設備裝配與結構組成

柴油發電機的氣門組件結構及功用

 

摘要：柴油發電機的氣門組件主要是用來密封柴油機的進氣道和排氣道，并保證柴油機正常換氣。其主要組成部件是氣門、氣門彈簧、氣門導管、氣門座圈及鎖緊裝置等。氣門組件在整個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生故障。氣門組件損壞后，柴油機會出現很多故障現象，例如油耗增加、功率降低、起動困難和排煙異常等。因此，氣門組是發動機中非常重要的一個部件，它的的結構設計和工作原理直接影響著發動機的性能和效率。

 

一、氣門組結構與功用

 

1、進氣門和排氣門

      氣門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）。氣門主要由頭部和桿部兩部分構成（如圖2所示）。氣門頭部的形狀有平頂、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的頭部形狀簡單、制造方便，受熱面積小等特點。柴油機為了提高燃燒室內的進氣量，進氣門的頭部一般做的比排氣門大，因為增大進氣門可以減小進氣阻力，增大進氣量，這比增大排氣們減小排氣阻力更為有效。

 

圖1  進排氣門工作原理及位置圖

圖2  氣門結構圖

 

（1）氣門材料

      進氣門一般用中碳合金鋼制造，如鉻鋼、鉻鉬鋼和鎳鉻鋼等。排氣門則采用耐熱合金鋼制造，如硅鉻鋼、硅鉻鉬鋼、硅鉻錳鋼等。

（2）氣門的工作條件

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

（3）氣門數量

      一般發動機采用較多的是每缸兩個氣門，即一個進氣門和一個排氣門。這種結構在可能的條件下應盡量加大氣門的直徑，特別是進氣門的直徑，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，最大氣門直徑一般不超過汽缸直徑的一半。

      當汽缸直徑較大、活塞平均速度較高時，每缸一進一排的氣門結構就不能滿足發動機對換氣的要求。這就要采用每缸三氣門、四氣門（如圖3所示）甚至五氣門的結構。

（4）氣門錐面

      進排氣門密封錐面的斜角也有不同，進氣門一般采用30℃的斜角，排氣門一般采用45℃的斜角（如圖4所示）。進氣門的錐面采用30℃的斜角，主要是因為較小的錐面斜角可使氣流通過斷面的流量增大，進氣阻力較小，可以增加進氣量，但氣門頭部邊緣較薄，剛度較差，致使密封性變差。較大氣門錐角可提高氣門頭部邊緣的剛度，氣門落座時有較好的自動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  四氣門工作示意圖

圖4  氣門錐面和頂面夾角示意圖

 

2、氣門導管

      氣門導管分為帶卡環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的氣門起著導向用途，并保證氣門頭部準確地落在氣門座上，同時還夠把氣門的部分熱量傳出去。氣門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境下工作，所以該部件較易出現磨損現象。氣門導管與氣門桿部在長期的相對運動的磨損中，易使兩者之間的配合間隙增大。正常情況下，進氣門與導管的間隙為0.09mm左右，排氣門與導管的間隙約為0.12mm，當間隙增大到極限值0.26mm時，氣門導管與氣門應成對換新。若裝配時間間隙過小，則易出現氣門卡死現象。    

      氣門導管的上端裝有橡膠氣門油封，結構如圖5（b）。為了防止導管在使用過程中松動脫落，有的發動機在氣門導管的中部加裝定位卡環。

3、氣門座與門座圈

      氣門座圈是為往復運動的氣門而設計的，它與氣門一起用來密封燃燒室。氣門座圈一般采用耐熱鐵制造，并壓入氣缸蓋中，氣門座圈長期受到氣門的連續沖擊和高溫、高壓氣體的腐蝕，在使用過程中特別容易發生故障。在長期的工作中氣門座圈的錐面容易產生麻點、凹坑、座圈縮短和磨損變寬等現象。

      氣門座通常分為圓柱面、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，鑲嵌面式氣門座的導熱性差，加工精度要求高，如果鑲入時公差配合選擇不當，高溫下工作時易脫落，容易導致重大機械事故。

 

圖5  氣門導管和油封結構圖

圖6  氣門座圈結構和錐角

 

4、氣門彈簧

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

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

      氣門彈簧座的固定方式有2種，如圖8所示。

（1）如圖8（a）所示，鎖片式是將整個中空圓錐剖開分為兩半，所述內孔具有環形凸起，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，鎖銷固定方法相對簡單。將彈簧座與彈簧一起壓下后，將鎖銷插入閥桿尾部的徑向孔中。放松彈簧座后，鎖銷正好位于彈簧座外側的凹點內，防止彈簧座脫落。

