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新闻主题	柴油发电机气门组件的结构、分类和作用

 

摘要：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。否则柴油发电机的功率会下降，严重时柴油发电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。

 

一、气门组件的结构

      气门组件包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、弹簧座及锁紧装置等零件，组成如图1所示。其主要作用是实现气缸的密封和进排气。

1、气门座与气门座圈

       气缸盖上与气门锥面相贴合的部位称气门座，如图2所示。气门座的温度很高，又承受频率极高的冲击载荷，容易磨损。因此，铝气缸盖和大多数铸铁气缸盖均镶嵌由合金铸铁或粉末冶金或奥氏体钢制成的气门座圈。在气缸盖上镶嵌气门座圈可以延长气缸盖的使用寿命。也有一些铸铁气缸盖不镶气门座圈，直接在气缸盖上加工出气门座。    

 

图1  柴油机气门组构成示意图.

图2  柴油机气门结构示意图

 

2、气门导管

      气门导管的功用是对气门的运动导向，保证气门作直线往复运动，使气门与气门座或气门座圈能正确贴合。此外，还将气门杆接受的热量部分地传给气缸盖。气门导管的工作温度较高，而且润滑条件较差，靠配气机构工作时飞溅起来的机油来润滑气门杆和气门导管孔。气门导管由灰铸铁、球墨铸铁或铁基粉末冶金制造。在以一定的过盈将气门导管压入气缸盖上的气门导管座孔之后，再精铰气门导管孔，以保证气门导管与气门杆的正确配合间隙。

3、气门弹簧

      气门弹簧的功用是保证气门关闭时能紧密地与气门座或气门座圈贴合，并克服在气门开启时配气机构产生的惯性力，使传动件始终受凸轮控制而不相互脱离。原理如图3所示，结构如图4所示。

      气门弹簧一般为等螺距圆柱形螺旋弹簧。当气门弹簧的工作频率与其固有的振动频率相等或为整数倍时，气门弹簧就会发生共振。共振时将使配气定时遭到破坏，使气门发生反跳和冲击，甚至使弹簧折断。为防止共振的发生，可采取下列结构措施：

（1）双气门弹簧

      在柴油机和高性能汽油机上广泛采用每个气门安装两个直径不同，旋向相反的内、外弹簧。由于两个弹簧的固有频率不同，当一个弹簧发生共振时，另一个弹簧能起到阻尼减振作用。采用双气门弹簧可以减小气门弹簧的高度，而且当一个弹簧折断时，另一个弹簧仍可维持气门工作。弹簧旋向相反，可以防止折断的弹簧圈卡入另一个弹簧圈内使其不能工作或损坏。

（2）采用变螺距气门弹簧

       某些高性能汽油机采用变螺距单气门弹簧。变螺距弹簧的固有频率不是定值，从而可以避开共振。

（3）采用锥形气门弹簧

      锥形气门弹簧的刚度和固有振动频率沿弹簧轴线方向是变化的，因此可以消除发生共振的可能性。

4、气门旋转机构

      当气门工作时，如能产生缓慢的旋转运动，可使气门头部周向温度分布比较均匀，从而减小气门头部的热变形。同时，气门旋转时，在密封锥面上产生轻微的摩擦力，能够清除锥面上的沉积物。

 

图3  气门弹簧原理图

图4  气门弹簧结构示意图

 

二、气门分类和作用

 

      气门的作用是专门负责向柴油发电机内输入空气并排出燃烧后的废气。从柴油发电机结构上，分为进气门（intake valve）和排气门（exhaust valve）。进气门的作用是将空气吸入柴油发电机内，与燃料混合燃烧；排气门的作用是将燃烧后的废气排出并散热。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柴油发电机；后三者用于强化程度较高的中、大型柴油发电机，并以四气门结构的居多，型式如图5所示。

1、材质

      进气门工作温度稍低，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。气门的材质在中国通常分为40Cr、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo、21-4N和23-8N等。5Cr8Si2、4Cr9Si3、21-2N、21-12N、23-8N、XB等已在一些引进机型上大批量使用。高温镍基合金在高负荷柴油机排气门上也开始应用。

2、气门锥面

      气门锥面是气门与气门座之间的配合面（如图6所示），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之间即可。

 

图5  四气门组合图

图6  气门结构图

 

3、气门顶

      气门顶面有平顶、凹顶和凸顶等形状，如图7所示。目前应用最多的是平顶气门，其结构简单，制造方便，受热面积小，进、排气门都可采用。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。

4、气门锥角

      气门锥面的锥角一般为30°或45°，如图8所示。也有少数内燃柴油发电机做成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，有的柴油发电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，不少柴油发电机进、排气门锥角均采用45°。

5、气门座

      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。

6、气门头

      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。考虑到进气阻力对柴油发电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。有些柴油发电机的进、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，有些柴油发电机在排气门的密封锥面上，堆焊一层特种合金。

7、气门杆

     气门杆呈圆柱型，在气门导管中不断进行往复运动，其表面必经过热处理和磨光。气门杆端部的形状取决于气门弹簧的固定形式，常用的结构是两半锁片来固定弹簧座，气门杆的端部有环槽来安装锁片，有的是用锁销来固定，其端部有一安装锁销用的孔。

 

图7  气门顶形状类型

图8  气门锥角示意图

 

三、气门组的检修

 

