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柴油发电机气门组的结构形式和作用 |
摘要：随着当前社会的发展，柴油机在不同的行业领域当中都发挥着重要的作用，同时气门部件作为柴油机的重要组件，发挥受巨大的作用，另外在使用过程当中也需要符合相关的要求。气门组主要特点是进气口的直径要大于排气口，主要是为了增加进气量，来提高燃烧效率，从而获得更好的动力输出。只有了解气门组件的结构特点，并且根据维修注意事项去进行把握，才能够更好地提高柴油机气门组件的使用效率。
一、气门组功用与工作条件
气门作为发动机工作过程中密封进排气口的关键基础零件，用于封锁气流通道，控制发动机的气体交换。进排气门由最初的单金属整体结构气门，发展到双金属焊接结构气门、单金属或双金属堆焊合金气门、表面处理气门、中空钠冷双金属气门等。
1、气门工作条件
不同结构的气门适用于不同的发动机使用工况条件，如低负荷发动机常采用单金属整体结构气门或对气门进行镀铬氮化表面处理，这样在满足发动机性能要求的同时利于降低成本；中等负荷发动机多采用双金属焊接结构气门并对气门进行镀铬氮化表面处理；对锥面磨损强化度大的发动机，常采用单金属或双金属堆焊合金气门；高温高转速发动机常采用中空钠冷双金属气门，如缸内直喷涡轮增压汽油机，其排气门常采用中空钠冷气门结构，这样在降低气门最高工作温度的同时，还能降低高转速工况下的工作惯性力，满足发动机性能要求。
随着发动机强化程度的不断提高，气门的使用工况愈加复杂，工作条件恶劣，不仅处于高温的氧化腐蚀性气氛中承受着反复的冲击负荷，还承受着热应力、锥面内应力及燃烧时气体压力等共同作用，加之冷却条件不良和气门材料导热系数较小，气门在落座时还承受冲击载荷及弹簧力等，气门工作受力较为复杂。
2、气门组的作用
气门组主要作用是依照凸轮轴的带动通过顶杆来控制每一缸的进气和排气，实现柴油发电机的正常运转。
（1）起导向作用
保证气门作直线往复运动。
（2）起导热作用
将气门头部传给杆身的热量，通过汽缸盖传出去。气门杆与导管之间一般留有0.05～0.12mm的间隙。
3、气门作用
驱动控制气门的开闭。
（1）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；
（2）排气门的作用是将燃烧后的废气排出并散热。
二、气门结构组成
气门组包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座、气门半圆锁片（锁销）等零件组成。其中，气门分为气门头、气门座和气门杆三部分。气门座与气门座圈共同构成一个功能单元。因此将一起介绍气门座圈和气门座。气门头是指气门的整个下部区域，带有气门面和内圆角。此处承受由燃烧压力产生的作用力。设计气门面高时考虑了这种情况。气门主要分为单一金属气门、双金属气门和空心气门。无论气门是由一种还是由多种材料制成，无论采用空心还是实心形式，气门的结构都基本相同，如图1所示。
1、气门杆
气门杆用于气门在气门导管内导向。气门杆从固定气门锁夹的凹槽处直至内圆角过渡处或刮油边处。为避免气门杆磨损，气门杆采用镀铬表面。
如果气门杆端部带有用于气门自由转动的凹槽，则与气门锁夹接触的区域必须进行淬火处理，以免磨损。这些凹槽与气门锁夹形成结构连接，气门弹簧可支撑在该部位处。
空心气门用于排气门侧，以便降低内圆角和气门面附近的温度，为此气门该区域采用空腔结构，如图2所示。其材质为传导热量，气门杆空腔容积约60%的部分填充有可自由移动的金属钠。钠在97.5℃时熔化，并根据发动机转速在气门空腔内产生相应的振动作用。内圆角和气门头处产生的部分热量通过液态钠传至气门导管并进入冷却循环回路，从而显著降低气门温度。空心气门可采用单一金属或双金属气门结构。
