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新闻主题	发动机气门组主要部件组成

 

摘要：柴油发动机气门组包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、弹簧座及锁紧装置等零件。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。

 

一、气门

 

      气门组一般由气门、气门座、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座、气门锁片（锁销）等零件组成，如图1所示。

1、气门的工作条件

      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。否则柴油机的功率会下降，严重时柴油机由于压缩终了温度和压力太低，一直不能着火启动。气门在漏气情况下工作，高温燃气长时间地冲刷进气门，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。

2、气门分类

      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机；后三者用于强化程度较高的中、大型柴油机，并以四气门结构的居多。

      进气门由于工作温度稍低，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。

3、气门结构

      气门主要结构如图2所示。

（1）气门锥面

      气门锥面是气门与气门座之间的配合面，气门的密封性就是依靠两个表面严密贴合来保证的。此外，气门接收燃气的加热量的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1～2mm之间即可。

      气门顶面上有时还铣出一条狭窄的凹槽，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。

（2）锥角

      气门锥面的锥角一般为30°或45°。也有少数柴油发动机做成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，废气中的炭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，不少柴油机进、排气门锥角均采用45°。

      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。

（3）气门头部直径

      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。但直径的大小受气缸顶面的限制。考虑到进气阻力对柴油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。

（4）气门头部边缘

      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，有些柴油机在排气门的密封锥面上，堆焊一层特种合金。

 

图1  柴油机气门组结构组成图

图2  柴油发电机气门结构图

 

 

二、气门导管

 

      气门导管的主要功用是保证气门与气门座有精确的同心度，使气门在气门导管内做往复直线运动。此外，还担负部分传热的任务。

（1）气门导管在250～300℃的高温及润滑不良条件下工作，易磨损。气门导管一般选用灰铸铁或球墨铸铁制造；近年来，我国广泛应用铁基粉末冶金加工气门导管，它在润滑不良的条件下也能可靠工作，磨损很小。

（2）为了防止气门导管可能落入气缸中，在导管露出气缸盖部分嵌有卡环。气门与气门导管之间通常留有一定的间隙。间隙过小会影响气门的运动，在杆身受热膨胀时还可能卡死；间隙过大则气门运动时会有摆动现象，使气门座磨损不均匀。同时机油也容易从间隙中漏入气缸，造成烧机油等不良后果。

 

三、气门座圈

 

      气门座是与气门密封锥面相配合的支承面，它与气门共同保证密封性能，同时它还要把气门头部的热量传递出去。

（1）气门座可以直接在气缸盖或气缸体上加工而成。为了提高气门座表面的耐磨性，有时采用耐热钢、球墨铸铁或合金铸铁制成单独的零件，然后压入相应的孔中。这个零件即称为气门座圈。铝制气缸盖或气缸体进、排气门座都必须采用气门座圈。对于强化柴油机，排气门热负荷高、磨损严重，所以排气门座通常都采用气门座圈。有的增压柴油机，由于进气管中无真空度，所以进气门处得不到机油的润滑，而排气门处由于有废气中的油烟可起到润滑作用，所以进气门座有座圈，而排气门座则没有。

（2）采用气门座圈的优点是提高了座面的耐磨性和寿命，更换和维修也比较方便。缺点是传热条件差，加工要求高，气门座圈如工作时松脱则会造成事故。

（3）气门座圈的外表面有制成圆锥形或圆柱形两种。锥形表面压入座圈孔时，必须按规定的冲力将其压紧。气门座圈如压入铝合金气缸盖中时，其配合表面常制成沟槽，当气门座圈压入后，少量铝金属会挤入沟槽中，在对气门座孔扩口时也会促使铝合金挤入，以提高座圈在座孔中的紧固程度，防止松脱。

（4）气门座紧压在气缸盖的座孔中，磨损后可以更换。气门锥面是气门与气门座之间的配合面，气门的密封性就是依靠两个表面严密贴合来保证的。为了保证密封，每个气门和气门座都要配对研磨，研磨后气门不能互换。

 

四、气门弹簧

 

1、气门弹簧的功用

      保证气门在关闭时能压紧在气门座上，而在运动时使传动件保持相互接触，不致因惯性力的作用而相互脱离，产生冲击和噪声。所以气门弹簧在安装时就有较大的预紧力，同时有较大的刚度。

2、气门弹簧的材料

      通常为高碳锰钢、硅锰钢和镍铬锰钢的钢丝，用冷绕成形后，经热处理而成。为了提高弹簧的疲劳强度，一般用喷丸或喷砂表面处理。

3、气门弹簧类型

 

