4.1 配气机构与进排气系统的构造
发动机配气机构的类型有：气门式、气孔式和气孔-气门式等三种类型。四冲程内燃机普遍采用气门式配气机构。内燃机对配气机构及进排气系统的要求是：进入汽缸的新鲜空气或可燃混合气要尽可能多，排气要尽可能充分；进、排气门的开闭时刻要准确，开闭时的振动和噪声要尽量小；另外，要工作可靠、使用寿命长和便于调整。本节着重讲述四冲程内燃机的气门式配气机构及其进排气系统。
4.1.1 配气机构的结构形式及工作过程
气门式配气机构由气门组（气门、气门导管、气门座及气门弹簧等）和气门传动组（推杆、摇臂、凸轮轴和正时齿轮等）组成；进排气系统由空气滤清器、进气管、排气管和消声器等组成。
内燃机配气机构的结构形式较多，按照气门相对于汽缸的位置不同可分为两种形式：气门布置在汽缸侧面的称为侧置式气门配气机构；气门布置在汽缸顶部的称为顶置式气门配气机构。采用侧置式气门配气机构布置的燃烧室横向面积大，结构不紧凑，而高度又受气流和气门运动的限制不能太小，所以当压缩比大于7.5时，燃烧室就很难布置。对于柴油机，由于压缩比不能太低，所以广泛采用顶置式气门配气机构。按凸轮轴的布置位置可分为上置凸轮轴式、中置凸轮轴式和下置凸轮轴式；按曲轴与凸轮轴之间的传动方式可分为齿轮传动式和链条传动式；按每缸的气门数目可分为二气门、三气门、四气门和五气门机构。本节主要介绍常见的顶置式气门、下置凸轮轴、齿轮传动式、二气门的配气机构。
顶置式气门配气机构如图4-1所示，由凸轮轴15、挺柱14、推杆13、气门摇臂10和气门3等零件组成。进、排气门都布置在汽缸盖上，气门头部朝下，尾部朝上。如凸轮轴为了传动方便而靠近曲轴，则凸轮与气门之间的距离就较长。中间必须通过挺柱、推杆、摇臂等一系列零件才能驱动气门，使机构较为复杂，整个系统的刚性较差。
图4-1 顶置式气门配气机构
1—汽缸盖；2—气门导管；3—气门；4—气门主弹簧；5—气门副弹簧；6—气门弹簧座；7—锁片；8—气门室罩；9—摇臂轴；10—摇臂；11—锁紧螺母；12—调整螺钉；13—推杆；14—挺柱；15—凸轮轴
顶置式气门配气机构工作过程如下：凸轮轴由曲轴通过齿轮驱动。当内燃机工作时，凸轮轴即随曲轴转动，对于四冲程内燃机而言，凸轮轴的转速为曲轴转速的1/2，即曲轴转两转完成一个工作循环，而凸轮轴转一转，使进、排气门各开启一次。当凸轮轴转到凸起部分与挺柱相接触时，挺柱开始升起。通过推杆13和调整螺钉12使摇臂绕摇臂轴转动，摇臂的另一端即压下气门，使气门开启。在压下气门的同时，内、外两个气门弹簧也受到压缩。当凸轮轴凸起部分的最高点转过挺柱平面以后，挺柱及推杆随凸轮的转动而下落，被压紧的气门弹簧通过气门弹簧座6和气门锁片7，将气门向上抬起，最后压紧在气门座上，使气门关闭。气门弹簧在安装时就有一定的预紧力，以保证气门与气门座贴合紧密而不致漏气。
4.1.2 配气机构的主要零件
配气机构按其功用可分两组零件：以气门为主要零件的气门组和以凸轮轴为主要零件的气门传动组。
4.1.2.1 气门组
气门组包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、弹簧座及锁紧装置等零件。图4-2所示为内燃机广泛采用的气门组零件。
（1）气门
在压缩和燃烧过程中，气门必须保证严密的密封，不能出现漏气现象。否则内燃机的功率会下降，严重时内燃机由于压缩终了温度和压力太低，一直不能着火（点火）启动。气门在漏气情况下工作，高温燃气长时间冲刷进气门，使气门过热、烧损。
气门是在高温、高机械负荷及冷却润滑困难的条件下工作的。气门头部还承受气体压力的作用。排气门还要受到高温废气的冲刷，经受废气中硫化物的腐蚀。因此，要求气门具有足够的强度、耐高温、耐腐蚀和耐磨损的能力。
气门分为进气门和排气门两种。顶置式气门配气机构有每缸二气门（一个进气门、一个排气门）、三气门（两个进气门、一个排气门）、四气门（两个进气门、两个排气门）和五气门（三个进气门、两个排气门）之分。二气门多用于中小功率的内燃机；后三者用于强化程度较高的中、大型内燃机，并以四气门结构的居多。
进气门由于工作温度稍低，一般采用普通合金钢；排气门普遍采用耐热合金钢。为了节约成本，有时杆部选用一般合金钢，而头部采用耐热合金钢，然后将两者焊接在一起。
气门锥面是气门与气门座之间的配合面，气门的密封性就是依靠两个表面严密贴合来保证的。此外，气门接受燃气的加热量的75%要通过锥面传出。从有利于传热的观点出发，气门锥面与气门座接触的宽度应愈宽愈好，但是接触面愈宽，密封的可靠性就愈低，因为工作面上的比压减小，杂物和硬粒不易被碾碎和排走。所以通常要求气门锥面密封环带的宽度在1～2mm之间即可。
图4-2 内燃机气门组件
1—气门锁夹；2—气门弹簧座；3—挡圈；4—气门弹簧；5—气门导管；6—气门
气门顶面上有时还铣出一条较窄的凹槽，主要用于研磨气门时能将工具插入槽中旋转气门。气门和气门座配对进行研磨，研磨后气门即不能互换。
