新聞主題	柴油發電機氣門組件的結構、分類和作用

 

摘要：在壓縮和燃燒過程中，氣門必須保證嚴密的密封，不能出現漏氣現象。否則柴油發電機的功率會下降，嚴重時柴油發電機由于壓縮終了溫度和壓力太低，一直不能著火（點火）啟動。氣門在漏氣情況下工作，高溫燃氣長時間沖刷進氣門，使氣門過熱、燒損。氣門是在高溫、高機械負荷及冷卻潤滑困難的條件下工作的。氣門頭部還承受氣體壓力的作用。排氣門還要受到高溫廢氣的沖刷，經受廢氣中硫化物的腐蝕。因此，要求氣門具有足夠的強度、耐高溫、耐腐蝕和耐磨損的能力。

 

一、氣門組件的結構

      氣門組件包括氣門、氣門座、氣門導管、氣門彈簧、彈簧座及鎖緊裝置等零件，組成如圖1所示。其主要作用是實現氣缸的密封和進排氣。

1、氣門座與氣門座圈

       氣缸蓋上與氣門錐面相貼合的部位稱氣門座，如圖2所示。氣門座的溫度很高，又承受頻率極高的沖擊載荷，容易磨損。因此，鋁氣缸蓋和大多數鑄鐵氣缸蓋均鑲嵌由合金鑄鐵或粉末冶金或奧氏體鋼制成的氣門座圈。在氣缸蓋上鑲嵌氣門座圈可以延長氣缸蓋的使用壽命。也有一些鑄鐵氣缸蓋不鑲氣門座圈，直接在氣缸蓋上加工出氣門座。    

 

圖1  柴油機氣門組構成示意圖.

圖2  柴油機氣門結構示意圖

 

2、氣門導管

      氣門導管的功用是對氣門的運動導向，保證氣門作直線往復運動，使氣門與氣門座或氣門座圈能正確貼合。此外，還將氣門桿接受的熱量部分地傳給氣缸蓋。氣門導管的工作溫度較高，而且潤滑條件較差，靠配氣機構工作時飛濺起來的機油來潤滑氣門桿和氣門導管孔。氣門導管由灰鑄鐵、球墨鑄鐵或鐵基粉末冶金制造。在以一定的過盈將氣門導管壓入氣缸蓋上的氣門導管座孔之后，再精鉸氣門導管孔，以保證氣門導管與氣門桿的正確配合間隙。

3、氣門彈簧

      氣門彈簧的功用是保證氣門關閉時能緊密地與氣門座或氣門座圈貼合，并克服在氣門開啟時配氣機構產生的慣性力，使傳動件始終受凸輪控制而不相互脫離。原理如圖3所示，結構如圖4所示。

      氣門彈簧一般為等螺距圓柱形螺旋彈簧。當氣門彈簧的工作頻率與其固有的振動頻率相等或為整數倍時，氣門彈簧就會發生共振。共振時將使配氣定時遭到破壞，使氣門發生反跳和沖擊，甚至使彈簧折斷。為防止共振的發生，可采取下列結構措施：

（1）雙氣門彈簧

      在柴油機和高性能汽油機上廣泛采用每個氣門安裝兩個直徑不同，旋向相反的內、外彈簧。由于兩個彈簧的固有頻率不同，當一個彈簧發生共振時，另一個彈簧能起到阻尼減振作用。采用雙氣門彈簧可以減小氣門彈簧的高度，而且當一個彈簧折斷時，另一個彈簧仍可維持氣門工作。彈簧旋向相反，可以防止折斷的彈簧圈卡入另一個彈簧圈內使其不能工作或損壞。

（2）采用變螺距氣門彈簧

       某些高性能汽油機采用變螺距單氣門彈簧。變螺距彈簧的固有頻率不是定值，從而可以避開共振。

（3）采用錐形氣門彈簧

      錐形氣門彈簧的剛度和固有振動頻率沿彈簧軸線方向是變化的，因此可以消除發生共振的可能性。

4、氣門旋轉機構

      當氣門工作時，如能產生緩慢的旋轉運動，可使氣門頭部周向溫度分布比較均勻，從而減小氣門頭部的熱變形。同時，氣門旋轉時，在密封錐面上產生輕微的摩擦力，能夠清除錐面上的沉積物。

 

圖3  氣門彈簧原理圖

圖4  氣門彈簧結構示意圖

 

二、氣門分類和作用

 

      氣門的作用是專門負責向柴油發電機內輸入空氣并排出燃燒后的廢氣。從柴油發電機結構上，分為進氣門（intake valve）和排氣門（exhaust valve）。進氣門的作用是將空氣吸入柴油發電機內，與燃料混合燃燒；排氣門的作用是將燃燒后的廢氣排出并散熱。氣門分為進氣門和排氣門兩種。頂置式氣門配氣機構有每缸二氣門（一個進氣門、一個排氣門）、三氣門（兩個進氣門、一個排氣門）、四氣門（兩個進氣門、兩個排氣門）和五氣門（三個進氣門、兩個排氣門）之分。二氣門多用于中小功率的柴油發電機；后三者用于強化程度較高的中、大型柴油發電機，并以四氣門結構的居多，型式如圖5所示。

