， 在短时间内保持原来的 流动方向，只要气门重叠角选择合适，就不会产生 可燃混合气和废气倒流现象。 2

3. 发动机配气机构的大体构成以及分类

3.1 发动机配气机构的大体构

除了要负责完成发动机各气缸的进气和排气，配气机构同时还要保 持整个工作状态的准确动作和工作环境的高度密封。配气机构一般由凸 轮 轴 、正时齿轮、气 门 推 杆 、挺 柱 、气 门 摇 臂 、摇 臂 控 制 轴 、气 门 导 管 以 及气门等部件构成。在这些构成部件中，气门摇臂和推杆由于无法适应 大部分发动机紧凑化发展的需要，目前已经越来越少采用了取而代之的 是 液 力 挺 柱 （ 如 图 3-24） 。 采 用 液 力 挺 柱 ， 可 消 除 配 气 机 构 中 的 间 隙 ， 减小各零件的冲击载荷和噪声。同时，凸轮轮廓比较陡，气门开启和关 闭 更 快 ，以 减 小 进 、排 气 阻 力 ，改 善 发 动 机 的 换 气 ，提 高 发 动 机 的 性 能 ， 提高加速性。

3.2 发动机配气机构的分类

3.2.1 按 凸 轮 轴 的 布 置 位 置 分 类 可 分 为 顶 置 式 （ 如 图 3-2、3-3） 中 置 式 、 侧 置 式 、 和 下 置 式 （ 如 图 3-

1）。由 于 中 置 式 和 下 置 式 在 结 构 上 距 气 门 较 远 ，所 以 通 常 辅 以 气门推杆对气门进行控制，目前这两种布置方式仅应用于一些大型发动 机。 3.2.2 按 气 门 布 置 方 式 分 可分为气门顶置和气门侧置式；此外，进、排气门的数量可分为每 缸 3 气 门 （2 进 1 排 ） 、4 气 门 （ 2 进 2 排 ） 和 5 气 门 （ 3 进 2 排 ） 。

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3.2.3 按 曲 轴 和 凸 轮 轴 的 传 动 方 式 分 可分为齿轮传动式、链条传动式和橡胶齿带（同步带）传动式三大 类。 3.2.4 根据气门间隙的可调性分： 分为可调整和不可调整的。 一般下置式和中置式凸轮轴采用可调气门间隙的所用的零部件不同，一 般中、下置采用的零件多数是可调气门间隙的包括：正时齿轮、凸轮轴、同 步链或同步带、张紧轮、挺柱、推杆、摇臂（调整螺钉）及摇臂轴 上置式凸轮轴多采用不可调气门间隙式的但是也有可调气门间隙的。可 调式的零件：正时齿轮、凸轮轴、同步链或同步带、张紧轮、摇臂（调整螺 钉）及摇臂轴 不可调式的零件：正时齿 轮、凸轮轴、同步链或同步带、张紧轮、液力 挺柱

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4 各类配气机构的优缺点总结

4.1 凸轮轴布置形式分类配气机构优缺点

4.1.1 凸轮轴下置式（如图 3-1） 优点：凸轮轴离曲轴较近，可用齿轮驱动，传动简单，传动效率高 缺点：气门与凸轮轴距离远，气门传动件多，结构复杂，系统弹性变形 大、影响配气准确性。 4.1.2 凸轮轴中置式 优点：与下置凸轮轴相比，省去了推杆，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇 臂，减小了气门传动机构的往复运动质量，适应更高速的发动机。 4.1.3 凸轮轴顶置式 优点：在 设 计 上 它 没 有 挺 柱 、摇 臂 和 推 杆 ，直 接 通 过 凸 轮 轴 上 的 凸 轮 来驱动气门开闭，这不仅在结构上大大简化，同时使凸轮轴在旋转中的 负荷相应减小，并且对于凸轮轴和气门弹簧的要求也降到了最低。从维 修角度来看，这也降低了成本。所以目前这种结构的配气机构越来越多 出现在各种类型的发动机上。此外，从物理特性上来说，凸轮轴和气门 顶置的好处不仅在于进、排气通道拐弯少、气流阻力小，而且气体的进 出也更加通畅。如此一来，气门的布置和燃烧室的结构也更紧凑，有利 于混合气体形成涡流帮助燃烧，对动力性和经济性都有很大的提升。 缺点：一是凸轮轴必须装在气缸盖上，这使得气缸盖的设计变得复杂， 对强度和刚度的要求也提高了。同时，对于缸径较小的柴油机来说，凸轮轴 的上置将给喷油器的安装带来困难。 二是凸轮轴离曲轴中心线距离变远，使得正时传动机构也变得复杂。近 年来齿形皮带传动技术业已成熟，因此凸轮轴上置所带来的困难就不那么突 出了，而它的优点确实是凸轮轴下置、中置所无法替代的。