气门锥面的锥角一般为30°或45°。也有少数内燃发动机做成60°或15°锥角的。锥角愈小，单位面积上的压力也愈小，气门与气门座之间的相对滑动位移也较小，从而使气门的磨损减轻。因此，有的内燃机进气门锥面的锥角为30°。
排气门由于高温废气不断流过锥面，废气中的碳烟微粒容易沉积附着在锥面上，影响密封性。因此，排气门要求锥面上的比压要高些，以利于积炭的排除。排气门大多采用45°的锥角。为了制造和维修方便，不少内燃机进、排气门锥角均采用45°。
气门座的锥角有时比气门锥角大0.5°～1°，使两者接触面积更小，可以提高工作面的比压，从而提高其密封的可靠性。
气门头部的直径对气流的阻力影响较大。头部直径愈大，其流通截面也愈大，因而阻力减小。但直径的大小受汽缸顶面的限制。考虑到进气阻力对内燃机性能的影响比排气阻力更大，所以一般都使进气门的直径比排气门稍大。有些内燃机的进、排气门直径相同，以便于制造和维修。但如果两者材料不同，则必须打上标记，以免装错。
气门头部边缘应保持一定的厚度，一般为1～3mm，以防止工作时，由于气门与气门座之间的冲击而损坏或被高温气体烧蚀。为了改善气门头部的耐磨性和耐腐蚀性，以增强密封性能，有些内燃机在排气门的密封锥面上，堆焊一层特种合金。
（2）气门导管
气门导管的主要功用是保证气门与气门座有精确的同心度，使气门在气门导管内作往复直线运动。此外，还担负部分传热的任务。
气门导管在250～300℃的高温及润滑不良条件下工作，易磨损。气门导管一般选用灰铸铁或球墨铸铁制造；近年来，我国广泛应用铁基粉末冶金加工气门导管，它在润滑不良的条件下也能可靠工作，磨损很小。
为了防止气门导管可能落入汽缸中，在导管露出汽缸盖部分嵌有卡环。气门与气门导管之间通常留有一定的间隙。间隙过小会影响气门的运动，在杆身受热膨胀时还可能卡死；间隙过大则气门运动时会有摆动现象，使气门座磨损不均匀。同时机油也容易从间隙中漏入汽缸，造成烧机油等不良后果。
（3）气门座圈
气门座是与气门密封锥面相配合的支承面，它与气门共同保证密封性能，同时它还要把气门头部的热量传递出去。
气门座可以直接在汽缸盖或汽缸体上加工而成。为了提高气门座表面的耐磨性，有时采用耐热钢、球墨铸铁或合金铸铁制成单独的零件，然后压入相应的孔中。这个零件即称为气门座圈。铝制汽缸盖或汽缸体进、排气门座都必须采用气门座圈。对于强化内燃机，排气门热负荷高、磨损严重，所以排气门座通常都采用气门座圈。有的增压内燃机，由于进气管中无真空度，所以进气门处得不到机油的润滑，而排气门处由于有废气中的油烟可起到润滑作用，所以进气门座有座圈，而排气门座则没有。
采用气门座圈的优点是提高了座面的耐磨性和寿命，更换和维修也比较方便。缺点是传热条件差，加工要求高，气门座圈如工作时松脱则会造成事故。
气门座圈的外表面有制成圆锥形或圆柱形两种。锥形表面压入座圈孔时，必须按规定的冲力将其压紧。气门座圈如压入铝合金汽缸盖中时，其配合表面常制成沟槽，当气门座圈压入后，少量铝金属会挤入沟槽中，在对气门座孔扩口时也会促使铝合金挤入，以提高座圈在座孔中的紧固程度，防止松脱。
气门座紧压在汽缸盖的座孔中，磨损后可以更换。气门锥面是气门与气门座之间的配合面，气门的密封性就是依靠两个表面严密贴合来保证的。为了保证密封，每个气门和气门座都要配对研磨，研磨后气门不能互换。
（4）气门弹簧
气门弹簧的功用是保证气门在关闭时能压紧在气门座上，而在运动时使传动件保持相互接触，不致因惯性力的作用而相互脱离，产生冲击和噪声。所以气门弹簧在安装时就有较大的预紧力，同时有较大的刚度。
气门弹簧的材料通常为高碳锰钢、硅锰钢和镍铬锰钢的钢丝，用冷绕成型后，经热处理而成。为了提高弹簧的疲劳强度，一般用喷丸或喷砂表面处理。气门弹簧的形状多为圆柱形螺旋弹簧。
气门弹簧在工作时可能发生共振。当气门弹簧的固有振动频率与凸轮轴转速或气门开闭的次数成倍数关系时，就会产生共振。共振会使气门弹簧加速疲劳损坏，配气机构也无法正常工作，因而应尽力防止。
通过增加弹簧刚度来提高固有频率是防止共振的措施之一。但刚度增加，凸轮表面的接触应力加大，使磨损加快，曲轴驱动配气机构所消耗的功也增加。有的内燃机采用变螺距弹簧来防止共振。工作时，弹簧螺距较小的一端逐渐叠合，有效圈数不断减少，因而固有频率也不断增加。这种气门弹簧在安装时，应将螺距较小的一端靠近气门座。
不少内燃机采用两根气门弹簧来防止共振。内、外两根气门弹簧同心地安装在一个气门上。采用双弹簧的优点除了可以防止共振外，同时当一根弹簧折断时，另一根还可继续维持工作，不致产生气门落入汽缸的事故。此外，在保证相同弹力的条件下，双弹簧的高度可比一根弹簧的小，因而可降低整机高度。采用双弹簧时，内、外弹簧的螺旋方向应相反，以避免当一根弹簧折断时，折断部分卡入另一根弹簧中。
（5）气门弹簧锁紧装置
