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新闻主题 |
柴油发电机配气机构的结构形式及工作过程 |
摘要：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侧置式（SV）和顶置式（OHV/OHC）两种形式，两者在结构、性能和适用场景上有显著区别。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。
一、配气机构的类别
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，其结构布置如图1所示，原理如图2所示。其中，气门组由气门、气门导管、气门座、气门弹簧、气门弹簧座及气门锁片（或锁销）等零件组成。气门组主要用来开启与关闭进气门与排气门，保证汽缸的可靠密封。因此，工作中要求：气门头部与气门座贴合紧密；气门导管有良好的导向性；气门弹簧上下端面与气门杆中心线垂直，以保证气门头部在落座时不偏斜；气门贴合的弹力足够使气门迅速闭合，并能够保证关闭时紧压在气门座上。
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图1 柴油机配气机构基本结构 |
图2 柴油机配气机构原理动态图 |
1、侧置式气门
侧置式气门配气机构的进、排气门都布置在气缸的一侧，这种配气机构具有结构简单、零件数目少等优点。但由于燃烧室结构不紧凑，热量损失较大，气道比较曲折，气门升程受到一定限制而影响充气和排气，从而使柴油机动力性和经济性的提高受到限制。目前这种型式的配气机构已趋于淘汰。其结构如图3（左）所示。
2、顶置式气门
顶置式气门配气机构由凸轮轴、挺柱、推杆、气门摇臂和气门等零件组成。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。顶置式气门配气机构工作过程如图4所示。
（1）凸轮轴由曲轴通过齿轮驱动。当柴油发电机工作时，凸轮轴即随曲轴转动，对于四冲程柴油发电机而言，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。
（2）当凸轮轴转到凸起部分与挺柱相接触时，挺柱开始升起。通过推杆和调整螺钉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。
（3）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，被压紧的气们弹簧通过气门弹簧座和气门锁片，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。
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图3 柴油机气门布置类型 |
图2 顶置式配气机构原理图 |
二、气门基本零件及作用
气门主要由气门杆部和头部两部分组成。气门的工作条件比较恶劣，进气门承受570～670kPa的压强，排气门承受1050～1200 kPa的压强；气门头部承受气体压力、气门弹簧力等；冷却和润滑条件差；汽缸中燃烧生成物中的物质对气门也有一定的腐蚀作用。因此，要求气门具备强度和刚度大、耐热、耐腐蚀、耐磨等性能。
1、气门头部
气门头部的结构形式主要有平顶、凸顶、凹顶三种形式。为了减少进气阻力，提高汽缸的充气效率，多数柴油机进气门头部直径比排气门大。当两气门一样大时，气门一般有标记。
气门头部与气门座圈的接触面是一个圆锥斜面，这个斜面与气门顶部平面之间的夹角称为气门锥角。气门锥角一般为45°，也有30°。
气门锥角作用是获得较大的气门座合压力，提高密封性和导热性；气门落座时有较好的对中、定位作用；避免气流拐弯过大而降低流速。气门锥角越小，气门口通道截面越大，通过能力越强，落座压力越大，密封和导热性也越好。另外，锥角大时，气门头部边缘的厚度大，不易变形。
进气门锥角主要是为了获得大的通道截面，其本身热负荷较小，往往采用较小的锥角，多用30°，有利于提高充气效率。排气门则因热负荷较大而用较大的锥角，通常为45°，以加强散热（大约75%的气门热量从气门座处散失）和避免受热变形。也有的柴油机为了制造和维修方便，二者都用45°。
如果进气门的气门锥角为45°，而排气门的气门锥角为30°，会产生什么样的后果?