4.2 按凸轮轴与曲轴传动方式分类的配气机构优缺点

4.2.1 齿轮传动式

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凸轮轴下置、中置式配气机构常用。传动效率高，但结构复杂，不便于 维修 4.2.2 链条传动式 优点：布置容易，若传动距离较远时，还可用两级链传动。 缺点：传动噪音大，链的可靠性和耐久性不良 4.2.3 齿带传动式 优点：传动噪音小，齿带的强度较好，齿带的张力可以由张紧轮进行调 整。这种传动方式可以减小噪声，减少机构质量和降低成本。

凸轮轴各种布置与传动方式的比较 凸轮轴布置形式 与曲轴距离 与气门距离及操纵 传动方式 特点 凸轮轴上置 远 近可直接操纵 齿形皮带 往复惯性质量最小， 正时机构复杂 凸轮轴下置 近 远可间接操纵 一对齿轮 往复惯性质量最大正 时机构简单 凸轮轴中置 凸轮轴中置 中 中可间接操纵 一对齿轮再加中间轮 介于两者之间

4.3 按 气 门 布 置 方 式 分 类 的 配 气 机 构 优 缺 点 传统发 动机都采用每缸两气门(一个进气门，一个排气门) 。为了改善发 动机的充气性能，应尽量加大气门的直径，但由于气缸的限制，气门的直径 不能超过气缸直径的一半。当每缸采用四气门时，气门的排列方式有两种： 一种是同名气门排成两列，由一根凸轮轴通过 T 形驱动杆同时驱动。另一种 是同名气门排成一列，这种结构在组织进气涡流、保证排气门及缸盖热负荷 均匀等方面都具有优越性，但一般需要两根凸轮轴，结构较复杂

5. 故障案例分析

5.1 气门间隙过大

故障现象：一辆丰田皇冠 2.8 轿车，V6 发动机，顶置凸轮轴，可调气门间隙 式配气机构，行驶里程 10 万 km,汽车行驶无力，汽车抖动，发动机不易启动， 排气管有火星窜出。发动机在低转速时发出有节奏的嗒嗒声，随着发动机的 转速增高，响声也随着增高，在中速以上的时候响声变得模糊嘈杂。

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原因分析: 因为进排气门开启时刻不准时造成的；也有可能是凸轮、摇臂、挺柱和 推杆磨损、造成气门间隙过大；或者气门间隙太小造成气门密封不严。 故障原因为气门间隙太大，造成气门在开启时气门传动组的零件与气门 间产生冲击造成的声响 5.1.3 处理办法： 如果零部件磨损可进行更换，并且重新调整气门间隙。如果只是气门间 隙出现问题则只需对其进行调整即可。 5. 1.4 气门间隙调整方法 分为两种：一种是逐缸调整法；一种是两边调整法 气门间隙：指气门完全关闭时气门杆尾端与气门传动零件间的间隙。 5.4.1 逐缸调整法的要领 1．摇转曲轴，找准第 1 缸压缩上止点位置。 2．检查进、排气门杆与摇臂间隙。若不符合技术要求应予以调整。 调整时，先旋松锁紧螺母，旋出调整螺钉；在气门杆与摇臂间插入厚度与 气门间隙相等的塞尺，边拧进调整螺钉，边来回抽动塞尺，至抽动塞尺能抽 又有阻力时，锁紧螺母；最后，复查一次。 3．按工作顺序，摇转曲轴 120°（6 缸机） ，依次使下一缸处于压缩上止 点位置，调整该缸进、排气门间隙。 5.

4.2 二次调整法的要领。 1．对记号，找基准缸（摇转曲轴使第 1 缸活塞处于）压缩上止点。 2．根据工作顺序及配气相位，判断出完全关

闭的气门，然后调整这些气 门间隙。 以 6 缸工作顺序为 1-5-3-6-2-4 的 6 缸发动机为例，分析如下： 则第 1 缸处于压缩上止点时，第 1 缸进、排均关闭， “双”气门可调； 第 5 缸活塞上行，进气刚完，进压缩，排气门处全闭， “排”气门可调； 第 3 缸活塞下行，正进气，排气门处全闭， “排”门可调； 第 6 缸活塞处于排气上止点，进、排气门均开启，进排气门均“不”可调； 第 2 缸活塞上行，正在排气， 进气门全闭， “进”气门可调； 第 4 缸活塞下行，作功将完，进入排气，进气门处全闭， “进”气门可调。 3．简单易记的方法是： “双、排、不、进”法。 4．摇转曲轴 360°，使第 1 缸处于排气上止点，调整剩下的气门间隙。

