汽车配气机构的设计，优化动力与效率的核心

汽车配气机构是发动机的“呼吸系统”，其核心功能是在准确的时刻，按照气缸的工作顺序，完成可燃混合气（或空气）的充气过程和燃烧废气的排出过程，即实现换气过程，配气机构设计的优劣，直接关系到发动机的动力性、经济性、排放性能、运转平顺性和可靠性，精心的设计对于提升整车性能至关重要。

配气机构的组成与工作原理

典型的汽车配气机构主要由气门组、气门驱动组（包括凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂等，顶置凸轮轴式结构可简化此部分）以及气门正时机构（如正时齿轮/链条、张紧器等）组成。

其工作原理是：曲轴通过正时齿轮或链条驱动凸轮轴旋转，凸轮轴上的凸轮轮廓推动挺柱、推杆和摇臂（或直接驱动气门，如顶置凸轮轴结构），使气门按照规定的时刻和开启行程进行往复运动，从而实现气门的开启和关闭，气门的开闭时刻和开启持续时间（即气门正时和气门升程）是配气机构设计的关键参数，直接影响发动机的换气效果。

配气机构设计的关键考量因素

1. 气门正时设计：

   • 进排气门开启与关闭时刻： 需要综合考虑发动机转速、负荷等工况，高速时适当延长进气门开启角，可以利用气流惯性充入更多混合气；而排气门提前开启，有助于减少排气功损耗。
   • 气门重叠角： 进排气门同时开启的角度，合理的气门重叠角可以利用进气管的惯性压力帮助扫气，清除残余废气，提高充气效率，但过大的重叠角在低速低负荷时可能导致废气倒流，影响稳定性和经济性，现代发动机普遍采用可变气门正时技术（VVT/VVT-i/VTEC等）来优化不同工况下的气门正时。

2. 气门升程设计：

   • 最大升程： 影响气门的流通面积，从而影响进气量和排气效率，升程过小限制进气，过大则可能增加驱动阻力和气门落座冲击。
   • 升程曲线： 凸轮轮廓决定了气门的升程规律，理想的升程曲线应保证气门开启和关闭平缓，达到最大升程迅速，以获得良好的流动特性同时减小冲击和磨损，可变气门升程技术（如本田的VTEC）能进一步优化不同转速下的升程需求。

3. 气门数量与布局：

   • 气门数量： 常见的有2气门（进一排一）、4气门（进二排二）甚至5气门（进二排三）设计，多气门设计能增加气门总流通面积，改善缸内气体流动，提高充气效率，有利于高速性能和燃烧效率，但结构复杂，成本增加。
   • 气门布局： 主要有顶置气门（OHV，凸轮轴在下）和顶置凸轮轴（OHC，凸轮轴在上，又分单顶置凸轮轴SOHC和双顶置凸轮轴DOHC），OHC结构因传动链短、刚度好、利于高速运转而成为主流，气门的排列方式（如并列式、夹角式）也影响燃烧室设计和气体流动。

4. 凸轮轴设计：

   • 凸轮轮廓： 这是配气机构的“灵魂”，直接决定了气门的运动规律，凸轮轮廓需要通过精密计算和优化设计，以实现期望的气门升程、速度和加速度规律，确保气门运动平稳、冲击小、磨损少。
   • 凸轮轴材料与加工： 需要良好的耐磨性、疲劳强度和刚性，常用材料如合金钢、铸铁，表面处理如渗碳、淬火可提高耐磨性，加工精度要求极高。

5. 驱动方式与正时系统：

   • 驱动方式： 齿轮驱动（噪声大、寿命长）、链条驱动（噪声小、质量轻、需张紧）和齿形带驱动（噪声小、无需润滑、需定期更换），现代轿车多采用链条或齿形带。
   • 正时系统： 必须保证曲轴与凸轮轴之间的精确传动比（通常为2:1），避免气门与活塞发生碰撞，正时链条的张紧和导向、齿形带的张紧和防跳设计至关重要。

6. 材料选择与强度分析：

   • 气门、气门弹簧、挺柱、摇臂等关键部件需要在高温、高压、高速、强腐蚀环境下工作，因此需选用耐热、耐磨、高强度、轻量化的材料（如合金钢、钛合金、复合材料等）。
   • 对配气机构各部件进行精确的力学分析（如动力学分析、有限元分析FEA），确保其在交变载荷下的可靠性和耐久性，避免断裂、变形等故障。

7. 轻量化与低摩擦设计：

   • 减轻配气机构运动部件的质量,可以降低惯性力，允许更高的转速，并减少驱动功率损失。
   • 优化各运动副（如凸轮与挺柱、摇臂与气门杆端）的润滑和接触形式，采用低摩擦材料或涂层，以减少摩擦损失，提高机械效率。

现代配气机构设计的发展趋势

1. 可变气门正时与升程技术（VVT/VVL）： 这是当前最主流的发展方向，通过电控液压或电磁方式实时调整气门正时和/或升程，以适应不同工况需求，兼顾动力、经济性和排放。
2. 停缸技术（Displacement on Demand）： 在低负荷工况下，关闭部分气缸的进排气门，减少泵气损失和无效燃烧，提高经济性。
3. 无凸轮轴配气机构： 采用电磁、电液或电机直接驱动气门，实现更高自由度的气门控制，理论上可以优化到每一循环、不同工况下的最佳气门参数，是未来极具潜力的技术方向，但目前技术复杂性和成本较高。
4. 集成化与模块化设计： 将配气机构的相关部件集成设计，减少零件数量，提高装配精度和可靠性，降低成本。
5. 智能化与控制策略优化： 结合先进的传感器和ECU控制策略，实现更精准、更快速的配气参数调整，并与发动机其他系统（如燃油喷射、点火）协同工作，实现整体性能最优。

汽车配气机构的设计是一项复杂而精密的系统工程,它需要综合运用内燃机原理、机械设计、材料科学、控制理论等多学科知识，随着排放法规日益严格、对燃油经济性和动力性能的要求不断提高，配气机构的设计正朝着更智能、更高效、更灵活、更轻量化的方向发展，以无凸轮轴为代表的新一代配气技术有望彻底改变发动机的换气方式，为汽车工业带来新的变革，持续优化和创新配气机构设计，是提升发动机核心竞争力的关键所在。