气门弹簧装在气门杆部外边，其一端支承在汽缸盖上，而另一端靠锁紧装置固定在弹簧座上。气门弹簧锁紧装置主要有以下三种。
第一种气门弹簧锁紧装置如图4-3（a）所示，为锁片式锁紧装置。该装置的气门杆尾部有凹槽，分为两半的锥形锁片卡在凹槽中，锁片锥形外圆与弹簧座锥孔配合，在弹簧的作用下使锁片不致脱落。这种气门弹簧锁紧装置应用最为普遍。
第二种气门弹簧锁紧装置如图4-3（b）所示，为锁销式锁紧装置。该装置在气门杆尾部钻有小孔，在孔内可插入一根锁销，锁销两端露出在气门杆外。弹簧座先放入气门杆中。当锁销插入孔中后，再将弹簧座提起，锁销即卡在弹簧座的凹槽中不致跳出。
第三种气门弹簧锁紧装置如图4-3（c）所示，为锁环式锁紧装置。该装置在气门杆尾端制出锥面，大端靠尾部。弹簧座内孔也做成锥面。为了能使弹簧座装入气门杆中，在弹簧座上铣有宽度略大于气门杆直径的缺口。气门杆尾端加粗后，气门导管如为整体，则气门无法装入气门导管，因此必须分为两半。显然这种结构在制造和装配方面都比较麻烦。
图4-3 气门弹簧锁紧装置示意图
1—气门弹簧；2—气门弹簧座；3—气门锁片；4—气门锁销；5—气门锁环
（6）气门旋转机构
许多新型内燃发动机，为了改善气门、气门座密封锥面的工作条件，延长气门与气门座的使用寿命，采用了如图4-4所示的气门旋转机构。气门导管上套有一个固定不动的支承盘5，支承盘上有若干条弧形凹槽，槽内装有钢球4和回位弹簧6，支承盘的上面套有碟形弹簧3、支承圈2和卡环1，气门弹簧下端座落在支承圈2上。
图4-4 气门旋转机构
1—卡环；2—支承圈；3—碟形弹簧；4—钢球；5—弹簧支承盘；6—回位弹簧
当气门处于关闭状态时，气门弹簧的预紧力通过支承圈2将碟形弹簧3压在弹簧支承盘5的上面，此时碟形弹簧3和钢球4没有接触。当气门处于开启状态时，气门弹簧通过支承圈2压缩碟形弹簧3，使碟形弹簧3和钢球4接触，钢球4在碟形弹簧3的压迫下，沿着弹簧支承盘5上的底面为斜坡的凹槽滚动一定距离。这样，几个小钢球就拖动碟形弹簧3、支承圈2、气门弹簧及气门转动一定角度。当气门关闭后，钢球和碟形弹簧脱离接触，在回位弹簧的作用下回到坡面的高点上。气门每开启一次，就旋转一定角度，从而减少气门座合面的积炭，改善密封性，并减少气门与气门座局部过热与不均匀磨损。气门旋转机构多用于高速、大功率内燃机的进气门上。
4.1.2.2 气门传动组
气门传动组主要由凸轮轴、正时齿轮、挺柱、推杆、摇臂和摇臂轴等零部件组成。气门传动组的功用是按照规定时刻（配气定时）和次序（发火或点火次序）打开和关闭进、排气门，并保证一定的开度。
（1）凸轮轴与正时齿轮
凸轮轴是气门传动组的主要零件，气门开启和关闭的过程主要是由它来控制。凸轮轴的结构如图4-5所示，其主要配置有各缸进、排气凸轮、凸轮轴轴颈以及驱动附件（如机油泵）的螺旋齿轮或偏心齿轮。凸轮轴上各凸轮的相互位置按发动机规定的发火次序排列。根据各凸轮的相对位置和凸轮轴的旋转方向，即可判断发动机的发火次序。为保证内燃机喷油（或点火）准时可靠，凸轮轴和曲轴必须保持一定的正时关系。
图4-5 内燃机凸轮轴组件
1—凸轮轴；2—推力轴承；3—隔圈；4—半圆键；5—接头螺钉
凸轮轴承受周期性冲击载荷。凸轮与挺柱之间有很高的接触应力，其相对滑动速度也很高，而润滑条件则较差。因此凸轮工作表面磨损较严重，还可能出现擦伤、麻点等不正常磨损情况。凸轮轴一般用优质钢模锻而成。近年来广泛采用合金铸铁和球墨铸铁铸造。大多数凸轮轴做成整体式，即各缸进、排气凸轮都在同一根轴上加工而成。
凸轮轴由曲轴驱动。由于凸轮轴与曲轴间有一定距离，中间必须通过传动件来传动。目前传动方式主要有齿轮式传动和链条式传动两种。由于齿轮式传动方式工作可靠，寿命较长而应用最广。齿轮式传动方式通常在曲轴齿轮和配气正时齿轮之间加装中间齿轮，使齿轮直径减小，以免机体横向尺寸增大。
为了使齿轮啮合平顺，减少噪声，正时齿轮一般采用斜齿，其倾斜角度约为10°，曲轴上的正时齿轮多用合金钢制造，而凸轮轴上的正时齿轮多用夹布胶木或工程塑料制成。
由于斜齿轮传动产生的轴向力，或由于工程机械加速都可能使凸轮轴发生轴向窜动。轴向窜动会引起配气正时不准，因此，对凸轮轴必须加以轴向定位。
常见的凸轮轴轴向定位的方法有以下两种。
①止推片轴向定位 如图4-6所示，凸轮轴止推片4用螺钉固定在汽缸体上，止推片与正时齿轮之间应留有适当的间隙，此间隙的大小通常为0.05～0.20mm，作为零件受热膨胀时的余地。此间隙的大小可通过更换隔圈5来调整。
图4-6 止推片轴向定位
1—螺母；2—锁紧垫圈；3—凸轮轴正时齿轮；4—止推片；5—隔圈；6—凸轮轴
②推力轴承轴向定位 如图4-7所示，凸轮轴的第一道轴承为推力轴承，装在轴承座孔内并用螺钉固定在机体上，其端面与凸轮轴的凸缘隔圈之间应留有适当的间隙。当凸轮轴轴向移动其凸缘通过隔圈碰到推力轴承时便被挡住。6135柴油机就是采用这种凸轮轴轴向定位装置。