1、材質

      進氣門工作溫度稍低，一般采用普通合金鋼；排氣門普遍采用耐熱合金鋼。為了節約成本，有時桿部選用一般合金鋼，而頭部采用耐熱合金鋼，然后將兩者焊接在一起。氣門的材質在中國通常分為40Cr、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo、21-4N和23-8N等。5Cr8Si2、4Cr9Si3、21-2N、21-12N、23-8N、XB等已在一些引進機型上大批量使用。高溫鎳基合金在高負荷柴油機排氣門上也開始應用。

2、氣門錐面

      氣門錐面是氣門與氣門座之間的配合面（如圖6所示），氣門的密封性就是依靠兩個表面嚴密貼合來保證的。此外，氣門接受燃氣的加熱量的75%要通過錐面傳出。從有利于傳熱的觀點出發，氣門錐面與氣門座接觸的寬度應愈寬愈好，但是接觸面愈寬，密封的可靠性就愈低，因為工作面上的比壓減小，雜物和硬粒不易被碾碎和排走。所以通常要求氣門錐面密封環帶的寬度在之間即可。

 

圖5  四氣門組合圖

圖6  氣門結構圖

 

3、氣門頂

      氣門頂面有平頂、凹頂和凸頂等形狀，如圖7所示。目前應用最多的是平頂氣門，其結構簡單，制造方便，受熱面積小，進、排氣門都可采用。氣門頂面上有時還銑出一條較窄的凹槽，主要用于研磨氣門時能將工具插入槽中旋轉氣門。氣門和氣門座配對進行研磨，研磨后氣門即不能互換。

4、氣門錐角

      氣門錐面的錐角一般為30°或45°，如圖8所示。也有少數內燃柴油發電機做成60°或15°錐角的。錐角愈小，單位面積上的壓力也愈小，氣門與氣門座之間的相對滑動位移也較小，從而使氣門的磨損減輕。因此，有的柴油發電機進氣門錐面的錐角為30°。

      排氣門由于高溫廢氣不斷流過錐面，廢氣中的碳煙微粒容易沉積附著在錐面上，影響密封性。因此，排氣門要求錐面上的比壓要高些，以利于積炭的排除。排氣門大多采用45°的錐角。為了制造和維修方便，不少柴油發電機進、排氣門錐角均采用45°。

5、氣門座

      氣門座的錐角有時比氣門錐角大0.5°~1°，使兩者接觸面積更小，可以提高工作面的比壓，從而提高其密封的可靠性。

6、氣門頭

      氣門頭部的直徑對氣流的阻力影響較大。頭部直徑愈大，其流通截面也愈大，因而阻力減小。但直徑的大小受汽缸頂面的限制。考慮到進氣阻力對柴油發電機性能的影響比排氣阻力更大，所以一般都使進氣門的直徑比排氣門稍大。有些柴油發電機的進、排氣門直徑相同，以便于制造和維修。但如果兩者材料不同，則必須打上標記，以免裝錯。

      氣門頭部邊緣應保持一定的厚度，一般為1、3mm，以防止工作時，由于氣門與氣門座之間的沖擊而損壞或被高溫氣體燒蝕。為了改善氣門頭部的耐磨性和耐腐蝕性，以增強密封性能，有些柴油發電機在排氣門的密封錐面上，堆焊一層特種合金。

7、氣門桿

     氣門桿呈圓柱型，在氣門導管中不斷進行往復運動，其表面必經過熱處理和磨光。氣門桿端部的形狀取決于氣門彈簧的固定形式，常用的結構是兩半鎖片來固定彈簧座，氣門桿的端部有環槽來安裝鎖片，有的是用鎖銷來固定，其端部有一安裝鎖銷用的孔。

 

圖7  氣門頂形狀類型

圖8  氣門錐角示意圖

 

三、氣門組的檢修

 

      發動機工作時，氣門受沖擊性交變載荷，當氣門出現跳動或當配氣機構間隙過大時，載荷將顯著增加。在高機械負荷下，易造成氣門桿及氣門頭部變形、漏氣及嚴重磨損。特別是排氣門還承受高熱負荷。氣門常見損壞有氣門及氣門座工作面磨損和燒蝕、氣門桿彎曲和磨損、氣門桿端面磨損、氣門桿與導管配合松曠等。

1、氣門的檢查

① 用千分表檢查氣門桿的彎曲，所示，表針擺差不應超過0.05mm。或將氣門桿放在平板上滾動檢查，如有彎曲時，應進行校正或更換。

② 測量氣門桿的磨損程度。用螺旋測微器測量氣門桿上、中、下三個部位。通常將測量結果與氣門桿尾部未磨損部分對比，若超過0.05mm，或用手觸摸有明顯的階梯形感覺時，應更換氣門。

