設備裝配與結構組成

柴油發(fā)電機的氣門(mén)組件結構及功用

 

摘要：柴油發(fā)電機的氣門(mén)組件主要是用來(lái)密封柴油機的進(jìn)氣道和排氣道，并保證柴油機正常換氣。其主要組成部件是氣門(mén)、氣門(mén)彈簧、氣門(mén)導管、氣門(mén)座圈及鎖緊裝置等。氣門(mén)組件在整個(gè)柴油機中的潤滑和冷卻條件極差，且受到交變載荷的沖擊和高溫、腐蝕等的影響，所以這部分零件極易發(fā)生故障。氣門(mén)組件損壞后，柴油機會(huì )出現很多故障現象，例如油耗增加、功率降低、起動(dòng)困難和排煙異常等。因此，氣門(mén)組是發(fā)動(dòng)機中非常重要的一個(gè)部件，它的的結構設計和工作原理直接影響著(zhù)發(fā)動(dòng)機的性能和效率。

 

一、氣門(mén)組結構與功用

 

1、進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)

      氣門(mén)的功用是密封燃燒室，并使柴油機的各氣缸得到正常換氣（工作原理及位置如圖1所示）。氣門(mén)主要由頭部和桿部?jì)刹糠謽嫵桑ㄈ鐖D2所示）。氣門(mén)頭部的形狀有平頂、凸頂和凹頂，目前使用較多的是平頂，這主要是因為平頂氣門(mén)的頭部形狀簡(jiǎn)單、制造方便，受熱面積小等特點(diǎn)。柴油機為了提高燃燒室內的進(jìn)氣量，進(jìn)氣門(mén)的頭部一般做的比排氣門(mén)大，因為增大進(jìn)氣門(mén)可以減小進(jìn)氣阻力，增大進(jìn)氣量，這比增大排氣們減小排氣阻力更為有效。

 

圖1  進(jìn)排氣門(mén)工作原理及位置圖

圖2  氣門(mén)結構圖

 

（1）氣門(mén)材料

      進(jìn)氣門(mén)一般用中碳合金鋼制造，如鉻鋼、鉻鉬鋼和鎳鉻鋼等。排氣門(mén)則采用耐熱合金鋼制造，如硅鉻鋼、硅鉻鉬鋼、硅鉻錳鋼等。

（2）氣門(mén)的工作條件

      氣門(mén)的工作條件非常惡劣。首先，氣門(mén)直接與高溫燃氣接觸，受熱嚴重，而散熱困難，因此氣門(mén)溫度很高。其次，氣門(mén)承受氣體力和氣門(mén)彈簧力的作用，以及由于配氣機構運動(dòng)件的慣性力使氣門(mén)落座時(shí)受到?jīng)_擊。第三，氣門(mén)在潤滑條件很差的情況下以極高的速度啟閉并在氣門(mén)導管內作高速往復運動(dòng)。此外，氣門(mén)由于與高溫燃氣中有腐蝕性的氣體接觸而受到腐蝕。

（3）氣門(mén)數量

      一般發(fā)動(dòng)機采用較多的是每缸兩個(gè)氣門(mén)，即一個(gè)進(jìn)氣門(mén)和一個(gè)排氣門(mén)。這種結構在可能的條件下應盡量加大氣門(mén)的直徑，特別是進(jìn)氣門(mén)的直徑，以改善汽缸的換氣性能。但是，由于受到燃燒室尺寸的限制，從理論上講，最大氣門(mén)直徑一般不超過(guò)汽缸直徑的一半。

      當汽缸直徑較大、活塞平均速度較高時(shí)，每缸一進(jìn)一排的氣門(mén)結構就不能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機對換氣的要求。這就要采用每缸三氣門(mén)、四氣門(mén)（如圖3所示）甚至五氣門(mén)的結構。