图4-7 推力轴承轴向定位
1—圆柱销；2—垫圈；3—螺钉；4—隔圈；5—推力轴承
凸轮轴通常采用齿轮驱动，齿轮装在凸轮轴前端，与曲轴上的齿轮直接或间接啮合，称为正时齿轮。对于四冲程内燃机，每完成一个工作循环，曲轴旋转两周，各缸进、排气门各开启一次，凸轮轴只旋转一周，其传动比为2∶1。曲轴上的正时齿轮经过一个或两个中间齿轮，再传到凸轮轴上的正时齿轮。
在装配凸轮轴时，必须对准各对齿轮的正时记号，才能保证气门按规定时刻开闭，柴油机的喷油泵按规定时刻供油（或汽油机的分电器按规定时刻点火）。图4-8所示为6135柴油机传动齿轮装配定时关系图。
图4-8 6135柴油机传动齿轮装配定时关系图
1—喷油泵传动齿轮；2—定时惰齿轮；3—主动齿轮；4—机油泵、水泵传动齿轮；5—凸轮轴传动齿轮
（2）挺柱
挺柱的作用是将凸轮的推力传给气门或推杆。
挺柱由钢或铸铁制成。一般制成空心圆柱体形状，这样既减轻重量，又可获得较大压力面积，以减小单位面积上的侧压力。推杆的下端即坐落在挺柱孔内。
为了使挺柱工作表面磨损均匀，挺柱中心线相对于凸轮侧面的对称线通常要偏移1～3mm，如图4-9所示。或者将挺柱底面做成半径为700～1000mm的球面，而凸轮型面则略带锥度（约为7'30″～10'），如图4-10所示。这样，当凸轮旋转时，迫使挺柱本身绕轴线旋转，使挺柱底面和侧面磨损都比较均匀。
图4-9 挺柱相对于凸轮的偏移
图4-10 球面挺柱
（3）推杆
在顶置式气门机构中，由于凸轮轴和气门是分开设置的，两者相距较远，因此采用推杆来传递凸轮轴传来的推力。
推杆一般采用空心钢管制造，以减轻重量。推杆两端焊有不同形状的端头。上端呈凹球形，气门摇臂调节螺钉的球头坐落其中；下端呈圆球形，插在气门挺柱的凹球形座内。上下端头多用钢制成，并经热处理提高硬度，改善其耐磨性。
（4）摇臂
摇臂是推杆与气门之间的传动件，起杠杆作用。
摇臂的两臂长度不等，长短臂的比例约为a∶b=1.6∶1。长臂端用以推动气门尾端，因此在一定的气门开度下，可减小凸轮的最大升程，与气门尾端接触的表面做成圆柱面，并经热处理和磨光。摇臂的短臂端装有调整气门间隙的调整螺钉和锁紧螺母。摇臂轴通常是做成中空的，作为润滑油道。润滑油从支座的油道经摇臂轴通向摇臂两端进行润滑，如图4-11所示。为了防止摇臂在工作时发生轴向移动，摇臂轴上两摇臂之间装有摇臂轴弹簧。
图4-11 摇臂
1—衬套；2，4—油孔；3—油槽
4.1.3 配气相位和气门间隙
（1）配气相位
原理上内燃机的进气、压缩、做功和排气等过程都是在活塞到达上止点和到达下止点时开始或完成。但是为了进气更充分，排气更干净，进、排气门要提早打开、延迟关闭。内燃机的进、排气门开始开启和关闭终了的时刻以及开启的延续时间，通常用相对于上、下止点时的曲轴转角来表示，称为配气相位或配气定时。表示每缸进、排气配气相位（正时）关系的环形图，称配气相位（正时）图，如图4-12所示。
图4-12 配气相位图
α—进气提前角；β—进气迟后角；γ—排气提前角；δ—排气迟后角；α+δ—气门重叠角
在上止点附近，进、排气门同时开启的角度称为气门重叠角（以°CA表示）。由于新鲜气体（或可燃混合气）和废气流动惯性都很大，虽然进、排气门同时开启，但气流并不互相错位与混合。只要气门重叠角取得合适，可以使进气更充分、排气更干净。
气门重叠角必须根据内燃机具体状况通过试验来确定。重叠角过小，达不到预期改善换气质量的目的，过大则可能产生废气倒流现象，降低内燃机的工作性能。
配气相位要根据内燃机的使用工况和常用转速来确定。不同的内燃机，其配气相位是不同的。配气相位的数值要通过试验确定。
为保证配气相位的准确，在曲轴与凸轮轴驱动机构之间通常设有专门的记号，在装配过程中必须按照相关说明书的要求将记号对准，不得随意改动（如图4-8所示）。
（2）气门间隙
发动机工作时，气门、推杆、挺柱等零件因温度升高而伸长。如果在室温下装配时，气门和各传动零件（摇臂、推杆、挺柱）及凸轮轴之间紧密接触，则在热态下，气门势必关闭不严，造成汽缸漏气。为保证气门的密封性，必须在气门与传动件之间留出适当的间隙，习惯称之为“气门间隙”，并有“冷间隙”与“热间隙”之分。
气门传动组（气门与挺柱或气门与摇臂之间）在常温下装配时必须留有适当的间隙，以补偿气门及各传动零件的热膨胀，此间隙称为气门的冷间隙；在发动机正常运转时（热状态下），也需要一定的气门间隙，保证凸轮不作用于气门时，气门能完全密闭。发动机在热态下的气门间隙称为气门的热间隙。
在内燃机使用过程中，由于零件的磨损与变形，气门间隙会逐渐增大，促使进、排气门迟开、早关，导致进、排气的时间变短，进气不足，排气不净，致使内燃机的动力性与经济性下降，同时使各零件之间的撞击与磨损加剧，噪声增大；若气门间隙过小，则会引起气门密封不严而漏气，导致内燃机功率下降，油耗增加，甚至烧坏气门零件。