      气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧，如图3（a）所示。发动机装一根气门弹簧时，可采用变螺距弹簧，见图3（b），以防止共振。现在高速发动机大多采用两根弹簧的结构，见图3（c），弹簧内、外直径不同，旋向不同，它们同心安装在气门导管的外面，不仅可提高弹簧的工作可靠性，防止共振的产生，还可以降低发动机的高度，而且当一根弹簧折断时，另一根还能继续维持工作，不致使气门落入汽缸中。

4、气门弹簧共振

      当气门弹簧的固有振动频率与凸轮轴转速或气门开闭的次数成倍数关系时，就会产生共振。共振会使气门弹簧加速疲劳损坏，配气机构也无法正常工作，因而应极力防止。

      通过增加弹簧刚度来提高固有频率是防止共振的措施之一。但刚度增加，凸轮表面的接触应力加大，使磨损加快，曲轴驱动配气机构所消耗的功也增加。有的柴油机采用变螺距弹簧来防止共振。工作时，弹簧螺距较小的一端逐渐叠合，有效圈数不断减少，因而固有频率也不断增加。这种气门弹簧在安装时，应将螺距较小的一端靠近气门座。

      不少柴油机采用两根气门弹簧来防止共振。内、外两根气门弹簧同心地安装在一个气门上。采用双弹簧的优点除了可以防止共振外，同时当一根弹簧折断时，另一根还可继续维持工作，不致产生气门落入气缸的事故。此外，在保证相同弹力的条件下，双弹簧的高度可比一根弹簧的小，因而可降低整机高度。采用双弹簧时，内、外弹簧的螺旋方向应相反，以避免当一根弹簧折断时，折断部分卡入另一根弹簧中。

4、气门弹簧锁紧装置

      气门弹簧装在气门杆部外边，其一端支承在气缸盖上，而另一端靠锁紧装置固定在弹簧座上。气门弹簧锁紧装置主要有以下三种。

（1）锁片式锁紧装置

      如图4（a）所示，为锁片式锁紧装置。该装置的气门杆尾部有凹槽，分为两半的锥形锁片卡在凹槽中，锁片锥形外圆与弹簧座锥孔配合，在弹簧的作用下使锁片不致脱落。这种气门弹簧锁紧装置应用最为普遍。

（2）锁销式锁紧装置

     如图4（b）所示，为锁销式锁紧装置。该装置在气门杆尾部钻有小孔，在孔内可插入一根锁销，锁销两端露出在气门杆外。弹簧座先放入气门杆中。当锁销插入孔中后，再将弹簧座提起，锁销即卡在弹簧座的凹槽中不致跳出。

（3）锁环式锁紧装置

      如图4（c）所示，为锁环式锁紧装置。该装置在气门杆尾端制出锥面，大端靠尾部。弹簧座内孔也做成锥面。为了能使弹簧座装入气门杆中，在弹簧座上铣有宽度略大于气门杆直径的缺口。气门杆尾端加粗后，气门导管如为整体，则气门无法装入气门导管，因此必须分为两半。显然这种结构在制造和装配方面都比较麻烦。

 

图3  柴油机气门弹簧类别区分

图4 气门弹簧锁紧装置示意图

 

 

五、气门旋转机构

 

      许多新型柴油发动机，为了改善气门、气门座密封锥面的工作条件，延长气门与气门座的使用寿命，采用了如图2所示的气门旋转机构。气门导管上套有一个固定不动的支承盘，支承盘上有若干条弧形凹槽，槽内装有钢球和回位弹簧，支承盘的上面套有碟形弹簧、支承圈和卡环，气门弹簧下端落在支承圈上。

 

图5  柴油发电机气门旋转机构

 

      当气门处于关闭状态时，气门弹簧的预紧力通过支承圈将碟形弹簧压在弹簧支承盘5的上面，此时碟形弹簧和钢球没有接触。当气门处于开启状态时，气门弹簧通过支承圈压缩碟形弹簧，使碟形弹簧和钢球接触，钢球在碟形弹簧的压迫下，沿着弹簧支承盘上的底面为斜坡的凹槽滚动一定距离。这样，几个小钢球就拖动碟形弹簧、支承圈、气门弹簧及气门转动一定角度。当气门关闭后，钢球和碟形弹簧脱离接触，在回位弹簧的作用下回到坡面的高点上。气门每开启一次，就旋转一定角度，从而减少气门座合面的积炭，改善密封性，并减少气门与气门座局部过热与不均匀磨损。气门旋转机构多用于高速、大功率柴油机的进气门上。

 

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