（4）氣門(mén)錐面

      進(jìn)排氣門(mén)密封錐面的斜角也有不同，進(jìn)氣門(mén)一般采用30℃的斜角，排氣門(mén)一般采用45℃的斜角（如圖4所示）。進(jìn)氣門(mén)的錐面采用30℃的斜角，主要是因為較小的錐面斜角可使氣流通過(guò)斷面的流量增大，進(jìn)氣阻力較小，可以增加進(jìn)氣量，但氣門(mén)頭部邊緣較薄，剛度較差，致使密封性變差。較大氣門(mén)錐角可提高氣門(mén)頭部邊緣的剛度，氣門(mén)落座時(shí)有較好的自動(dòng)對中作用及較大的接觸壓力，有利于密封與傳熱及擠掉密封錐面上的積炭。

 

圖3  四氣門(mén)工作示意圖

圖4  氣門(mén)錐面和頂面夾角示意圖

 

2、氣門(mén)導管

      氣門(mén)導管分為帶卡環(huán)槽和底部帶銳邊兩種結構形式，如圖5（a）所示。其作用是給往復運動(dòng)的氣門(mén)起著(zhù)導向用途，并保證氣門(mén)頭部準確地落在氣門(mén)座上，同時(shí)還夠把氣門(mén)的部分熱量傳出去。氣門(mén)導管一般采用鑄鐵鑄成，由于它在高溫和溫潤條件較差的環(huán)境下工作，所以該部件較易出現磨損現象。氣門(mén)導管與氣門(mén)桿部在長(cháng)期的相對運動(dòng)的磨損中，易使兩者之間的配合間隙增大。正常情況下，進(jìn)氣門(mén)與導管的間隙為0.09mm左右，排氣門(mén)與導管的間隙約為0.12mm，當間隙增大到極限值0.26mm時(shí)，氣門(mén)導管與氣門(mén)應成對換新。若裝配時(shí)間間隙過(guò)小，則易出現氣門(mén)卡死現象。    

      氣門(mén)導管的上端裝有橡膠氣門(mén)油封，結構如圖5（b）。為了防止導管在使用過(guò)程中松動(dòng)脫落，有的發(fā)動(dòng)機在氣門(mén)導管的中部加裝定位卡環(huán)。

3、氣門(mén)座與門(mén)座圈

      氣門(mén)座圈是為往復運動(dòng)的氣門(mén)而設計的，它與氣門(mén)一起用來(lái)密封燃燒室。氣門(mén)座圈一般采用耐熱鐵制造，并壓入氣缸蓋中，氣門(mén)座圈長(cháng)期受到氣門(mén)的連續沖擊和高溫、高壓氣體的腐蝕，在使用過(guò)程中特別容易發(fā)生故障。在長(cháng)期的工作中氣門(mén)座圈的錐面容易產(chǎn)生麻點(diǎn)、凹坑、座圈縮短和磨損變寬等現象。

      氣門(mén)座通常分為圓柱面、圓錐面和鑲嵌面三種結構形式，按照錐面角度又分為錐角相同和不同兩種，如圖6所示。其中，鑲嵌面式氣門(mén)座的導熱性差，加工精度要求高，如果鑲入時(shí)公差配合選擇不當，高溫下工作時(shí)易脫落，容易導致重大機械事故。

 

圖5  氣門(mén)導管和油封結構圖

圖6  氣門(mén)座圈結構和錐角

 

4、氣門(mén)彈簧

      氣門(mén)彈簧的作用是保證氣門(mén)快速地落在氣門(mén)座圈上緊密地閉合，并防止氣門(mén)在開(kāi)閉過(guò)程中因慣性力的作用而與傳動(dòng)機構脫開(kāi)。氣門(mén)彈簧應具有足夠大的彈力，若彈力不足或斷裂會(huì )直接影響到燃燒室的工作狀況。為此，維修人員在裝配氣門(mén)彈簧時(shí)，應對其彈力進(jìn)行檢查。當舊彈簧的自由長(cháng)度小于同一型號新彈簧約4mm時(shí)，應更換新彈簧。氣門(mén)上含有內外彈簧時(shí)，在裝配過(guò)程中應使內外彈簧的螺旋方向相反，防止單個(gè)彈簧斷裂后而影響到另一個(gè)彈簧。

      氣門(mén)彈簧分為等螺距圓柱形、變螺距圓柱形和雙氣門(mén)彈簧三種形式，具體形狀分類(lèi)如圖7所示。為了防止彈簧發(fā)生共振，可采用變螺距圓柱彈簧（如圖7b）?，F代高速發(fā)動(dòng)機多采用同心安裝的內、外雙氣門(mén)彈簧（如圖7c），這樣既提高了氣門(mén)彈簧工作的可靠性，又能有效地防止共振的發(fā)生。

      氣門(mén)彈簧座的固定方式有2種，如圖8所示。

（1）如圖8（a）所示，鎖片式是將整個(gè)中空圓錐剖開(kāi)分為兩半，所述內孔具有環(huán)形凸起，彈簧座中心孔為圓錐形，與鎖片的外錐面緊密配合.

