第三节 配气机构的维修
一、配气机构的结构
1.配气机构的作用
配气机构的作用是按照发动机的工作需要，定时地开启或关闭进气门、排气门，使混合气（汽油机）或空气（柴油机）及时进入汽缸，或使汽缸内的废气及时排出。
2.配气机构的组成
如图2-24所示，发动机配气机构的基本组成可分为气门组［图2-24（a）］和气门传动组［图2-24（b）］两部分。传统发动机配气机构的基本组成零件如图2-25所示。
图2-24 配气机构的组成
图2-25 传统发动机配气机构的基本组成零件
1—凸轮轴；2—气门挺柱；3—挺柱导向体；4—推杆；5—摇臂轴承座；6—摇臂；7—摇臂轴；8—气门弹簧座；9—气门锁片；10—气门油封；11—气门弹簧；12—气门导管；13—气门座；14—气门；15—曲轴
①气门组的总体结构。气门组零件主要包括气门、气门座、气门导管、气门锁片（锁夹）和气门弹簧等，如图2-26所示。
图2-26 气门组零件
②气门传动组的总体结构。气门传动组零件包括凸轮轴、正时传动装置、挺柱（杆）、推杆、摇臂总成等，如图2-27所示。
图2-27 气门传动组
3.可变配气正时装置
目前大众车系、丰田车系等大部分主流车型的发动机都具备可变配气正时功能，虽然名称五花八门，但基本功能都是适时改变进、排气门的开启及关闭时刻，提高进气效率，实现低、中转速范围内转矩的充分输出，保证各个工况下都能得到足够的动力表现，从而提高发动机的功率、转矩并降低油耗和污染物排放。
下面以丰田车系可变配气正时装置VVT-i为例，介绍这种装置的结构与基本工作原理。
VVT-i是Variable Valve Timing-intelligent的缩写，它代表的含义就是智能正时可变气门控制系统。
VVT-i装置用来控制进气凸轮轴的配气正时在60°（曲轴转角）范围内变化，以适应发动机各种工作条件。
①组成与结构。VVT-i装置的组成如图2-28所示，是由VVT-i控制器、凸轮轴正时机油控制阀和传感器等组成。
图2-28 VVT-i装置的组成
a.VVT-i控制器。控制器由正时链条驱动的壳体和与进气凸轮轴相连的叶片组成，如图2-29所示。
图2-29 控制器
机油压力到达进气凸轮轴的提前侧通路或延迟侧通路，使位于VVT-i控制器中的叶片转动，使进气门的正时连续变化。
当发动机停机时，进气凸轮轴将位于最大延迟状态，以保证启动性能。
b.凸轮轴正时机油控制阀。如图2-30所示，凸轮轴正时机油控制阀可根据发动机ECU发出的占空比信号控制滑阀位置，这样可使机油压力作用于VVT-i控制器的提前侧或延迟侧。发动机停机时，凸轮轴正时机油控制阀位于最大延迟位置。
图2-30 凸轮轴正时机油控制阀
c.锁销。在发动机刚启动时，机油压力不能立即作用于VVT-i控制器，这时，锁销锁止VVT-i控制器，以防止撞击噪声。锁销的动作过程如图2-31所示。
图2-31 锁销的动作过程
当发动机停止运转位置后，控制器内的叶片回到最延迟的位置，此时提前室容积最小，锁销在弹簧力作用下被推入控制器壳体（外壳）的销孔内，于是壳体与叶片处于“硬连接”，这有利于发动机正常启动；当发动机启动后，由于系统建立了油压，锁销在油压的作用下使弹簧被压缩，随之锁销从控制器壳体销孔内脱出，于是壳体与叶片之间就可以有相对运动，从而实现对提前室和延迟室容积的控制，以实现对凸轮轴相位进行实时智能调节。
②VVT-i装置基本工作原理。VVT-i装置基本工作原理如图2-32所示，发动机ECU根据得到的发动机转速、进气量、节气门位置和水温信号，计算每一种条件下的最佳配气正时，然后控制凸轮轴正时机油控制阀的运作。另外，发动机ECU利用凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器来检测实际的配气正时，然后通过反馈控制来达到目标配气正时。