 

圖7  氣門彈簧分類

圖8  氣門彈簧座的固定方式

 

二、配氣相位

 

      配氣相位是用曲軸轉角表示的進、排氣門的開啟時刻和開啟延續時間，通常用環形圖表示，即配氣相位圖，如圖9所示。為了使進氣充足，排氣干凈，除了從結構上進行改進外（如增大進、排氣管道），還可以從配氣相位上采取措施，如氣門能否早開晚閉，延長進、排氣時間。

1、 配氣相位機構

      由于柴油機工作時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間周期開、關各氣缸的進、排氣氣門，工作原理如圖10所示。

      空氣在被吸入柴油機時是具有慣性的，所以在進氣過程結束后，進氣系統中的空氣依然保持著進入氣缸的趨勢，這時如果延遲進氣門的關閉時間就可以讓氣缸吸入更多空氣，提高容積效率。相對來說，延遲氣門的關閉時間可以提升高轉速下的性能表現，反過來縮短氣門關閉時間，則可以讓低轉速扭矩得到提升。

2、氣門早開晚閉

      活塞到達進氣下止點時，由于進氣吸力的存在，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氣；另外，此時進氣流還有較大的慣性。由此可見，進氣門晚關可以增加進氣量。進氣門早開，可使進氣一開始就有一個較大的通道面積，可增加進氣量。

      在做功行程快要結束時，排氣門打開，可以利用做功的余壓使廢氣高速沖出汽缸，排氣量約占50%。排氣門早開，勢必造成功率損失，但因氣壓低，損失并不大，而早開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，氣門具有早開晚閉的可能，它對發動機實際工作的好處如下：

① 進氣門早開：

     增大了進氣行程開始時氣門的開啟高度，可減小進氣阻力，增加進氣量。

② 進氣門晚關：

      延長了進氣時間，在大氣壓和氣體慣性力的作用下增加進氣量。

③ 排氣門早開：

      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 排氣門晚關：

      延長了排氣時間，在廢氣壓力和廢氣慣性力的作用下使排氣干凈。

3、氣門重疊

      由于進氣門早開，排氣門晚關，勢必造成在同一時間內兩個氣門同時開啟。兩個氣門同時開啟時間相當的曲軸轉角，叫做氣門重疊角。在這段時間內，可燃混合氣和廢氣不會亂串。這是因為：進、排氣流各自有自己的流動方向和流動慣性，而重疊時間又很短，不至于混亂，即吸入的可燃混合氣不會隨同廢氣排出，廢氣也不會經進氣門倒流入進氣管，而只能從排氣門排出；進氣門附近有降壓作用，有利于進氣。

4、進、排氣門的實際開閉時刻和延續時間

（1）實際進氣時刻和延續時間：

       在排氣行程接近終了時，活塞到達上止點前，即曲軸轉到離上止點還差一個角度（進氣提前角）α，進氣門便開始開啟，進氣行程直到活塞越過下止點β（進氣延尺角）時，進氣門才關閉。整個進氣過程延續時間相當于曲軸轉角180°+α+β。

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

（2）實際排氣時刻和延續時間：

      做功行程接近終了時，活塞在下止點前排氣門便開始開啟，提前開啟的角度γ一般為40°～80°，活塞越過下止點后δ角排氣門關閉，δ一般為10°～30°，整個排氣過程相當曲軸轉角180°+y+δ，為230°～290°；氣門重疊角α+δ=20°～60°。

      從上面的分析可以看出，實際配氣相位和理論上的配氣相位相差很大，氣門要早開晚關，主要是為了滿足進氣充足、排氣干凈的要求。但實際中，要根據各種機型，經過實驗的方法確定氣門開關的最適宜時機，由凸輪軸的形狀、位置及配氣機構來保證。

  

圖9  柴油發動機配氣相位圖

圖10  柴油機配氣相位機構示意圖

 

總結：

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

----------------
以上信息來源于互聯網行業新聞，特此聲明！
若有違反相關法律或者侵犯版權，請通知我們！
溫馨提示：未經我方許可，請勿隨意轉載信息！
如果希望了解更多有關柴油發電機組技術數據與產品資料，請電話聯系銷售宣傳部門或訪問我們官網：http://www.dhgif.com