新聞主題	柴油發(fā)電機氣門(mén)組的結構形式和作用

 

摘要：隨著(zhù)當前社會(huì )的發(fā)展，柴油機在不同的行業(yè)領(lǐng)域當中都發(fā)揮著(zhù)重要的作用，同時(shí)氣門(mén)部件作為柴油機的重要組件，發(fā)揮受巨大的作用，另外在使用過(guò)程當中也需要符合相關(guān)的要求。氣門(mén)組主要特點(diǎn)是進(jìn)氣口的直徑要大于排氣口，主要是為了增加進(jìn)氣量，來(lái)提高燃燒效率，從而獲得更好的動(dòng)力輸出。只有了解氣門(mén)組件的結構特點(diǎn)，并且根據維修注意事項去進(jìn)行把握，才能夠更好地提高柴油機氣門(mén)組件的使用效率。

一、氣門(mén)組功用與工作條件

 

      氣門(mén)作為發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程中密封進(jìn)排氣口的關(guān)鍵基礎零件，用于封鎖氣流通道，控制發(fā)動(dòng)機的氣體交換。進(jìn)排氣門(mén)由最初的單金屬整體結構氣門(mén)，發(fā)展到雙金屬焊接結構氣門(mén)、單金屬或雙金屬堆焊合金氣門(mén)、表面處理氣門(mén)、中空鈉冷雙金屬氣門(mén)等。

1、氣門(mén)工作條件

      不同結構的氣門(mén)適用于不同的發(fā)動(dòng)機使用工況條件，如低負荷發(fā)動(dòng)機常采用單金屬整體結構氣門(mén)或對氣門(mén)進(jìn)行鍍鉻氮化表面處理，這樣在滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機性能要求的同時(shí)利于降低成本；中等負荷發(fā)動(dòng)機多采用雙金屬焊接結構氣門(mén)并對氣門(mén)進(jìn)行鍍鉻氮化表面處理；對錐面磨損強化度大的發(fā)動(dòng)機，常采用單金屬或雙金屬堆焊合金氣門(mén)；高溫高轉速發(fā)動(dòng)機常采用中空鈉冷雙金屬氣門(mén)，如缸內直噴渦輪增壓汽油機，其排氣門(mén)常采用中空鈉冷氣門(mén)結構，這樣在降低氣門(mén)最高工作溫度的同時(shí)，還能降低高轉速工況下的工作慣性力，滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機性能要求。

      隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機強化程度的不斷提高，氣門(mén)的使用工況愈加復雜，工作條件惡劣，不僅處于高溫的氧化腐蝕性氣氛中承受著(zhù)反復的沖擊負荷，還承受著(zhù)熱應力、錐面內應力及燃燒時(shí)氣體壓力等共同作用，加之冷卻條件不良和氣門(mén)材料導熱系數較小，氣門(mén)在落座時(shí)還承受沖擊載荷及彈簧力等，氣門(mén)工作受力較為復雜。

2、氣門(mén)組的作用

     氣門(mén)組主要作用是依照凸輪軸的帶動(dòng)通過(guò)頂桿來(lái)控制每一缸的進(jìn)氣和排氣，實(shí)現柴油發(fā)電機的正常運轉。

（1）起導向作用

      保證氣門(mén)作直線(xiàn)往復運動(dòng)。

（2）起導熱作用

      將氣門(mén)頭部傳給桿身的熱量，通過(guò)汽缸蓋傳出去。氣門(mén)桿與導管之間一般留有0.05～0.12mm的間隙。

3、氣門(mén)作用

     驅動(dòng)控制氣門(mén)的開(kāi)閉。

（1）進(jìn)氣門(mén)的作用是將空氣吸入柴油發(fā)電機內，與燃料混合燃燒；

（2）排氣門(mén)的作用是將燃燒后的廢氣排出并散熱。

二、氣門(mén)結構組成

 

      氣門(mén)組包括氣門(mén)、氣門(mén)座、氣門(mén)導管、氣門(mén)彈簧、氣門(mén)彈簧座、氣門(mén)半圓鎖片（鎖銷(xiāo)）等零件組成。其中，氣門(mén)分為氣門(mén)頭、氣門(mén)座和氣門(mén)桿三部分。氣門(mén)座與氣門(mén)座圈共同構成一個(gè)功能單元。因此將一起介紹氣門(mén)座圈和氣門(mén)座。氣門(mén)頭是指氣門(mén)的整個(gè)下部區域，帶有氣門(mén)面和內圓角。此處承受由燃燒壓力產(chǎn)生的作用力。設計氣門(mén)面高時(shí)考慮了這種情況。氣門(mén)主要分為單一金屬氣門(mén)、雙金屬氣門(mén)和空心氣門(mén)。無(wú)論氣門(mén)是由一種還是由多種材料制成，無(wú)論采用空心還是實(shí)心形式，氣門(mén)的結構都基本相同，如圖1所示。