因此，在使用过程中，应定期检查和调整气门间隙。内燃机的气门间隙一般由制造厂给出，各机型都有具体规定。在常温下（冷间隙），一般进气门间隙在0.20～0.35mm之间，排气门间隙在0.30～0.40mm范围内。有的发动机只规定了冷间隙，此时的冷间隙数值能保证发动机在热机状态下仍有一定的气门间隙。有的发动机则分别规定了冷间隙和热间隙。装配时应将气门间隙调整到规定数值。
调整发动机气门间隙最好在冷机状态下，气门完全关闭时进行。因为在热机状态下，由于内燃机工作时间的长短不同，其机温也有所差别，气门间隙的大小不好把握。调整时，首先转动曲轴使要调整缸的活塞恰好处于压缩冲程上止点位置，此时，进、排气门处于完全关闭状态，然后用螺钉旋具和厚薄规调整该缸的进、排气门间隙，调整完毕后按同样方法依次调整其他缸。调整气门间隙的方法是：先松开调整螺钉的锁紧螺母，再旋转调整螺钉，用规定数值的厚薄规插入气门杆与摇臂之间进行测量，使气门间隙符合规定，调整好后再将锁紧螺母拧紧，复查一次，直至气门间隙在规定的范围内。
4.1.4 进排气系统
内燃机的进排气系统主要由空气滤清器，进、排气管和消声器等组成。
（1）空气滤清器
空气滤清器的功用是滤除空气中的灰尘及杂质，将清洁的空气送入汽缸内，以减少活塞连杆组、配气机构和汽缸磨损。对空气滤清器的要求是：滤清效率高、阻力小、应用周期长且保养方便。空气滤清器的滤清方式有以下三种。
①惯性式（离心式）：利用灰尘和杂质在空气成分中密度大的特点，通过引导气流急剧旋转或拐弯，从而在离心力的作用下，将灰尘和杂质从空气中分离出来。
②油浴式（湿式）：使空气通过油液，空气杂质便沉积于油中而被滤清。
③过滤式（干式）：引导气流通过滤芯，使灰尘和杂质被黏附在滤芯上。
为获得较好的滤清效果，可采用上述两种或三种方式的综合滤清。空气滤清器由滤清器壳和滤芯等组成，滤清器壳由薄钢板冲压而成。滤芯有金属丝滤芯和纸质滤芯等。图4-13所示为国产135系列4、6缸直列柴油机和12缸V型柴油机用空气滤清器。
图4-13（a）为135系列4、6缸直列柴油机用空滤器，这种纸质滤芯（金属丝滤芯）滤清器目前应用广泛，滤芯普遍采用树脂处理的微孔滤纸制成，滤芯上下两端由塑料密封垫圈密封。柴油机工作时，空气经纸质滤芯滤清后，从接管沿进气管被吸入汽缸。这种滤清器结构简单、成本低、维护方便；但用于尘粒量大的环境时，工作寿命较短，且不甚可靠。
图4-13 国产135系列基本型柴油机空气滤清器
图4-14所示为国产135系列增压柴油机用的旋流纸质空气滤清器。它主要由旋流粗滤器4（内部竖置有旋流管）、纸质主精滤芯2和安全滤芯1三部分组成。空气经旋流管离心力的作用，使空气中的绝大部分尘粒落入旋流管下端的集尘室5，尘粒再经排气引射管（安装在消声器出口处，如图4-15所示）随柴油机废气一起排出。粗滤后较清洁的空气通过纸质精滤及安全滤芯滤清，最后进入发动机汽缸。
图4-14 旋流纸质空气滤清器
1—安全滤芯；2—纸质主精滤芯；3—排气引射管连接口；4—旋流粗滤器；5—集尘室；6—报警器
图4-15 排气引射管
当采用上述旋流纸质空气滤清器时，消声器出口处需预装有与之匹配的排气引射管，当柴油机排气时，高速气流通过喉管处使废气气流增大，于是便形成了真空度。利用此真空度将空滤器集尘室中的尘粒经橡胶管吸入排气引射管内，并与柴油机废气一起排出。
（2）进排气管
进排气管的功用是引导新鲜工质进入汽缸和使废气从汽缸排出。进排气管应具有较小的气流阻力，以减小进气和排气阻力。现代内燃机还要求进排气管的结构形状有利于气流的惯性与压力脉动效应，以提高充量和排气能量的利用率。
进排气管一般用铸铁制成。进气管也有用铝合金铸造或钢板冲压焊接而成的。进排气管均用螺栓固定在汽缸上（顶置式配气机构），其结合处装有密封衬垫，以防漏气。内燃机进气管内的气流是新鲜空气（或可燃混合气），为避免受排气管加热而减小充气量，现代内燃机的进排气管均布置在机体的两侧，如图4-16所示为6135柴油机进排气管结构。三个缸共用一个进气歧管，各装一个空气滤清器。其排气歧管是由两段套接而成，在套接处填有石棉绳，以保证密封；有的内燃机排气歧管对应每一支管开有检视螺孔，以便测量各缸的排气温度和检查排气情况，平时用埋头螺塞封闭。
图4-16 6135柴油机进排气管结构
1—空气滤清器；2—进气管接头；3，11——进气管衬垫；4进气管；5，14—螺母；6，7，12，13—垫圈；8～10—螺栓；15—前进气歧管；16—橡胶气密圈；17—进气歧管中间套管；18—后进气歧管；19，20—排气歧管衬垫；21—铜螺母；22—前排气歧管；23—后排气歧管；24—石棉绳
（3）消声器
内燃机排出的废气在排气管中流动时，由于排气门的开闭与活塞往复运动的影响，气流呈脉动形式，并具有较大的能量。如果让废气直接排入大气中，会产生强烈的排气噪声。消声器的功用是减小排气噪声和消除废气中的火星。