（2）如圖8（b）所示，鎖銷(xiāo)固定方法相對簡(jiǎn)單。將彈簧座與彈簧一起壓下后，將鎖銷(xiāo)插入閥桿尾部的徑向孔中。放松彈簧座后，鎖銷(xiāo)正好位于彈簧座外側的凹點(diǎn)內，防止彈簧座脫落。

 

圖7  氣門(mén)彈簧分類(lèi)

圖8  氣門(mén)彈簧座的固定方式

 

二、配氣相位

 

      配氣相位是用曲軸轉角表示的進(jìn)、排氣門(mén)的開(kāi)啟時(shí)刻和開(kāi)啟延續時(shí)間，通常用環(huán)形圖表示，即配氣相位圖，如圖9所示。為了使進(jìn)氣充足，排氣干凈，除了從結構上進(jìn)行改進(jìn)外（如增大進(jìn)、排氣管道），還可以從配氣相位上采取措施，如氣門(mén)能否早開(kāi)晚閉，延長(cháng)進(jìn)、排氣時(shí)間。

1、 配氣相位機構

      由于柴油機工作時(shí)需要新鮮空氣和燃料混合燃燒才能做功，而配氣相位機構正是向氣缸提供新鮮空氣的機構，其同時(shí)還負責將將燃燒做功之后的廢氣排出柴油機，主要功能就是按一定的時(shí)間周期開(kāi)、關(guān)各氣缸的進(jìn)、排氣氣門(mén)，工作原理如圖10所示。

      空氣在被吸入柴油機時(shí)是具有慣性的，所以在進(jìn)氣過(guò)程結束后，進(jìn)氣系統中的空氣依然保持著(zhù)進(jìn)入氣缸的趨勢，這時(shí)如果延遲進(jìn)氣門(mén)的關(guān)閉時(shí)間就可以讓氣缸吸入更多空氣，提高容積效率。相對來(lái)說(shuō)，延遲氣門(mén)的關(guān)閉時(shí)間可以提升高轉速下的性能表現，反過(guò)來(lái)縮短氣門(mén)關(guān)閉時(shí)間，則可以讓低轉速扭矩得到提升。

2、氣門(mén)早開(kāi)晚閉

      活塞到達進(jìn)氣下止點(diǎn)時(shí)，由于進(jìn)氣吸力的存在，汽缸內氣體壓力仍然低于大氣壓，在大氣壓的作用下仍能進(jìn)氣；另外，此時(shí)進(jìn)氣流還有較大的慣性。由此可見(jiàn)，進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)可以增加進(jìn)氣量。進(jìn)氣門(mén)早開(kāi)，可使進(jìn)氣一開(kāi)始就有一個(gè)較大的通道面積，可增加進(jìn)氣量。

      在做功行程快要結束時(shí)，排氣門(mén)打開(kāi)，可以利用做功的余壓使廢氣高速沖出汽缸，排氣量約占50%。排氣門(mén)早開(kāi)，勢必造成功率損失，但因氣壓低，損失并不大，而早開(kāi)可以減少排氣所消耗的功，又有利于廢氣的排出，所以總功率仍是提高的。由此可見(jiàn)，氣門(mén)具有早開(kāi)晚閉的可能，它對發(fā)動(dòng)機實(shí)際工作的好處如下：