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图1 气门结构图 |
图2 气门杆位置图 |
2、气门座
气门座也叫气门盘，主要承担隔开燃烧室与气道的作用。此外，热量也通过此处从气门传至气缸盖。气门处于关闭状态时，气门座表面与气缸盖气门座圈靠在一起。气门座表面的宽度没有统一标准。气门座表面较窄时可改善密封效果，但会削弱散热能力。
气缸盖上与气门锥面相贴合的部位称气门座，如图3所示。气门座的温度高容易磨损，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。
通常情况下，承受较小负荷的进气门座比承受高负荷的排气门座窄。气门座宽度为1.2～ 2.0mm。确保气门座位置正确非常重要。
3、气门头部的结构形式
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。
气门头部有平顶式、凸顶式（球面）和凹顶（喇叭）式三种结构形式，如图4所示。
（1）平顶结构的气门具有结构简单，制造方便，受热面积小等优点
（2）喇叭顶气门进气阻力小，质量小
（3）球面顶气门排气阻力小温能力强。
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图3 气门座位置示意图 |
图4 气门头部结构形式 |
三、气门安装
为提高进、排气量，康明斯N系列和K修理柴油发电机的每个气缸装有4个气门（2个气门和2个排气门）。进、排气门均采用平顶式，气门锥角均为30°。气门有两种制作方法，一种是用金属制作的，另一种是在前面密封锥面上推焊有特种合金。为了提高排气门在高温下的耐热和耐腐蚀性，提高排气门的使用寿命，在排气门密封锥面上推焊有耐热合金。
1、气门排列顺序
以六缸机为例，从前到后为-进-进-排-排-进-进-排-排-进-进-排。
2、气门的位置
气门导管压装在气缸盖上，在导管的上端面有较大的外倒角，以减少机油流入气缸的可能性。
3、气门座安装
气门座与气门头部共同对气缸起密封作用，并接受气门床来的热量。气门座用较好的材料制作，然后再气缸盖上。为减少进气门的磨损，进气门座的接触带比排气门要宽些，在更换气门座时一定要辨认清楚，不要将进气门座安装到排气门座的位置上。
四、气门锥面强化措施
在发动机参数、工况及配气机构确定的情况下，气门锥面工作可靠性与寿命主要取决如下因素：与座圈摩擦副配合的相容性、座圈可靠性与寿命、气门锥面材料及气门锥面强化措施。
1、气门锥面强化思路
气门根据进气、排气功能分为进气门和排气门，由于各自工况的不同，其材料、结构、外形尺寸、局部表面强化等也会不同。气门工作温度作为气门材料选用的首要参数，再结合气门工作负荷、座圈技术方案、发动机功率、转速、爆压及B10指标等确定气门材料、气门结构和气门局部表面强化等设计方案。
气门锥面角度、与座圈的密封面宽度是气门外形尺寸中直接影响锥面磨损的两个因素。锥面角度对锥面磨损影响很大，增大锥角可减少磨损，同时需注意大锥角难以挤掉与座圈之间的沉积物。重型发动机进气门常采用120°～150°锥角，排气门常采用110°～130°锥角，与座圈接触密封面宽度越大，其抗磨损性能越强，但更大的接触宽度将一定程度影响气门密封性能，六缸重型发动机气门与座圈接触密封面宽度按2.4～4.4mm进行布置设计。
2、气门锥面强化措施
目前重型发动机气门材料主要采用马氏体耐热钢、奥氏体耐热钢、铁镍基高温合金及镍基高温合金。为满足发动机强化要求，行业上对气门锥面常采用的主要强化措施有：马氏体表面感应淬火处理、氮化处理、锥面堆焊、奥氏体表面硬化处理及新型结构气门应用等。
（1）马氏体表面淬火处理