消声器一般是用薄钢板冲压焊接而成。
它的工作原理是降低排气的压力波动和消耗废气流的能量。
一般采用以下几种方法：
①多次改变气流方向；
②使气流多次通过收缩和扩大相结合的流通断面；
③将气流分割为很多小的支流并沿不平滑的表面流动；
④降低气流温度。
图4-17所示为6135基本型柴油机的消声器，它是多腔膨胀共振型（在膨胀筒圆周充填有吸声的超细玻璃纤维），在标定工况下可使噪声下降约为30dB（A）。
图4-17 6135柴油机消声器
1—出气管；2—消声器；3—进气管
4.1.5 柴油机的增压系统
随着生产的需要和科技水平的不断提高，对柴油机的要求也越来越高，既要求柴油机输出功率要大，经济性要好，而且重量要轻，体积要小。柴油机输出功率的大小，取决于进入汽缸的燃油和空气的数量及热能的有效利用率。由此可知：要提高柴油机的输出功率，最经济最有效的办法是增加进入汽缸的空气量。在柴油机汽缸容积保持不变的条件下，增加进入汽缸的空气密度是提高柴油机输出功率的主要手段。然而，空气密度与压力成正比，与温度成反比，因此，增加进气压力，降低进气温度都能提高进气密度，目前柴油机中采用增压器来提高压力，采用中冷器降低气体的温度。
所谓增压，即用增压器（压气机）将柴油机的进气在缸外压缩后再送入汽缸，以增加柴油机的进气量，从而提高平均有效压力和功率。
4.1.5.1 增压方法
按照驱动增压器所用能量来源的不同，基本的增压方法可分为三类：机械增压系统、废气涡轮增压系统和复合增压系统三类。除了利用上述三种方法来提高汽缸的空气压力外，还有利用进排气管内的气体动力效应来提高汽缸充气效率的惯性增压系统以及利用进排气的压力交换来提高汽缸空气压力的气波增压器。
（1）机械增压系统
增压器（压气机）由柴油机直接驱动的增压方式称为机械增压系统。它由柴油机的曲轴通过齿轮、皮带或链条等传动装置带动增压器旋转。增压器通常采用离心式压气机或罗茨压气机。空气经压缩提高其压力后，再送入汽缸，如图4-18所示。
图4-18 机械增压系统
1—排气管；2—汽缸；3—曲轴；4—齿轮；5—压气机；6—进气管
由于机械增压系统压气机所消耗的功率是由曲轴提供的，当增压压力较高时，所耗的驱动功率也会很大，使整机的机械效率下降。因此，机械增压系统通常只适用于增压压力不超过160～170kPa的低增压小功率柴油机。
（2）废气涡轮增压系统
废气涡轮增压是利用柴油机排出的废气能量来驱动增压器，将空气压缩后再送入汽缸的一种增压方法。柴油机采用废气涡轮增压后，可提高输出功率30%～100%以上，同时还可减少单位功率的质量，缩小外形尺寸，节省原材料，降低燃油消耗率，增大柴油机扭矩，提高载荷能力以及减少排气对大气的污染等优点，因而得到广泛应用。尤其在高原地区，因气压低、空气稀薄，导致输出功率下降，一般当海拔高度每升高1000m，功率将下降8%～10%。若装设涡轮增压器后，可以恢复原输出功率，其经济效果尤为显著。
柴油机废气涡轮增压系统如图4-19所示。将柴油机排气管接到增压器的涡轮壳上，柴油机排出的具有500～650℃高温和一定压力的废气经涡轮壳进入喷嘴环，喷嘴环的通道面积由大逐渐变小，因而可以做到：虽然废气的压力和温度在下降，但其流速在不断提高，高速的废气流，按一定的方向冲击涡轮，使涡轮高速旋转。废气的压力、温度和速度越高，涡轮的转速就越快。通过涡轮的废气最后排入大气。
图4-19 废气涡轮增压系统
1—压气机；2—中冷器；3—进气阀；4—排气阀；5—涡轮
废气涡轮增压器按进入涡轮的气流方向，可分为轴流式和径流式两种。
①径流式涡轮增压器 径流式涡轮增压器的结构如图4-20所示。它主要是由涡壳、喷嘴环、涡轮和转子轴等组成。径流式涡轮增压器工作时，柴油机排出的废气进入增压器的涡轮壳后，沿增压器转子轴的轴线垂直平面（即径向）流动。这是由于当气流通过喷嘴时，一部分压能和热能转换为动能，由此获得高速气流。由喷嘴环出来的高速气流按一定方向流入叶轮，在叶轮中被迫沿着弯曲通道改变流动方向，在离心力的作用下，气流质点投向叶片凹面，压力增加而相对速度降低；叶片凸面上则相对速度提高而压力降低，因此，作用在叶片凹凸面上的气流合力（即压力差）在涡轮轴上形成推动叶片旋转的力矩，因而从叶轮流出的废气经由涡轮中心沿轴排出。中型柴油机大多采用径流式涡轮增压器。
图4-20 径流式涡轮增压器
1—涡壳；2—废气进口；3—喷嘴环；4—涡轮；5—转子轴
②轴流式涡轮增压器 轴流式涡轮增压器工作时，柴油机排出的废气进入增压器的涡轮壳之后，气流沿着增压器的转子轴的轴线方向流动，故称轴流式。大型柴油发动机大多采用这种形式的增压器。
废气涡轮增压器按是否利用柴油发动机排气管内废气的脉冲能量，可分为恒压式和脉冲式两种增压器。
①恒压式废气涡轮增压器是将多缸柴油机全部汽缸的排气歧管接到一根排气总管内，再与增压器涡轮壳相连接，而废气以某一平均压力顺着一个单一的涡轮壳进气道通向整个喷嘴环，这种增压器常用于大功率高增压柴油机中。