③ 檢查氣門長度。氣門桿尾端磨損不平，應用砂輪修復，磨削量不得超過0.50mm。

④ 檢查氣門工作面是否因磨損出現起槽、變寬和燒蝕出現斑點、凹陷。如有，應進行光磨。

2、氣門的光磨

      氣門光磨通常在氣門光磨機上進行，要求磨削量盡量小，以延長其使用壽命。氣門工作面光磨工藝如下：

① 檢查砂輪輪面情況。如砂輪不平整，應更換砂輪。

② 將氣門夾于夾座內，調整氣門夾座的位置，使氣門和砂輪成一定的角度(該角度應符合氣門錐面的錐度)，開動氣門光磨機，操縱手柄，即可進行光磨。柴油發電機氣門錐角為：進氣門60°，排氣門45°。

③ 開動夾架電動機，觀察氣門是否有搖擺現象。如有搖擺，重新調整夾架；如無搖擺，再開動砂輪電動機進行光磨。光磨時，一手轉動橫向手柄，使氣門慢慢向右移動，一手轉動縱向手柄，使砂輪漸漸移向氣門工作面，并來回轉動橫向手柄，使氣門工作面在砂輪面上左右慢慢移動，以保持砂輪平整。應注意：氣門不能移出砂輪面，以防打壞砂輪和氣門。光磨時應打開冷卻液開關。光磨機砂輪粗糙時，可用“300”號砂布磨光氣門工作面。

④ 磨削后，退出砂輪，關閉電動機和冷卻液開關。氣門光磨后，其邊緣將逐漸變薄，工作時容易變形和燒毀。進氣門邊緣厚度不得小于0.6mm，排氣門不得小于1.1mm。如果氣門頭部邊緣小于最小邊緣厚度時，應更換氣門。

3、氣門彈簧的檢查

      氣門彈簧常見損壞有折斷、彈力不足、自由長度縮短等。

（1）檢查氣門彈簧有無折斷或裂紋現象。如有，應更換。

（2）檢查氣門彈簧的軸線垂直度。如果軸線垂直度超過1mm，或彈簧外徑的垂直偏差超過2mm，應更換。

（3）用游標卡尺檢查氣門彈簧的自由長度，柴油發電機氣門彈簧的自由長度，進氣門不得低于39.6mm，排氣門不得低于44.0mm。如果超過使用限度應更換。

4、氣門導管的檢修

      氣門導管磨損，使氣門桿與導管間間隙增大，影響氣門的密封性。

（1）檢查方法

      將氣門提起至氣缸蓋平面15mm左右，將百分表架固定于氣缸蓋上，百分表桿頂觸在氣門頂部邊緣處，來回推動氣門)。百分表指針差值即為氣門導管與氣門桿的配合間隙。配合間隙使用限度為：進氣門不得超過1.0mm，排氣門不得超過1.3mm。超過標準值，應更換氣門導管。

（2）更換方法

      更換排氣門導管時，先將汽缸蓋倒置，用專用工具從燃燒室一側壓出氣門導管，再將汽缸蓋翻過來，用專用工具壓入新的氣門導管，直到氣門導管上的卡環接觸到汽缸蓋為止。通常情況下，更換氣門導管后應同時更換新的氣門。更換氣門導管的主要步驟如下：

① 將氣缸蓋加熱至80－100℃后，用專用工具從氣缸蓋上將氣門導管壓出。

② 檢查氣缸蓋上導管座孔、氣門座圈孔、火花塞孔之間是否存在裂紋。如裂紋長度大于0.5mm時，應修復或更換氣缸蓋；如裂紋長度小于0.5mm時，氣缸蓋可繼續使用。

③ 測量導管座孔直徑，選配相應的氣門導管。

④ 將選好的氣門導管外表涂以少許機油，用專用工具將導管壓入氣缸蓋導管座孔內。

⑤ 用鉸刀修鉸氣門導管內徑，并用氣門桿試配，直到氣門桿與氣門導管配合間隙達到規定標準值為止。

 

總結：

      氣門及氣門座是影響發動機可靠性、安全性的關鍵零部件之一，主要用于啟動和關閉發動機工作過程中的進氣道和排氣道，控制燃料混合氣或空氣的進入以及廢氣的排出。氣門及氣門座的工作環境十分惡劣，除承受高溫燃氣的腐蝕外，還要承受氣缸內爆發壓力的沖擊,主要失效模式為磨損。分別為接觸疲勞磨損、高溫腐蝕磨損、磨粒磨損和高溫蠕變，并且磨損失效過程遵循一般機械零件磨損的規律，高溫下的蠕變和腐蝕介質在這一過程中起加速作用。發動機氣門及氣門座磨損失效使得進排氣道關閉不嚴，導致發動機漏氣，氣缸壓力減小，功率下降，耗油增加，嚴重時還會導致發動機排氣冒黑煙，空氣濾清器竄氣，起動困難等。

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