目前市场上有部分重型发动机进气门采用整体40Cr10Si2Mo、85Cr18Mo2V马氏体耐热钢，主要应用于没采用外部EGR或进气门工作温度≤550℃的重型柴油机。马氏体耐热钢材料在拥有较好的高温性能的同时，还可以采用高频感应淬火，对气门锥面、气门杆端进行表面淬火强化，可大幅度提高表面耐磨损性能。
以85Cr18Mo2V马氏体材料为例，锥面经表面感应淬火后，表面硬度可达48～56HRC，淬硬度层深可达0.5～2.5mm。气门杆部常按镀硬铬处理。也有一些发动机厂，为进一步提升马氏体表面淬火后耐磨损性能，对锥面已经表面感应淬火后再进行整体氮化处理，这样气门锥面拥有感应淬火层数及氮化层数双重抗磨损性能，气门更耐磨损。
（2）整体氮化处理
气门经过氮化处理后，氮化层可提高磨损性能。重型发动机市场上更多的是对奥氏体耐热钢及铁镍基高温合金进行氮化（奥氏体耐热钢不能利用高频感应淬火对表面进行硬化），以提高气门耐磨损性能。
氮化是在材料的外表面形成铁铬氮化合物的渗层，它具有较高的硬度（气门用奥氏体耐热钢经氮化后，氮化层最低硬度达1000HV），所以有良好的抗磨性和耐蚀性。盐浴氮化工艺应用仅限于铁基合金材料，镍基合金则不会产生有效的扩散层和混合层，故不能提高其耐磨性能。
（3）锥面堆焊
气门锥面是否需要堆焊取决于发动机强化程度，锥面堆焊应用于最严苛锥面磨损工况、高寿命锥面使用要求及高腐蚀锥面使用工况。多数高附加值气门最终被锥面堆焊，堆焊强化主要应用于船机气门、重油发动机气门、部分燃气机气门和部分重型发动机气门。
锥面堆焊可大幅降低磨损，在发动机总的运行期间起到更好的密封效果。堆焊气门焊层失效风险大及生产成本较高，极大限制了堆焊的应用。行业上普遍采用PTA等离子焊法进行锥面堆焊，Stellit合金一直是气门锥面堆焊主要材料，考虑到钴元素的成本及战略特性，很多企业开始采用镍基铁基合金粉。堆焊合金材料选择除要考虑堆焊合金应用范围外，同时应考虑堆焊合金与基体材料之间的平均热膨胀系数，堆焊合金与基体材料热膨胀系数越接近可靠性越高。
堆焊层深设计取决于发动机寿命要求或气门磨损极限要求，一般情况下，气门越大堆焊层相应较深。但不推荐过深的锥面堆焊层深，原因如下：满足气门磨损极限情况下过深的堆焊层深造成浪费，最小的堆焊层深在能满足气门整体寿命情况下即可，堆焊层深尺寸要求标注为最小保证多少层深；过深的堆焊层堆焊质量难控制，气门锥面堆焊层深按≥0.8～1.2mm设计。
气门锥面堆焊槽型应结合气门座两者的密封带来确定，以推荐的气门锥面与气门座密封带为例如图5所示，堆焊槽型确定参考见图6。
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图5 气门与座圈锥面宽度 |
图6 气门堆焊槽型示意图 |
（4）奥氏体表面硬化处理
奥氏体钢、铁镍基高温合金和镍基高温合金在常温下为奥氏体组织，无磁性，奥氏体材料不能利用高频感应淬火对表面进行硬化，常采用氮化处理后提高表面耐磨损性能。但是由于氮化层较浅，耐磨损性能受到一定限制。
奥氏体材料气门不能通过相变使锥面强化，但奥氏体材料冷作硬化现象明显，行业上各厂家利用冷作硬化原理对奥氏体材料气门锥面进行表面硬化处理，主要应用于重型发动机采用镍基高温合金材料的排气门。目前已有相关行业标准对硬化后硬度进行的规定，如机械行业标准JB/T11878－2014《往复式大功率内燃机进、排气门技术条件》，对于非堆焊的高温合金盘锥面硬度规定应满足≥450HV要求。
奥氏体表面硬化处理既兼顾了锥面堆焊气门耐磨的优点，又避免了堆焊焊层失效风险大及生产成本较高的缺点，因此具备很好的应用前景。
总结：
柴油机气门组部件对柴油机发挥着重要的作用，所以在柴油机的使用过程当中，应该着重的注意，只有把握好柴油机气门组件的使用以及维修要点，才能够有效地延长柴油机的使用寿命，提高柴油机在使用过程当中带来的经济效益。
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