图2-32 VVT-i装置基本工作原理
a.提前。发动机ECU发出一个正时提前信号，此时凸轮轴正时机油控制阀处于图2-33所示位置，机油压力使叶片室带着凸轮轴向正时提前方向转动。
图2-33 凸轮轴向正时提前方向转动
b.延迟。发动机ECU发出一个正时延迟信号，凸轮轴正时机油控制阀处于图2-34所示位置，机油压力使叶片室带着凸轮轴向正时延迟方向旋转。
图2-34 凸轮轴向正时延迟方向旋转
c.维持不变。达到目标正时后，凸轮轴正时机油控制阀处于中间位置，配气正时维持不变，直到行驶状态改变为止。这种调整可使配气正时位于目标位置并防止不必要的机油外泄。
二、配气机构的检修
1.气门的检修
①气门的拆装。拆装气门时，必须先使用专用气门拆装钳压缩气门弹簧，然后拆下或装上气门锁片或锁销，并慢慢放松气门弹簧即可，图2-35所示为几种拆装气门的方法。
图2-35 几种拆装气门的方法
拆下的气门，必须做好标记并按顺序摆放，以免破坏气门与气门座及气门导管的配合。
维修提示
气门锁片或锁销很小，应注意不要丢失。
②气门杆弯曲的检查与修理。气门杆弯曲变形可按图2-36所示进行检查，若弯曲变形超过允许极限，应校正或更换气门。气门杆弯曲校正应在压床上进行冷压校正，方法是使弯曲拱面向上，用压床使其产生反变形，校压量一般为实际弯曲变形量的10倍，保持2min。气门杆的弯曲变形量用直线度误差表示，一般应不大于0.03mm。
图2-36 气门杆弯曲的检查
1—气门；2—百分表；3—顶尖；4—平板；5—V形块
③气门磨损和烧蚀的检查与修理。如图2-37所示，气门磨损情况可通过测量气门头部厚度、气门头部直径、气门总长度和气门杆直径等的相关尺寸进行检查，若测得尺寸不符合规定，应更换气门。
图2-37 气门的检测
气门密封锥面有轻微斑痕、沟槽或烧蚀，可在专用气门光磨机上进行光磨修理。修理后的气门尺寸应符合规定，修理气门后还应铰修气门座，并进行气门研磨。气门密封锥面斑痕、沟槽或烧蚀严重时，应更换气门。
2.气门座的检修
①气门座的铰修。发动机工作时，气门座承受高温和气门落座时的冲击，经常出现工作锥面烧蚀、变宽或与气门接触环带断线等故障，一般可通过铰削和研磨进行修理。
气门座的铰削通常用气门座铰刀进行手工加工。气门座铰刀是由多只不同直径、不同锥角的铰刀组成，如图2-38所示。
图2-38 气门座铰刀
气门座一般应先粗铰后精铰，铰削方法如下。
a.修理气门座前，应检查气门导管，若不符合要求应先更换或修理气门导管，以便保证气门座与气门导管的中心线重合。
b.按气门头部直径和气门座各锥面角度选择一组合适的气门座铰刀。按气门导管内径选择合适的气门座铰刀杆，铰刀杆插入气门导管应转动灵活而不松旷。
c.先用45°（或30°）的粗铰刀加工气门座工作锥面，直到全部露出金属光泽。
维修提示
铰削时，两手握住手柄垂直向下用力，并只作顺时针方向转动，不允许倒转或只在小范围内转动，如图2-39所示。
图2-39 气门座的铰削
d.用修理好的气门或新气门进行试配，根据气门密封锥面接触环带的位置和宽度进行铰削修正。若接触环带偏向气门杆部，应用75°的铰刀修正；若接触环带偏向气门顶部，应用15°的铰刀修正。铰削好的气门座工作面宽度应符合规定，接触环带应处在气门密封锥面中部偏气门顶的位置。
e.最后用45°的细铰刀精铰气门座工作锥面，并在铰刀下面垫上细砂布修磨。
②气门与气门座的研磨。气门座铰削好后，应在气门与气门座之间涂上少许研磨砂进行研磨，以保证气门与气门座的密封性。