      发动机工作时，气门受冲击性交变载荷，当气门出现跳动或当配气机构间隙过大时，载荷将显著增加。在高机械负荷下，易造成气门杆及气门头部变形、漏气及严重磨损。特别是排气门还承受高热负荷。气门常见损坏有气门及气门座工作面磨损和烧蚀、气门杆弯曲和磨损、气门杆端面磨损、气门杆与导管配合松旷等。

1、气门的检查

① 用千分表检查气门杆的弯曲，所示，表针摆差不应超过0.05mm。或将气门杆放在平板上滚动检查，如有弯曲时，应进行校正或更换。

② 测量气门杆的磨损程度。用螺旋测微器测量气门杆上、中、下三个部位。通常将测量结果与气门杆尾部未磨损部分对比，若超过0.05mm，或用手触摸有明显的阶梯形感觉时，应更换气门。

③ 检查气门长度。气门杆尾端磨损不平，应用砂轮修复，磨削量不得超过0.50mm。

④ 检查气门工作面是否因磨损出现起槽、变宽和烧蚀出现斑点、凹陷。如有，应进行光磨。

2、气门的光磨

      气门光磨通常在气门光磨机上进行，要求磨削量尽量小，以延长其使用寿命。气门工作面光磨工艺如下：

① 检查砂轮轮面情况。如砂轮不平整，应更换砂轮。

② 将气门夹于夹座内，调整气门夹座的位置，使气门和砂轮成一定的角度(该角度应符合气门锥面的锥度)，开动气门光磨机，操纵手柄，即可进行光磨。柴油发电机气门锥角为：进气门60°，排气门45°。

③ 开动夹架电动机，观察气门是否有摇摆现象。如有摇摆，重新调整夹架；如无摇摆，再开动砂轮电动机进行光磨。光磨时，一手转动横向手柄，使气门慢慢向右移动，一手转动纵向手柄，使砂轮渐渐移向气门工作面，并来回转动横向手柄，使气门工作面在砂轮面上左右慢慢移动，以保持砂轮平整。应注意：气门不能移出砂轮面，以防打坏砂轮和气门。光磨时应打开冷却液开关。光磨机砂轮粗糙时，可用“300”号砂布磨光气门工作面。

④ 磨削后，退出砂轮，关闭电动机和冷却液开关。气门光磨后，其边缘将逐渐变薄，工作时容易变形和烧毁。进气门边缘厚度不得小于0.6mm，排气门不得小于1.1mm。如果气门头部边缘小于最小边缘厚度时，应更换气门。

3、气门弹簧的检查

      气门弹簧常见损坏有折断、弹力不足、自由长度缩短等。

（1）检查气门弹簧有无折断或裂纹现象。如有，应更换。

（2）检查气门弹簧的轴线垂直度。如果轴线垂直度超过1mm，或弹簧外径的垂直偏差超过2mm，应更换。

（3）用游标卡尺检查气门弹簧的自由长度，柴油发电机气门弹簧的自由长度，进气门不得低于39.6mm，排气门不得低于44.0mm。如果超过使用限度应更换。

4、气门导管的检修

      气门导管磨损，使气门杆与导管间间隙增大，影响气门的密封性。

（1）检查方法

      将气门提起至气缸盖平面15mm左右，将百分表架固定于气缸盖上，百分表杆顶触在气门顶部边缘处，来回推动气门)。百分表指针差值即为气门导管与气门杆的配合间隙。配合间隙使用限度为：进气门不得超过1.0mm，排气门不得超过1.3mm。超过标准值，应更换气门导管。

（2）更换方法

      更换排气门导管时，先将汽缸盖倒置，用专用工具从燃烧室一侧压出气门导管，再将汽缸盖翻过来，用专用工具压入新的气门导管，直到气门导管上的卡环接触到汽缸盖为止。通常情况下，更换气门导管后应同时更换新的气门。更换气门导管的主要步骤如下：

① 将气缸盖加热至80－100℃后，用专用工具从气缸盖上将气门导管压出。

② 检查气缸盖上导管座孔、气门座圈孔、火花塞孔之间是否存在裂纹。如裂纹长度大于0.5mm时，应修复或更换气缸盖；如裂纹长度小于0.5mm时，气缸盖可继续使用。

③ 测量导管座孔直径，选配相应的气门导管。

④ 将选好的气门导管外表涂以少许机油，用专用工具将导管压入气缸盖导管座孔内。

⑤ 用铰刀修铰气门导管内径，并用气门杆试配，直到气门杆与气门导管配合间隙达到规定标准值为止。

 

总结：

      气门及气门座是影响发动机可靠性、安全性的关键零部件之一，主要用于启动和关闭发动机工作过程中的进气道和排气道，控制燃料混合气或空气的进入以及废气的排出。气门及气门座的工作环境十分恶劣，除承受高温燃气的腐蚀外，还要承受气缸内爆发压力的冲击,主要失效模式为磨损。分别为接触疲劳磨损、高温腐蚀磨损、磨粒磨损和高温蠕变，并且磨损失效过程遵循一般机械零件磨损的规律，高温下的蠕变和腐蚀介质在这一过程中起加速作用。发动机气门及气门座磨损失效使得进排气道关闭不严，导致发动机漏气，气缸压力减小，功率下降，耗油增加，严重时还会导致发动机排气冒黑烟，空气滤清器窜气，起动困难等。

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