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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