1、氣門(mén)桿

      氣門(mén)桿用于氣門(mén)在氣門(mén)導管內導向。氣門(mén)桿從固定氣門(mén)鎖夾的凹槽處直至內圓角過(guò)渡處或刮油邊處。為避免氣門(mén)桿磨損，氣門(mén)桿采用鍍鉻表面。

      如果氣門(mén)桿端部帶有用于氣門(mén)自由轉動(dòng)的凹槽，則與氣門(mén)鎖夾接觸的區域必須進(jìn)行淬火處理，以免磨損。這些凹槽與氣門(mén)鎖夾形成結構連接，氣門(mén)彈簧可支撐在該部位處。

      空心氣門(mén)用于排氣門(mén)側，以便降低內圓角和氣門(mén)面附近的溫度，為此氣門(mén)該區域采用空腔結構，如圖2所示。其材質(zhì)為傳導熱量，氣門(mén)桿空腔容積約60%的部分填充有可自由移動(dòng)的金屬鈉。鈉在97.5℃時(shí)熔化，并根據發(fā)動(dòng)機轉速在氣門(mén)空腔內產(chǎn)生相應的振動(dòng)作用。內圓角和氣門(mén)頭處產(chǎn)生的部分熱量通過(guò)液態(tài)鈉傳至氣門(mén)導管并進(jìn)入冷卻循環(huán)回路，從而顯著(zhù)降低氣門(mén)溫度?？招臍忾T(mén)可采用單一金屬或雙金屬氣門(mén)結構。

 

圖1  氣門(mén)結構圖

圖2  氣門(mén)桿位置圖

 

2、氣門(mén)座

      氣門(mén)座也叫氣門(mén)盤(pán)，主要承擔隔開(kāi)燃燒室與氣道的作用。此外，熱量也通過(guò)此處從氣門(mén)傳至氣缸蓋。氣門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，氣門(mén)座表面與氣缸蓋氣門(mén)座圈靠在一起。氣門(mén)座表面的寬度沒(méi)有統一標準。氣門(mén)座表面較窄時(shí)可改善密封效果，但會(huì )削弱散熱能力。

      氣缸蓋上與氣門(mén)錐面相貼合的部位稱(chēng)氣門(mén)座，如圖3所示。氣門(mén)座的溫度高容易磨損，因此鋁氣缸蓋和大多數鑄鐵氣缸蓋均鑲嵌由合金鑄鐵或粉末冶金或奧氏體鋼制成的氣門(mén)座圈。

      通常情況下，承受較小負荷的進(jìn)氣門(mén)座比承受高負荷的排氣門(mén)座窄。氣門(mén)座寬度為1.2～ 2.0mm。確保氣門(mén)座位置正確非常重要。

3、氣門(mén)頭部的結構形式

      當氣門(mén)工作時(shí)，如能產(chǎn)生緩慢的旋轉運動(dòng)，可使氣門(mén)頭部周向溫度分布比較均勻，從而減小氣門(mén)頭部的熱變形，同時(shí)氣門(mén)旋轉時(shí)，在密封錐面上產(chǎn)生輕微的摩擦力，能夠清除錐面上的沉積物。

      氣門(mén)頭部有平頂式、凸頂式（球面）和凹頂（喇叭）式三種結構形式，如圖4所示。

（1）平頂結構的氣門(mén)具有結構簡(jiǎn)單，制造方便，受熱面積小等優(yōu)點(diǎn)

（2）喇叭頂氣門(mén)進(jìn)氣阻力小，質(zhì)量小

（3）球面頂氣門(mén)排氣阻力小溫能力強。

 

圖3  氣門(mén)座位置示意圖

圖4  氣門(mén)頭部結構形式

 

三、氣門(mén)安裝

 

      為提高進(jìn)、排氣量，康明斯N系列和K修理柴油發(fā)電機的每個(gè)氣缸裝有4個(gè)氣門(mén)（2個(gè)氣門(mén)和2個(gè)排氣門(mén)）。進(jìn)、排氣門(mén)均采用平頂式，氣門(mén)錐角均為30°。氣門(mén)有兩種制作方法，一種是用金屬制作的，另一種是在前面密封錐面上推焊有特種合金。為了提高排氣門(mén)在高溫下的耐熱和耐腐蝕性，提高排氣門(mén)的使用壽命，在排氣門(mén)密封錐面上推焊有耐熱合金。

