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设备装配与结构组成 |
柴油发电机的气门组件结构及功用 |
摘要：柴油发电机的气门组件主要是用来密封柴油机的进气道和排气道，并保证柴油机正常换气。其主要组成部件是气门、气门弹簧、气门导管、气门座圈及锁紧装置等。气门组件在整个柴油机中的润滑和冷却条件极差，且受到交变载荷的冲击和高温、腐蚀等的影响，所以这部分零件极易发生故障。气门组件损坏后，柴油机会出现很多故障现象，例如油耗增加、功率降低、起动困难和排烟异常等。因此，气门组是发动机中非常重要的一个部件，它的的结构设计和工作原理直接影响着发动机的性能和效率。
一、气门组结构与功用
1、进气门和排气门
气门的功用是密封燃烧室，并使柴油机的各气缸得到正常换气（工作原理及位置如图1所示）。气门主要由头部和杆部两部分构成（如图2所示）。气门头部的形状有平顶、凸顶和凹顶，目前使用较多的是平顶，这主要是因为平顶气门的头部形状简单、制造方便，受热面积小等特点。柴油机为了提高燃烧室内的进气量，进气门的头部一般做的比排气门大，因为增大进气门可以减小进气阻力，增大进气量，这比增大排气们减小排气阻力更为有效。
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图1 进排气门工作原理及位置图 |
图2 气门结构图 |
（1）气门材料
进气门一般用中碳合金钢制造，如铬钢、铬钼钢和镍铬钢等。排气门则采用耐热合金钢制造，如硅铬钢、硅铬钼钢、硅铬锰钢等。
（2）气门的工作条件
气门的工作条件非常恶劣。首先，气门直接与高温燃气接触，受热严重，而散热困难，因此气门温度很高。其次，气门承受气体力和气门弹簧力的作用，以及由于配气机构运动件的惯性力使气门落座时受到冲击。第三，气门在润滑条件很差的情况下以极高的速度启闭并在气门导管内作高速往复运动。此外，气门由于与高温燃气中有腐蚀性的气体接触而受到腐蚀。
（3）气门数量
一般发动机采用较多的是每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门。这种结构在可能的条件下应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径，以改善汽缸的换气性能。但是，由于受到燃烧室尺寸的限制，从理论上讲，最大气门直径一般不超过汽缸直径的一半。
当汽缸直径较大、活塞平均速度较高时，每缸一进一排的气门结构就不能满足发动机对换气的要求。这就要采用每缸三气门、四气门（如图3所示）甚至五气门的结构。
（4）气门锥面
进排气门密封锥面的斜角也有不同，进气门一般采用30℃的斜角，排气门一般采用45℃的斜角（如图4所示）。进气门的锥面采用30℃的斜角，主要是因为较小的锥面斜角可使气流通过断面的流量增大，进气阻力较小，可以增加进气量，但气门头部边缘较薄，刚度较差，致使密封性变差。较大气门锥角可提高气门头部边缘的刚度，气门落座时有较好的自动对中作用及较大的接触压力，有利于密封与传热及挤掉密封锥面上的积炭。
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图3 四气门工作示意图 |
图4 气门锥面和顶面夹角示意图 |
2、气门导管
气门导管分为带卡环槽和底部带锐边两种结构形式，如图5（a）所示。其作用是给往复运动的气门起着导向用途，并保证气门头部准确地落在气门座上，同时还够把气门的部分热量传出去。气门导管一般采用铸铁铸成，由于它在高温和温润条件较差的环境下工作，所以该部件较易出现磨损现象。气门导管与气门杆部在长期的相对运动的磨损中，易使两者之间的配合间隙增大。正常情况下，进气门与导管的间隙为0.09mm左右，排气门与导管的间隙约为0.12mm，当间隙增大到极限值0.26mm时，气门导管与气门应成对换新。若装配时间间隙过小，则易出现气门卡死现象。
气门导管的上端装有橡胶气门油封，结构如图5（b）。为了防止导管在使用过程中松动脱落，有的发动机在气门导管的中部加装定位卡环。
3、气门座与门座圈
气门座圈是为往复运动的气门而设计的，它与气门一起用来密封燃烧室。气门座圈一般采用耐热铁制造，并压入气缸盖中，气门座圈长期受到气门的连续冲击和高温、高压气体的腐蚀，在使用过程中特别容易发生故障。在长期的工作中气门座圈的锥面容易产生麻点、凹坑、座圈缩短和磨损变宽等现象。
气门座通常分为圆柱面、圆锥面和镶嵌面三种结构形式，按照锥面角度又分为锥角相同和不同两种，如图6所示。其中，镶嵌面式气门座的导热性差，加工精度要求高，如果镶入时公差配合选择不当，高温下工作时易脱落，容易导致重大机械事故。
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图5 气门导管和油封结构图 |
图6 气门座圈结构和锥角 |
4、气门弹簧
气门弹簧的作用是保证气门快速地落在气门座圈上紧密地闭合，并防止气门在开闭过程中因惯性力的作用而与传动机构脱开。气门弹簧应具有足够大的弹力，若弹力不足或断裂会直接影响到燃烧室的工作状况。为此，维修人员在装配气门弹簧时，应对其弹力进行检查。当旧弹簧的自由长度小于同一型号新弹簧约4mm时，应更换新弹簧。气门上含有内外弹簧时，在装配过程中应使内外弹簧的螺旋方向相反，防止单个弹簧断裂后而影响到另一个弹簧。
气门弹簧分为等螺距圆柱形、变螺距圆柱形和双气门弹簧三种形式，具体形状分类如图7所示。为了防止弹簧发生共振，可采用变螺距圆柱弹簧（如图7b）。现代高速发动机多采用同心安装的内、外双气门弹簧（如图7c），这样既提高了气门弹簧工作的可靠性，又能有效地防止共振的发生。
气门弹簧座的固定方式有2种，如图8所示。
（1）如图8（a）所示，锁片式是将整个中空圆锥剖开分为两半，所述内孔具有环形凸起，弹簧座中心孔为圆锥形，与锁片的外锥面紧密配合.