气门与气门座的密封性可用划线法进行检查，即用软铅笔在气门密封锥面上每隔10mm划一条线，将气门装入气门导管，用手将气门与气门座压紧并往复转动1/4圈，然后取下气门检查，若所有划线均被切断，说明气门与气门座密封良好，否则应继续研磨。
③气门座圈的更换。气门座损坏、严重烧蚀、松动或下沉2mm（指测量的气门顶部下沉量）以上，应更换气门座圈。若气门座是在汽缸盖上直接加工的，则必须更换汽缸盖。
更换气门座圈时，对铝合金汽缸盖不可用撬动方法拆卸旧气门座圈，用镗削加工方法将旧气门座圈镗削只剩一薄层，可很容易地拆下旧气门座圈；也可将一合适的旧气门焊接到旧气门座圈上，然后敲击气门杆拆下旧气门座圈。安装新座圈前，应对座孔加工，使新气门座圈与座孔的过盈配合量为0.08～0.12mm。安装新座圈时，应将气门座圈放在固体二氧化碳（干冰）或液态氮中冷却使其冷缩，然后再将气门座圈敲入座孔。
3.气门导管的检修
①气门导管磨损的检查与修理。气门导管磨损后会使其与气门杆的配合间隙增大，导致气门工作时摆动，关闭不严。
气门导管的磨损情况可通过测量气门导管与气门杆配合间隙间接检查，配合间隙的检查有两种方法，一种是如图2-40所示，直接测量气门导管内径和气门杆直径，并计算其配合间隙；另一种是先把气门安装在气门导管内，再将气门提起10～15mm（相对汽缸盖平面），然后用百分表测量气门头部的摆动量。
图2-40 气门杆和气门导管直径的测量
1—内径百分表；2—气门导管；3—气门杆；4—千分尺
气门导管与气门杆配合间隙若超过允许极限时，可换用一个新气门重新进行检查，根据测量结果视情况确定更换气门或气门导管，必要时两者一起更换。
②更换气门导管。如图2-41所示，更换气门导管时，应用冲子和锤子将气门导管按规定方向（一般为汽缸盖上方）拆出旧气门导管；如果旧气门导管装有限位卡环，拆缷前应先将其露出气门导管孔的部分敲断。此外，对于铝合金汽缸盖，拆卸旧气门导管前还应加热汽缸盖，以免汽缸盖裂损。
图2-41 更换气门导管
1—专用工具；2—气门衬套（导管）；3—加热器
拆下旧气门导管后，应根据新导管外径适当铰削气门导管孔，使气门导管与气门导管孔有适当的过盈量，一般为0.015～0.065mm。
安装新气门导管前，应先用60～80℃的热水或喷灯加热汽缸盖，然后用冲子和锤子将新气门导管敲入气门导管孔。气门导管伸出进、排气道的高度应符合规定，测量方法如图2-42所示。
图2-42 气门导管衬套凸出高度测量
1—游标卡尺；2—气门导管衬套
气门导管安装好后，应铰削气门导管内孔，使气门导管与气门杆配合间隙符合标准。
③更换气门油封。润滑油无泄漏而消耗异常，一般是活塞与汽缸配合间隙过大或气门油封漏油所致。更换气门油封时，应使用专用工具安装气门油封，如图2-43所示。
图2-43 气门油封的安装
维修提示
有些发动机进气门油封与排气门油封是不同的，安装时不能装错。
4.气门弹簧的检修
①气门弹簧的外观检查。气门弹簧常见故障是由于长期受压缩，产生塑性变形而导致自由长度变短、弹力减弱、簧身歪斜，严重时可能出现弹簧折断。对气门弹簧的检查主要是，观察有无裂纹或折断，测量弹簧自由长度和垂直度，测量弹簧弹力。气门弹簧不能维修，必要时只能更换。
②气门弹簧自由长度的检查。气门弹簧的自由长度可用游标卡尺进行测量，如图2-44所示。
图2-44 气门内压缩弹簧的检测
③气门弹簧垂直度的检查。如图2-45所示，气门弹簧的垂直度一般应不大于1.5～2.0mm。若气门弹簧的自由长度或垂直度不符合标准，应更换气门弹簧。
图2-45 气门弹簧垂直度的检查