1、氣門(mén)排列順序

      以六缸機為例，從前到后為-進(jìn)-進(jìn)-排-排-進(jìn)-進(jìn)-排-排-進(jìn)-進(jìn)-排。

2、氣門(mén)的位置

      氣門(mén)導管壓裝在氣缸蓋上，在導管的上端面有較大的外倒角，以減少機油流入氣缸的可能性。

3、氣門(mén)座安裝

      氣門(mén)座與氣門(mén)頭部共同對氣缸起密封作用，并接受氣門(mén)床來(lái)的熱量。氣門(mén)座用較好的材料制作，然后再氣缸蓋上。為減少進(jìn)氣門(mén)的磨損，進(jìn)氣門(mén)座的接觸帶比排氣門(mén)要寬些，在更換氣門(mén)座時(shí)一定要辨認清楚，不要將進(jìn)氣門(mén)座安裝到排氣門(mén)座的位置上。

 

四、氣門(mén)錐面強化措施

 

      在發(fā)動(dòng)機參數、工況及配氣機構確定的情況下，氣門(mén)錐面工作可靠性與壽命主要取決如下因素：與座圈摩擦副配合的相容性、座圈可靠性與壽命、氣門(mén)錐面材料及氣門(mén)錐面強化措施。

1、氣門(mén)錐面強化思路

      氣門(mén)根據進(jìn)氣、排氣功能分為進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)，由于各自工況的不同，其材料、結構、外形尺寸、局部表面強化等也會(huì )不同。氣門(mén)工作溫度作為氣門(mén)材料選用的首要參數，再結合氣門(mén)工作負荷、座圈技術(shù)方案、發(fā)動(dòng)機功率、轉速、爆壓及B10指標等確定氣門(mén)材料、氣門(mén)結構和氣門(mén)局部表面強化等設計方案。

      氣門(mén)錐面角度、與座圈的密封面寬度是氣門(mén)外形尺寸中直接影響錐面磨損的兩個(gè)因素。錐面角度對錐面磨損影響很大，增大錐角可減少磨損，同時(shí)需注意大錐角難以擠掉與座圈之間的沉積物。重型發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣門(mén)常采用120°～150°錐角，排氣門(mén)常采用110°～130°錐角，與座圈接觸密封面寬度越大，其抗磨損性能越強，但更大的接觸寬度將一定程度影響氣門(mén)密封性能，六缸重型發(fā)動(dòng)機氣門(mén)與座圈接觸密封面寬度按2.4～4.4mm進(jìn)行布置設計。

2、氣門(mén)錐面強化措施

      目前重型發(fā)動(dòng)機氣門(mén)材料主要采用馬氏體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼、鐵鎳基高溫合金及鎳基高溫合金。為滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機強化要求，行業(yè)上對氣門(mén)錐面常采用的主要強化措施有：馬氏體表面感應淬火處理、氮化處理、錐面堆焊、奧氏體表面硬化處理及新型結構氣門(mén)應用等。

（1）馬氏體表面淬火處理

      目前市場(chǎng)上有部分重型發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣門(mén)采用整體40Cr10Si2Mo、85Cr18Mo2V馬氏體耐熱鋼，主要應用于沒(méi)采用外部EGR或進(jìn)氣門(mén)工作溫度≤550℃的重型柴油機。馬氏體耐熱鋼材料在擁有較好的高溫性能的同時(shí)，還可以采用高頻感應淬火，對氣門(mén)錐面、氣門(mén)桿端進(jìn)行表面淬火強化，可大幅度提高表面耐磨損性能。

      以85Cr18Mo2V馬氏體材料為例，錐面經(jīng)表面感應淬火后，表面硬度可達48～56HRC，淬硬度層深可達0.5～2.5mm。氣門(mén)桿部常按鍍硬鉻處理。也有一些發(fā)動(dòng)機廠(chǎng)，為進(jìn)一步提升馬氏體表面淬火后耐磨損性能，對錐面已經(jīng)表面感應淬火后再進(jìn)行整體氮化處理，這樣氣門(mén)錐面擁有感應淬火層數及氮化層數雙重抗磨損性能，氣門(mén)更耐磨損。

（2）整體氮化處理

      氣門(mén)經(jīng)過(guò)氮化處理后，氮化層可提高磨損性能。重型發(fā)動(dòng)機市場(chǎng)上更多的是對奧氏體耐熱鋼及鐵鎳基高溫合金進(jìn)行氮化（奧氏體耐熱鋼不能利用高頻感應淬火對表面進(jìn)行硬化），以提高氣門(mén)耐磨損性能。