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5．最后复查一次。

注：气门间隙 汽油机冷态下进气门间隙 0.20～0.25ＭＭ 排气门间隙 0.25～0.30ＭＭ 皮带的张紧度 10～15ＭＭ 发动机的工作顺序 1-3-4-2；1-2-4-3；1-5-3-6-2-4；

5.2 帕萨特 1.8T，发动机与车身严重抖动。

5.2.1 故障现象 ： 一辆帕萨特 1.8T，V6 发动机，顶置凸轮轴行驶里程为 l45800km，怠速时或行驶中发动机与车身严重抖动 5.2.2 故障分析及检修通过车主了解到，这辆车已在其他厂家维修过多次，先 后对喷油器、节气门进行过清洗，也更换过火花塞，但收效甚微。 首先对车辆进行故障码调取，结果发动机电控系统霍尔传感器有故障， 节气门控制单元基本设置有故障。清码后再次启动发动机运转，停机后再次

提取故障码，结果霍尔传感器故障码依旧存在。如果仔细观察，发动机不但 抖动，有时还会因转速偏低而熄火。于是对车辆配气相位进行仔细检查，通 过检查，点火正时记号正确，而当打开气门室罩盖对进排气凸轮轴张紧器进 行检查时，发现排气凸轮轴与进气凸轮轴之间为 15 个链节，而正确的为 16 节。通过校正装复后试车，故障码不再出现，熄火现象也不再出现。 从而形成在运转时的不平衡，造成发动机的抖动，从而影响车身，所以 行驶很不舒适。

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图为排气凸轮轴与进气凸轮轴之间链节

6. 配气机构的故障与排除

配气机构的常见故障及一般处理方法主要如下： 6.1 气缸体密封不严 发动机的缸体是由上、下两部分组成，加上缸盖、油底壳，整个缸体共 三道密封衬垫，其中以气缸衬垫和上、下缸体间衬垫尤为重要，若密封不严， 将容易引起下列故障： 1.发动机不起动，排气冒白烟。 2.发动机运转不正常，功率不足。 3.发动机过热。 4.油耗高。 发现上述现象后，应对气缸盖、气缸体螺栓的拧紧力矩进行检查，并重 新按紧固顺序和要求进行紧固。如故障仍不能排除，则需拆卸缸体，检查气 缸衬垫，必要时更换气缸衬垫。 6.2 进气系统密封不严 进气系统密封不严，将导致进气压力不足，影响充气效率。它引起的故障有： 1.发动机功率下降。 2.加速性能不良。 3.发动机运转不正常。 检查进气系统的密封性，对密封不良处重新进行密封。 6.3 发动机正时不准 发动机正时不准，将导致发动机过热，此时应检查发动机正时机构，并

严格按规定进行调整。 6.4 气门积炭 气门积炭是配气机构常见故障之一，

这不仅与气门结构设计、燃烧过程 有关，也与所用燃油的品质有关。气门积炭引起的故障有： 1.发动机难以起动，或自动熄火。 9

2. 排气冒黑烟。 3.油耗高。 发现上述现象，可对气门进行检查，或在发动机例行维护、维修中，检查气 门是否有积炭，如果有积炭可进行清洗，必要时更换气门。 6.5 排气门烧蚀 排气门烧蚀将容易导致发动机自动熄火，这主要是使用不合理造成的。产 生气门烧蚀的主要原因有： 1.发动机长时间超负荷或者在大负荷下工作，引起气门较早地磨损。同时超 负荷长期磨损，还将引起气缸盖、气门座、气门导管等变形，使气门密封性 降低，散热条件恶化，导致气门烧蚀。 2.发动机冷却不足，发动机持续高温，引起机油、柴油发生化学变化，在气 门头部和杆部形成 3.气门弹簧弹力过小或气门间隙调整不当也会导致气门烧蚀。 气门烧蚀是汽车配气机构的常见故障。因此，应在使用中注意对发动机的例 行保养，防止发动机长时间大负荷工作，及时清除积炭，按规定调整气门间 隙。若不能修复者则更换。 6.6 气门间隙不正常 气门间隙不当将引起下列故障现象： 1.发动机冒黑烟或深灰烟。 2.配气机构有异常响声。 3.发动机功率下降且运转不正常。 4.发动机自动熄火。 发现上述现象，尤其是听到发动机有异响应考虑检测发动机配气机构的气门 间隙是否正常，否则应按前述气门间隙调整方法进行调整。 6.7 气门导管或气门杆过度磨损 气门导管或气门杆磨损过度将导