④气门弹簧弹力的检查。气门弹簧的弹力应在专用弹簧检验仪上进行检查，如图2-46所示，用检验仪对气门弹簧施加压力，在规定压力下的气门弹簧高度（或规定气门弹簧高度下的压力）应符合标准，否则应更换气门弹簧。
图2-46 气门弹簧弹力的检查
1—气门弹簧；2—弹簧检验仪
5.凸轮轴的检修
①凸轮轴的弯曲度检查。在平台上用两块V形铁支撑起凸轮轴，用磁力表座与百分表配合，测量凸轮轴中间轴颈位置，转动凸轮轴，读取百分表的读数，如图2-47所示。如果弯曲度超过最大值，更换凸轮轴。丰田威驰轿车凸轮轴最大弯曲度为0.03mm。
图2-47 检查凸轮轴弯曲度
1—百分表；2—V形铁
②凸轮的高度检查。使用外径千分尺测量凸轮的高度，测量方法如图2-48所示。如果凸轮轴凸轮高度低于最小允许值，更换凸轮轴。丰田威驰轿车凸轮高度极限值，进气凸轮轴为41.30mm，排气凸轮轴为41.55mm。
图2-48 凸轮的高度磨损检测
③凸轮轴轴颈的磨损检查。使用外径千分尺测量凸轮轴轴颈的直径，如图2-49所示。如果凸轮轴轴颈的磨损低于最小值，更换凸轮轴。丰田威驰轿车凸轮轴轴颈标准值，排气凸轮轴轴颈为24.949～24.965mm，进气凸轮轴轴颈为22.949～24.965mm。
图2-49 凸轮轴轴颈磨损检查
④凸轮轴的径向间隙检查。检查凸轮轴轴承盖和轴颈，应无剥落和拉伤现象。如果轴承损坏，则成套更换轴承和汽缸盖。将凸轮轴放在汽缸盖上。在每个凸轮轴轴颈上放上塑料间隙规。用13N·m转矩拧紧轴承盖螺栓。
维修提示
不要转动凸轮轴。
拆下轴承盖。在最宽处测量间隙规，如图2-50所示。标准间隙为0.035～0.072mm，极限值为0.10mm。
图2-50 凸轮轴径向间隙检查
1—凸轮轴；2—塑料间隙规；3—轴承盖
⑤凸轮轴轴向间隙的检查。使用磁力表座配合百分表，对凸轮轴轴向间隙进行测量。前后移动凸轮轴读取百分表上读数。如图2-51所示。如果轴向间隙超过最大值，更换凸轮轴。如有必要，成套更换轴承盖和汽缸盖。丰田威驰轿车凸轮轴轴向间隙标准值，进气凸轮轴为0.030～0.085mm，排气凸轮轴为0.035～0.090mm。
图2-51 凸轮轴轴向间隙检查
1—百分表；2—凸轮轴
6.可变配气正时装置的检修
①机械故障的检查。
a.检查正时标记。如图2-52所示，检查凸轮轴正时齿轮、曲轴正时齿轮等处的正时标记。
图2-52 检查正时标记
维修提示
正时链条是否松动或跳齿。
b.检查凸轮轴VVT-i控制器锁销。将凸轮轴包上厚布夹紧在台钳上，转动控制器壳，锁销应能锁紧正时齿轮和凸轮轴。
c.控制器动作测试。堵住凸轮轴第一道轴颈上的两个延迟油道孔和两个延迟油道孔中的一个，用两把气枪向另外两个提前和延迟油道孔施加0.15MPa的气压。先给正时延迟油道减压，外壳（链轮）应能向凸轮轴正时提前的反方向平滑转动，无卡滞现象；再给延迟油道增压，给提前油道减压，外壳（链轮）应能向凸轮轴正时延迟的反方向平滑转动，无卡滞现象。
d.压力油控制阀、机油滤清器及油道检查。若压力油控制阀、机油滤清器及油道过脏会引起控制卡滞，应进行彻底清洗。
②电控系统故障的检查。
a.读取故障码。用故障诊断仪读取VVT-i装置电控系统故障码，如有故障码，可根据故障码的提示进行故障的检查与排除。
b.各传感器的检测。用万用表检测曲轴位置（发动机转速）传感器电阻，其电阻值应为1.34kΩ；用万用表检测凸轮轴位置传感器，其电阻值应为2.08kΩ。
③凸轮轴正时机油控制阀的检查。
a.用万用表测量内部线圈原电阻值，应符合标准值。
b.如图2-53所示，检查机油控制阀的移动情况，将蓄电池正极接机油控制阀端子1，负极接端子2，观察阀的移动情况，正常时应移动灵活，无卡滞现象。
图2-53 凸轮轴正时机油控制阀的检查