      氮化是在材料的外表面形成鐵鉻氮化合物的滲層，它具有較高的硬度（氣門(mén)用奧氏體耐熱鋼經(jīng)氮化后，氮化層最低硬度達1000HV），所以有良好的抗磨性和耐蝕性。鹽浴氮化工藝應用僅限于鐵基合金材料，鎳基合金則不會(huì )產(chǎn)生有效的擴散層和混合層，故不能提高其耐磨性能。

（3）錐面堆焊

      氣門(mén)錐面是否需要堆焊取決于發(fā)動(dòng)機強化程度，錐面堆焊應用于最嚴苛錐面磨損工況、高壽命錐面使用要求及高腐蝕錐面使用工況。多數高附加值氣門(mén)最終被錐面堆焊，堆焊強化主要應用于船機氣門(mén)、重油發(fā)動(dòng)機氣門(mén)、部分燃氣機氣門(mén)和部分重型發(fā)動(dòng)機氣門(mén)。

      錐面堆焊可大幅降低磨損，在發(fā)動(dòng)機總的運行期間起到更好的密封效果。堆焊氣門(mén)焊層失效風(fēng)險大及生產(chǎn)成本較高，極大限制了堆焊的應用。行業(yè)上普遍采用PTA等離子焊法進(jìn)行錐面堆焊，Stellit合金一直是氣門(mén)錐面堆焊主要材料，考慮到鈷元素的成本及戰略特性，很多企業(yè)開(kāi)始采用鎳基鐵基合金粉。堆焊合金材料選擇除要考慮堆焊合金應用范圍外，同時(shí)應考慮堆焊合金與基體材料之間的平均熱膨脹系數，堆焊合金與基體材料熱膨脹系數越接近可靠性越高。

      堆焊層深設計取決于發(fā)動(dòng)機壽命要求或氣門(mén)磨損極限要求，一般情況下，氣門(mén)越大堆焊層相應較深。但不推薦過(guò)深的錐面堆焊層深，原因如下：滿(mǎn)足氣門(mén)磨損極限情況下過(guò)深的堆焊層深造成浪費，最小的堆焊層深在能滿(mǎn)足氣門(mén)整體壽命情況下即可，堆焊層深尺寸要求標注為最小保證多少層深；過(guò)深的堆焊層堆焊質(zhì)量難控制，氣門(mén)錐面堆焊層深按≥0.8～1.2mm設計。

      氣門(mén)錐面堆焊槽型應結合氣門(mén)座兩者的密封帶來(lái)確定，以推薦的氣門(mén)錐面與氣門(mén)座密封帶為例如圖5所示，堆焊槽型確定參考見(jiàn)圖6。

圖5  氣門(mén)與座圈錐面寬度

圖6  氣門(mén)堆焊槽型示意圖

（4）奧氏體表面硬化處理

      奧氏體鋼、鐵鎳基高溫合金和鎳基高溫合金在常溫下為奧氏體組織，無(wú)磁性，奧氏體材料不能利用高頻感應淬火對表面進(jìn)行硬化，常采用氮化處理后提高表面耐磨損性能。但是由于氮化層較淺，耐磨損性能受到一定限制。

      奧氏體材料氣門(mén)不能通過(guò)相變使錐面強化，但奧氏體材料冷作硬化現象明顯，行業(yè)上各廠(chǎng)家利用冷作硬化原理對奧氏體材料氣門(mén)錐面進(jìn)行表面硬化處理，主要應用于重型發(fā)動(dòng)機采用鎳基高溫合金材料的排氣門(mén)。目前已有相關(guān)行業(yè)標準對硬化后硬度進(jìn)行的規定，如機械行業(yè)標準JB/T11878－2014《往復式大功率內燃機進(jìn)、排氣門(mén)技術(shù)條件》，對于非堆焊的高溫合金盤(pán)錐面硬度規定應滿(mǎn)足≥450HV要求。

      奧氏體表面硬化處理既兼顧了錐面堆焊氣門(mén)耐磨的優(yōu)點(diǎn)，又避免了堆焊焊層失效風(fēng)險大及生產(chǎn)成本較高的缺點(diǎn)，因此具備很好的應用前景。

 

總結：

      柴油機氣門(mén)組部件對柴油機發(fā)揮著(zhù)重要的作用，所以在柴油機的使用過(guò)程當中，應該著(zhù)重的注意，只有把握好柴油機氣門(mén)組件的使用以及維修要點(diǎn)，才能夠有效地延長(cháng)柴油機的使用壽命，提高柴油機在使用過(guò)程當中帶來(lái)的經(jīng)濟效益。

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