① 進(jìn)氣門(mén)早開(kāi)：

     增大了進(jìn)氣行程開(kāi)始時(shí)氣門(mén)的開(kāi)啟高度，可減小進(jìn)氣阻力，增加進(jìn)氣量。

② 進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)：

      延長(cháng)了進(jìn)氣時(shí)間，在大氣壓和氣體慣性力的作用下增加進(jìn)氣量。

③ 排氣門(mén)早開(kāi)：

      借助汽缸內的高壓自行排氣，大大減小了排氣阻力，使排氣干凈。

④ 排氣門(mén)晚關(guān)：

      延長(cháng)了排氣時(shí)間，在廢氣壓力和廢氣慣性力的作用下使排氣干凈。

3、氣門(mén)重疊

      由于進(jìn)氣門(mén)早開(kāi)，排氣門(mén)晚關(guān)，勢必造成在同一時(shí)間內兩個(gè)氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟。兩個(gè)氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟時(shí)間相當的曲軸轉角，叫做氣門(mén)重疊角。在這段時(shí)間內，可燃混合氣和廢氣不會(huì )亂串。這是因為：進(jìn)、排氣流各自有自己的流動(dòng)方向和流動(dòng)慣性，而重疊時(shí)間又很短，不至于混亂，即吸入的可燃混合氣不會(huì )隨同廢氣排出，廢氣也不會(huì )經(jīng)進(jìn)氣門(mén)倒流入進(jìn)氣管，而只能從排氣門(mén)排出；進(jìn)氣門(mén)附近有降壓作用，有利于進(jìn)氣。

4、進(jìn)、排氣門(mén)的實(shí)際開(kāi)閉時(shí)刻和延續時(shí)間

（1）實(shí)際進(jìn)氣時(shí)刻和延續時(shí)間：

       在排氣行程接近終了時(shí)，活塞到達上止點(diǎn)前，即曲軸轉到離上止點(diǎn)還差一個(gè)角度（進(jìn)氣提前角）α，進(jìn)氣門(mén)便開(kāi)始開(kāi)啟，進(jìn)氣行程直到活塞越過(guò)下止點(diǎn)β（進(jìn)氣延尺角）時(shí)，進(jìn)氣門(mén)才關(guān)閉。整個(gè)進(jìn)氣過(guò)程延續時(shí)間相當于曲軸轉角180°+α+β。

      一般情況下，α=10°～30°，β=40°～80°，故進(jìn)氣過(guò)程曲軸轉角為230°～290°。

（2）實(shí)際排氣時(shí)刻和延續時(shí)間：

      做功行程接近終了時(shí)，活塞在下止點(diǎn)前排氣門(mén)便開(kāi)始開(kāi)啟，提前開(kāi)啟的角度γ一般為40°～80°，活塞越過(guò)下止點(diǎn)后δ角排氣門(mén)關(guān)閉，δ一般為10°～30°，整個(gè)排氣過(guò)程相當曲軸轉角180°+y+δ，為230°～290°；氣門(mén)重疊角α+δ=20°～60°。

      從上面的分析可以看出，實(shí)際配氣相位和理論上的配氣相位相差很大，氣門(mén)要早開(kāi)晚關(guān)，主要是為了滿(mǎn)足進(jìn)氣充足、排氣干凈的要求。但實(shí)際中，要根據各種機型，經(jīng)過(guò)實(shí)驗的方法確定氣門(mén)開(kāi)關(guān)的最適宜時(shí)機，由凸輪軸的形狀、位置及配氣機構來(lái)保證。

  

圖9  柴油發(fā)動(dòng)機配氣相位圖

圖10  柴油機配氣相位機構示意圖

 

總結：

      氣門(mén)組的正常運轉對于發(fā)動(dòng)機的穩定性和可靠性非常重要。如果氣門(mén)組出現故障，比如氣門(mén)卡松動(dòng)、氣門(mén)彈簧失效等，就會(huì )導致氣門(mén)無(wú)法正常關(guān)閉或打開(kāi)，從而影響發(fā)動(dòng)機的正常運轉。因此，定期檢查和維護氣門(mén)組是保證發(fā)動(dòng)機正常運轉的重要措施之一。 氣門(mén)組是發(fā)動(dòng)機中非常重要的一個(gè)部件，它的作用不僅僅是控制氣缸內的進(jìn)氣和排氣，還直接影響著(zhù)發(fā)動(dòng)機的性能和效率。因此，對于氣門(mén)組的設計、調整和維護都需要非常重視。

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