致机油上窜，发动机冒蓝灰色烟或灰白色烟。 此时需检测气门导管或气门杆。必要时更换气门导管或气门。 6.8 凸轮轴磨损 凸轮轴过度磨损将导致发动机功率下降，或行驶中停机故障。此时需检查凸 轮轴磨损状况，必要时更换凸轮轴。 6.9 气门其它故障 气门的其它故障主要有气门卡死、气门座损坏、气门失控、气门过度磨损等， 这些原因经常引起发动机排气发蓝、气门响、发动机功率不足、发动机过热 等现象，这需视具体情况进行分析、判断，然后着手排除。 6.10 气缸压缩压力的与配气机构联系 发动机的作功依赖于压缩行程的压缩压力，压力越高，气体膨胀所释放 的热能越多，发动机的平均动力性越好。在实际使用中，压缩压力依赖于气 缸和燃烧室的密封性。主要是活塞环、气缸壁、气门、气门座、气缸衬垫等。

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这既与曲柄连杆机构有关，又与配气机构有关。如果发生发动机起动困难、 气缸压力过低、油耗过高的现象时，就配气机构而言，需要检查气门与气门 座的密封性、气门弹簧是否完好、弹力是否符合要求。然后再有针对性地进 行处理，同时 还需要检查曲柄连杆机构的气缸密封性、缸套的磨损程度、活 塞环的磨损程度。给予必要的修复或更换部件。

7. 配气机构运用的最新技术及配气机构的发展趋势

目前每缸 4 气门发动机已经越来越多，但是在人们越发追求大功率 的 同 时 对 于 燃 油 消 耗 值 也 非 常 关 心 。最 常 见 的 例 子 就 是 发 动 机 有 效 功 率 、 转矩尽可能增大的油耗问题，如果

只用单个节气门控制燃油供给显然有 些捉襟见肘，而目前最常见的办法就是采用可变气门正时及升程控制来 解决这个矛盾。这个方法也就是在常规的配气机构中采用可变式气门驱 动机构。可变气门正时及升程控制实际上是两种技术，可变气门正时是 控制气门开闭的时间，而升程控制则是控制气门的开启大小，两者都决 定着进气量（包括汽油和空气的混合气）的大小，并且可变气门正时会 根据发动机负荷变化及时控制进、排气门的开闭时间，并由短到长呈线 性变化，使发动机在全段转速输出期间都更有力，并且更加节省燃油。 7.1 可变配气相位控制系统 7.1.1 可变配气相位控制系统组成 7.2.2 可变配气相位控制系统工作原理及控制电路

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发动机控制 ECU 根据发动机转速、符合、冷却液温度和车速信号控制 XECT 电 磁阀。电磁阀通电后，通过压力开关给电脑提供一个反馈信号，以便监视系 统工作。

7.2 配气机构的发展方向 变配气机构可解决难以满足全速运行的问题，而今的发动机运行转速范 围越来越宽，可变配气机构也就越来越显地重要了。将可变配气定时和可变 进气管长度等结合使用是发动机配气机构发展的趋势。 影响配气相位和气门升程的主要因素是气门的驱动机构，传统的凸轮气 门驱动机构很难满足发动机在全速运行时有合适的配气相位和气门升程，严 重影响着发动机的工作性能。采用无凸轮电液、电磁、电气或其他的气门驱 动方式，可完全控制配气相位和气门升程，从而提高发动机的动力性和经济 性，降低排放。但无凸轮气

门驱动大都还处于实验研究进程，要广泛的应用 于发动机还需要更多的投入。这也是配气机构发展的必然趋势。

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结

论

发动机是汽车必不可少的一样机体, 全车的带动全都靠发动机传输的功 率, 发动机是汽车的心脏, 为汽车的行走提供动力, 汽车的动力性, 经济性, 环 保性, 给人们带来很大的交通便利, 然而发动机也有很多的故障, 比如发动机 异响、过热、冒烟等等.

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参考文献

[1] 杨万福. 发动机原理与汽车性能. 北京：高等教育出版社，2004 [2] 李东江. 现代汽车电子控制技术. 北京:科学技术文献出版社,2005 [3] 周云山. 汽车电控系理工大学出版社,2001 [4] 陈家瑞等. 汽车构造. 北京:人民交通出版社,2003 [5] 黄虎等. 现代汽车维修. 上海:上海交通大学出版社,2001

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统理论与设计. 北京:北京