（2）如图8（b）所示，锁销固定方法相对简单。将弹簧座与弹簧一起压下后，将锁销插入阀杆尾部的径向孔中。放松弹簧座后，锁销正好位于弹簧座外侧的凹点内，防止弹簧座脱落。
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图7 气门弹簧分类 |
图8 气门弹簧座的固定方式 |
二、配气相位
配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间，通常用环形图表示，即配气相位图，如图9所示。为了使进气充足，排气干净，除了从结构上进行改进外（如增大进、排气管道），还可以从配气相位上采取措施，如气门能否早开晚闭，延长进、排气时间。
1、 配气相位机构
由于柴油机工作时需要新鲜空气和燃料混合燃烧才能做功，而配气相位机构正是向气缸提供新鲜空气的机构，其同时还负责将将燃烧做功之后的废气排出柴油机，主要功能就是按一定的时间周期开、关各气缸的进、排气气门，工作原理如图10所示。
空气在被吸入柴油机时是具有惯性的，所以在进气过程结束后，进气系统中的空气依然保持着进入气缸的趋势，这时如果延迟进气门的关闭时间就可以让气缸吸入更多空气，提高容积效率。相对来说，延迟气门的关闭时间可以提升高转速下的性能表现，反过来缩短气门关闭时间，则可以让低转速扭矩得到提升。
2、气门早开晚闭
活塞到达进气下止点时，由于进气吸力的存在，汽缸内气体压力仍然低于大气压，在大气压的作用下仍能进气；另外，此时进气流还有较大的惯性。由此可见，进气门晚关可以增加进气量。进气门早开，可使进气一开始就有一个较大的通道面积，可增加进气量。
在做功行程快要结束时，排气门打开，可以利用做功的余压使废气高速冲出汽缸，排气量约占50%。排气门早开，势必造成功率损失，但因气压低，损失并不大，而早开可以减少排气所消耗的功，又有利于废气的排出，所以总功率仍是提高的。由此可见，气门具有早开晚闭的可能，它对发动机实际工作的好处如下：
① 进气门早开：
增大了进气行程开始时气门的开启高度，可减小进气阻力，增加进气量。
② 进气门晚关：
延长了进气时间，在大气压和气体惯性力的作用下增加进气量。
③ 排气门早开：
借助汽缸内的高压自行排气，大大减小了排气阻力，使排气干净。
④ 排气门晚关：
延长了排气时间，在废气压力和废气惯性力的作用下使排气干净。
3、气门重叠
由于进气门早开，排气门晚关，势必造成在同一时间内两个气门同时开启。两个气门同时开启时间相当的曲轴转角，叫做气门重叠角。在这段时间内，可燃混合气和废气不会乱串。这是因为：进、排气流各自有自己的流动方向和流动惯性，而重叠时间又很短，不至于混乱，即吸入的可燃混合气不会随同废气排出，废气也不会经进气门倒流入进气管，而只能从排气门排出；进气门附近有降压作用，有利于进气。
4、进、排气门的实际开闭时刻和延续时间
（1）实际进气时刻和延续时间：
在排气行程接近终了时，活塞到达上止点前，即曲轴转到离上止点还差一个角度（进气提前角）α，进气门便开始开启，进气行程直到活塞越过下止点β（进气延尺角）时，进气门才关闭。整个进气过程延续时间相当于曲轴转角180°+α+β。
一般情况下，α=10°～30°，β=40°～80°，故进气过程曲轴转角为230°～290°。
（2）实际排气时刻和延续时间：
做功行程接近终了时，活塞在下止点前排气门便开始开启，提前开启的角度γ一般为40°～80°，活塞越过下止点后δ角排气门关闭，δ一般为10°～30°，整个排气过程相当曲轴转角180°+y+δ，为230°～290°；气门重叠角α+δ=20°～60°。
从上面的分析可以看出，实际配气相位和理论上的配气相位相差很大，气门要早开晚关，主要是为了满足进气充足、排气干净的要求。但实际中，要根据各种机型，经过实验的方法确定气门开关的最适宜时机，由凸轮轴的形状、位置及配气机构来保证。
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图9 柴油发动机配气相位图 |
图10 柴油机配气相位机构示意图 |
总结：
气门组的正常运转对于发动机的稳定性和可靠性非常重要。如果气门组出现故障，比如气门卡松动、气门弹簧失效等，就会导致气门无法正常关闭或打开，从而影响发动机的正常运转。因此，定期检查和维护气门组是保证发动机正常运转的重要措施之一。 气门组是发动机中非常重要的一个部件，它的作用不仅仅是控制气缸内的进气和排气，还直接影响着发动机的性能和效率。因此，对于气门组的设计、调整和维护都需要非常重视。
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