气门头部直径越大，气门口通道截面就越大，进、排气阻力就越小。由于最大尺寸受燃烧室结构的限制，考虑进气阻力比排气阻力对柴油机性能的影响大得多，为尽量减小进气阻力，进气门直径大于排气门。另外，排气门稍小些，还不易变形。气门头部边缘应保持一定厚度，一般为1～3mm，以防工作中冲击损坏和被高温烧蚀。为保证具备良好的密封性，装配前应将气门头与气门座密封锥面互相配对研磨。气门头部的热量是通过气门座和气门杆经气门导管传给汽缸盖的。气门头部向气门杆过渡部分的几何形状应尽量做到圆滑，以防应力集中增加强度，还可减少气流阻力。
2、气门杆部
气门杆部与气门头部制成一体，呈圆柱形，装在气门导管内起导向和散热的作用，其表面应具有较高的加工精度，并经热处理以保证同气门导管的配合精度和耐磨性。气门杆尾端的形状决定气门弹簧座的固定方式，常用的结构是锁片式和锁销式两种。采用剖分或两半的锥形锁片来固定弹簧座时，气门杆的端部切出环槽，利用剖分成两半且外表面为锥面的气门锁片与弹簧座的锥形内表面来固定弹簧座，其结构简单、工作可靠、拆装方便，因此得到广泛的应用。采用锁销式结构时，在气门杆尾端钻一径向通孔，锁销插在通孔内来支承气门弹簧座，而气门弹簧座的边缘又可阻止锁销的松脱。
3、气门油封
柴油机高速化后，进气管中的真空密度显著增高，气门室中的机油会通过气门杆与导管之间的间隙被吸入进气管和汽缸内，除增加机油的消耗外，还会在气门和燃烧室产生积碳。为此，柴油机的气门杆上部都设有机油防漏装置。
三、侧置式和顶置式的主要差异
1、结构布局
（1）侧置式气门（SV）
① 气门布置在气缸体的侧面（靠近气缸壁），与燃烧室不在同一侧。
② 凸轮轴通常位于气缸体内部，通过挺柱直接推动气门开闭。
③ 进、排气道需要通过气缸体绕行到燃烧室，结构相对简单，但气门运动路径较长。
（2）顶置式气门（OHV/OHC）
① 顶置气门（OHV）：气门布置在气缸盖顶部，但凸轮轴仍位于气缸体，通过推杆和摇臂驱动气门。
② 顶置凸轮轴（OHC/DOHC）：气门和凸轮轴均位于气缸盖顶部，凸轮轴直接通过摇臂或液压挺柱驱动气门（无需推杆）。
进、排气道直接通向燃烧室，气流路径更短、更直接。
2、动力性能
（1）侧置式气门
① 优点：结构简单、制造成本低，低速扭矩表现较好。
② 缺点：
● 进排气效率低，气流路径长且弯曲，高转速时充气效率不足。
● 燃烧室形状不规则（气门在侧面），压缩比受限，热效率较低。
● 不适用于高转速、高功率柴油机。
（2）顶置式气门
① 优点：
● 进排气路径短且平顺，充气效率高，适合高转速、高功率柴油机。
● 燃烧室形状更紧凑（如半球形或楔形），压缩比更高，热效率提升。
● 气门响应更快，适合现代高性能柴油机。
② 缺点：结构复杂，制造成本较高（尤其是DOHC）。
3、维护与成本
（1）侧置式气门：机械部件少，维护简单，但气门间隙调整频繁。已逐渐被淘汰，仅用于低端摩托车、小型农用机械或老式柴油机。
（2）顶置式气门
① OHV（推杆式）：需要定期调整气门间隙，推杆可能增加惯性，限制转速。
② OHC/DOHC：维护更复杂，但气门控制更精准，适合高转速柴油机，是现代柴油机主流设计。
总结：
综上所述，侧置式气门具备简单、低效性质，适合低速低负荷场景；而顶置式气门具备高效、复杂特性，适合高转速高功率需求，是现代柴油机的主流设计。尤其是OHC/DOHC顶置式气门凭借更高的热效率和动力性能，已成为柴油机发展的必然方向，而侧置式气门仅存在于历史或特殊应用中。
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