②脉冲式废气涡轮增压器的排气系统示意图如图4-21所示。以六缸柴油发动机为例来说明，其发火次序为1—5—3—6—2—4，通常将1、2、3缸的排气道连接到一根排气歧管上，沿涡轮壳上的一条进气道通向半圈喷嘴环；而将4、5、6缸的排气道连接到另一根排气歧管，沿涡轮壳上的另一条进气道，通向另半圈喷嘴环，这样各缸排气互不干扰，这种结构可以充分利用废气的脉冲能量，并能利用压力高峰后的瞬间真空扫气，防止某缸排气压力波高峰倒流到正在吸气的另一缸中，因此，在同一根排气歧管的各汽缸发火间隔应大于180°曲轴转角。目前，中型柴油机废气涡轮增压均采用脉冲式增压器。
图4-21 脉冲式废气涡轮增压器排气系统示意图
废气涡轮增压器的主要性能指标是空气压力升高比，简称压比，用πk表示，它是压气机出口空气压力pk和压气机进口空气压力pl的比值，即
πk=pk/pl
压气机出口空气压力pk值越大，进入汽缸的空气密度也越大。涡轮增压器按压比大小可分为低、中、高增压三种：
低增压πk<1.7；中增压πk=1.7～2.5；高增压πk>2.5。
一般πk>1.8的中增压，就要采用中冷器，以降低压气机出口空气温度，使进入汽缸的空气密度增大。目前，柴油发动机上普遍采用低、中增压径流脉冲式废气涡轮增压器。高增压柴油机已成为发展趋势。
（3）复合增压系统
在一些柴油机上，除了应用废气涡轮增压器外，同时还应用机械增压器，这种增压系统成为复合增压系统，如图4-22所示。大型二冲程柴油机，常采用复合式增压系统。该系统中的机械驱动增压器用于协助废气涡轮增压器工作，以使在低负荷、低转速时获得较高的进气压力，从而保证二冲程柴油机在启动、低速和低负荷时所必需的扫气压力。有时，对排气背压较高的水下运行的柴油机，要得到较高的增压压力也常采用这种系统。
图4-22 复合增压系统的两种基本形式
1—涡轮增压器的涡轮；2—涡轮增压器的压气机；3—机械驱动增压器的压气机；4—传动装置；5—柴油机
复合增压系统有两种形式：一种是串联增压系统，柴油机的废气进入废气涡轮带动离心式压气机，以提高空气压力，然后送入机械增压器中再增压，进一步提高空气压力后进入柴油机燃烧室中；另一种是并联增压系统，废气涡轮增压器和机械增压器分别将空气压力提高后，进入柴油机燃烧室中。
（4）其他增压方法
①惯性增压系统 这种增压方式是利用进气和排气管内的气体，由于进排气过程中会产生一定的动力效应——气体的惯性效应和波动效应，以改善柴油机的换气过程和提高汽缸的充气效率，图4-23为惯性增压系统示意图。系统中仅适当加长进气管，再加一个稳压箱，不需专门的增压设备和改变发动机结构尺寸。因此，惯性增压系统易于在原机上安装实现。这种增压方法常用于小型高速柴油机上，尤其适用于负荷及转速变化范围不大的柴油机。一般可增加功率20%，降低燃油消耗10%左右，并可降低排气温度和改善尾气排放。
图4-23 惯性增压系统
1—内燃机汽缸；2—进气管；3—排气管；4—稳压箱；5—空气滤清器
②气波增压器 气波增压器是将柴油发动机排出的高压废气直接与低压进气接触，在相互不混合的情况下，利用气波（压缩波和膨胀波）原理，高压废气的能量通过压力波传递给低压进气，使低压进气压缩，进气压力提高。实际上它是一个压力转换器。气波增压器的结构及其与柴油发动机的配置如图4-24所示。
图4-24 气波增压器结构及其与柴油机的配置
1—柴油机汽缸；2—进气管；3—排气管；4—V带传动；5—空气定子；6—转子；7—转子外壳；8—燃气定子
气波增压器主要由空气定子5、转子6、转子外壳7和燃气定子8等组成。在空气定子5上设有低压空气入口及高压空气出口；在燃气定子8上设有高压燃气入口和低压燃气出口；转子6上装有许多直叶片，构成了狭长的通道；转子外壳7将转子6包在里面。当转子由曲轴通过V带传动4旋转时，大气中的低压空气进入转子通道的左端，柴油机排出的高压燃气进入转子通道的右端。高压燃气对低压空气产生一个压力波进行压缩，使空气压力增加，得到增压的空气，经出口进入柴油机的进气管2充入汽缸，降低了压力的燃气经出口进入柴油机排气消声器排放到大气中。
气波增压器的结构简单、制造方便、不需要耐热合金材料，具有良好的工作适应性、低速扭矩高、加速性能好、最高转速较高，而且还具有环境污染小等优点，适用于中小型柴油机，尤其是车用柴油机上。气波增压器的缺点是：其本身是一个噪声源，噪声较大；它需要曲轴来驱动，安装位置受限制；其重量和体积较大。
4.1.5.2 中冷器
目前，中、高增压柴油发动机已普遍装置中冷器。中冷器实质上是一个热交换器，它安装在涡轮增压器和燃烧室之间。当柴油机增压器的增压比较高时，进气温度也较高，使进气密度有所下降。为此，需要在发动机进气系统中安装中冷器。中冷器用于冷却增压空气，降低增压后的进气温度。增压空气在中冷器中的温降一般为25～60℃。一方面可以提高充气密度，另一方面还可降低进气终了的汽缸温度和整个循环的平均温度。
