設(shè)備裝配與結(jié)構(gòu)組成

柴油發(fā)電機的氣門組件結(jié)構(gòu)及功用

 

摘要：柴油發(fā)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(dǎo)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(fā)生故障。氣門組件損壞后，柴油機會出現(xiàn)很多故障現(xiàn)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(fā)動機中非常重要的一個部件，它的的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理直接影響著發(fā)動機的性能和效率。

 

一、氣門組結(jié)構(gòu)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(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(yán)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(gòu)運動件的慣性力使氣門落座時受到?jīng)_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(dǎo)管內(nèi)作高速往復(fù)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(shù)量

      一般發(fā)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(jié)構(gòu)在可能的條件下應(yīng)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(dāng)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(jié)構(gòu)就不能滿足發(fā)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(jié)構(gòu)。

（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(dǎo)管

      氣門導(dǎo)管分為帶卡環(huán)槽和底部帶銳邊兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖5（a）所示。其作用是給往復(fù)運動的氣門起著導(dǎo)向用途，并保證氣門頭部準(zhǔn)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(dǎo)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(xiàn)磨損現(xiàn)象。氣門導(dǎo)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(dǎo)管的間隙為0.09mm左右，排氣門與導(dǎo)管的間隙約為0.12mm，當(dāng)間隙增大到極限值0.26mm時，氣門導(dǎo)管與氣門應(yīng)成對換新。若裝配時間間隙過小，則易出現(xiàn)氣門卡死現(xiàn)象。    

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

3、氣門座與門座圈

      氣門座圈是為往復(fù)運動的氣門而設(shè)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(xù)沖擊和高溫、高壓氣體的腐蝕，在使用過程中特別容易發(fā)生故障。在長期的工作中氣門座圈的錐面容易產(chǎn)生麻點、凹坑、座圈縮短和磨損變寬等現(xiàn)象。

      氣門座通常分為圓柱面、圓錐面和鑲嵌面三種結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱性差，加工精度要求高，如果鑲?cè)霑r公差配合選擇不當(dāng)，高溫下工作時易脫落，容易導(dǎo)致重大機械事故。

 

圖5  氣門導(dǎo)管和油封結(jié)構(gòu)圖

圖6  氣門座圈結(jié)構(gòu)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(gòu)脫開。氣門彈簧應(yīng)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(yīng)對其彈力進行檢查。當(dāng)舊彈簧的自由長度小于同一型號新彈簧約4mm時，應(yīng)更換新彈簧。氣門上含有內(nèi)外彈簧時，在裝配過程中應(yīng)使內(nèi)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(fā)生共振，可采用變螺距圓柱彈簧（如圖7b）?，F(xiàn)代高速發(fā)動機多采用同心安裝的內(nèi)、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(fā)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(nèi)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(cè)的凹點內(nèi)，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(zhuǎn)角表示的進、排氣門的開啟時刻和開啟延續(xù)時間，通常用環(huán)形圖表示，即配氣相位圖，如圖9所示。為了使進氣充足，排氣干凈，除了從結(jié)構(gòu)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(gòu)

      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(gòu)正是向氣缸提供新鮮空氣的機構(gòu)，其同時還負(fù)責(zé)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(guān)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(jié)束后，進氣系統(tǒng)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(guān)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(guān)閉時間可以提升高轉(zhuǎn)速下的性能表現(xiàn)，反過來縮短氣門關(guān)閉時間，則可以讓低轉(zhuǎn)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(nèi)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(guān)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(jié)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(fā)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(guān)：

      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(nèi)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(guān)：

      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(guān)，勢必造成在同一時間內(nèi)兩個氣門同時開啟。兩個氣門同時開啟時間相當(dāng)?shù)那S轉(zhuǎn)角，叫做氣門重疊角。在這段時間內(nèi)，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(jīng)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(xù)時間

（1）實際進氣時刻和延續(xù)時間：

       在排氣行程接近終了時，活塞到達上止點前，即曲軸轉(zhuǎn)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(guān)閉。整個進氣過程延續(xù)時間相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)角180°+α+β。

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

（2）實際排氣時刻和延續(xù)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(guān)閉，δ一般為10°～30°，整個排氣過程相當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)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(guān)，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(jù)各種機型，經(jīng)過實驗的方法確定氣門開關(guān)的最適宜時機，由凸輪軸的形狀、位置及配氣機構(gòu)來保證。

  

圖9  柴油發(fā)動機配氣相位圖

圖10  柴油機配氣相位機構(gòu)示意圖

 

總結(jié)：

      氣門組的正常運轉(zhuǎn)對于發(fā)動機的穩(wěn)定性和可靠性非常重要。如果氣門組出現(xiàn)故障，比如氣門卡松動、氣門彈簧失效等，就會導(dǎo)致氣門無法正常關(guān)閉或打開，從而影響發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。因此，定期檢查和維護氣門組是保證發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)的重要措施之一。 氣門組是發(fā)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(nèi)的進氣和排氣，還直接影響著發(fā)動機的性能和效率。因此，對于氣門組的設(shè)計、調(diào)整和維護都需要非常重視。

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