发电用增压柴油机一般采用“水冷式中冷器”。在安装涡轮增压器和中冷器后，柴油机的润滑油路和冷却水路也根据具体情况作相应的改变，以适应增压和中冷的需要。KT-1150型康明斯柴油机的中冷器如图4-25所示。中冷器由一个壳和一个内芯组成，中冷器壳作为发动机进气歧管的一部分，内芯用管子制成，发动机冷却液在其中循环。空气在进入发动机燃烧室以前，流过芯子而受到冷却。这样，由于应用了中冷器，更好地控制了发动机的进气温度（冷却），从而改善了发动机的燃烧状况。
图4-25 KT（A）-1150型发动机进气流向图
1—增压器；2—排气门；3—管道；4—中冷器；5—进气门；6—汽缸
4.1.5.3 废气涡轮增压器的结构与工作原理
下面以径流式废气涡轮增压器为例讲述其结构与工作原理。废气涡轮增压器由废气涡轮和压气机两部分组成，如图4-26所示。右边为废气涡轮，左边为压气机，两者同轴。涡轮机壳用耐热合金铸铁铸造而成，进气端与汽缸排气管道相连出气口端与柴油机排烟口相连。压气机进气口端与柴油机进气口的空气滤清器相连，出气口端与汽缸进气管道相连。
图4-26 废气涡轮增压器
1—废气涡轮；2—压气机；3—涡轮壳；4—喷嘴环；5—工作叶轮；6—传动轴；7—废气进口；8—空气进口；9—压气机叶轮；10—扩压机；11—空气出口；12—排烟口
（1）废气涡轮
废气涡轮通常由涡轮壳、喷嘴环和工作叶轮等组成。喷嘴环由喷嘴内环、外环和喷嘴叶片等组成。喷嘴叶片形成的通道从进口到出口成收缩状。工作叶轮由转盘和叶轮组成，在转盘外缘固定有工作叶片。一个喷嘴环与相邻的工作叶轮组成一个“级”，仅有一个级的涡轮称单级涡轮，绝大多数增压器采用单级涡轮。
废气涡轮的工作原理如图4-26所示。柴油机工作时，废气通过排气管，以一定的压力和温度流入喷嘴环，由于喷嘴环的通道面积逐渐减小，所以喷嘴环内废气的流速增高（尽管其压力和温度降低）。从喷嘴出来的高速废气进入叶轮叶片中的流道，气流被迫转弯。由于离心力的作用，气流压向叶片凹面而企图离开叶片，使叶片凹、凸面产生压力差，作用在所有叶片上压力差的合力对转轴产生一个冲击力矩，使叶轮沿该力矩的方向旋转，随后从叶轮流出的废气经涡轮中心从排气口排出。
（2）压气机
压气机主要由进气道、工作叶轮、扩压机和涡轮壳等组成。压气机与废气涡轮同轴，由废气涡轮带动，使工作涡轮高速旋转。工作涡轮是压气机的主要部件，通常它由前弯的导风轮和半开式工作轮组成，两部分分别装在转轴上。在工作轮上沿径向布置着直叶片，各叶片间形成扩张型的气流通道。由于工作轮的旋转使进气因离心力的作用而受到压缩，被抛向工作轮的外缘使空气的压力、温度和速度均升高。空气流经扩压器时，由于扩压作用将空气的动能转化成压力能，在排气涡轮壳中，空气的动能逐渐转化成压力能。就这样通过压气机使柴油机的进气密度得到了显著提高。
4.1.5.4 增压柴油机的性能
（1）柴油机增压后性能的改善
柴油机采用废气涡轮增压后，其性能的改善主要表现在以下几个方面。
①动力性得到了提高 增压后，进入汽缸的循环空气量大大增加，循环供油量便可相应增加，因而柴油机功率明显提高。涡轮增压可使柴油机功率提高30%～100%，甚至更高。与此同时，增压后，由于气体爆发压力的增大，使摩擦损失有所增加，但柴油机有效功率增加得更多，因而使柴油机机械效率有所提高。因此，增压使得柴油机的动力性能大大提高。
②经济性能得到了改善 增压后机械效率的提高使燃油消耗率有所降低。进气压力的提高不仅使扫气过程得以改善，且使泵吸功变为正功，也将使燃油消耗率下降。此外，增压后通常过量空气系数将相应提高，使燃烧更趋完善，也促使燃油消耗率有所下降。
③有害排放物有所降低 增压后，由于过量空气系数提高，使得混合气中含氧量相对增加，燃烧更为完全，废气中一氧化碳、碳氢化合物及烟度的含量有所下降。但是增压后，由于进气温度上升，使得尾气排放中的NOx的含量有所增加。此时，若采用增压中冷技术，则尾气排放中NOx的含量也会有所降低。因此，从整体上看，增压有利于降低排放。
（2）柴油机增压后带来的问题
柴油机增压后也将带来一些问题，主要表现为以下两点。
①机械负荷增加 爆发压力是衡量柴油机机械负荷的主要标志之一。增压后压缩压力及爆发压力均有所提高，使机件载荷增大，磨损加剧。因此，应对增压后的爆发压力进行控制，并强化主要受力机件（曲柄连杆机构、曲轴和轴承等）的结构或材质。
②热负荷增加 由于增压后进气量和喷油量的增加，使得总的燃烧能量增加，柴油机的热负荷加大；与此同时，由于进入增压柴油机汽缸的压缩空气温度提高，使得最高燃烧温度和循环的平均温度提高；而且由于工质的密度增大，使得工质向壁面间的传热增大。以上这些因素都使得活塞组、汽缸（壁）和排气门等零部件的热负荷加大，材料强度降低。实践证明，热负荷的影响往往比机械负荷更大，成为限制提高柴油机增压度的主要因素。