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1、第三章 换气机构和增压系统 119第三章 换气机构和增压系统第一节 换气机构 换气机构的功能是实现对柴油机换气过程的控制。即依照柴油机各气缸的工作次序，定时地打开或关闭进排气阀。以保证气缸里废气的排除和新鲜空气的充入。四冲程柴油机采用气阀式换气机构。当前低速柴油机均采用气口气阀式换气机构。 气阀式换气机构主要包括气阀机构和气阀驱动机构两部分。本节还将阐述凸轮轴和凸轮轴传动机构。一、气阀机构 1气阀的工作条件图3-1-1 不带阀壳的气阀机构1-阀盘；2-阀杆；3-气缸盖；4-导管；5、6-弹簧；7-弹簧盘；8-卡块； 9-撞击块；10-卡环 气阀承受着很高的热负荷。气阀头部直接与高温高压的燃气接
2、触，特别是排气阀还受到高温燃气的冲刷。在高增压柴油机上，排气阀打开瞬间的燃气温度可达9001000，排气气流速度可超过800m/s。因此结构上如不采取有效措施，排气阀温度可达650800以上。目前船舶主辅柴油机均燃用劣质重油，这类重油常含有大量的钒、钠和硫等元素。燃油燃烧过程中这些元素形成的氧化物和盐有可能造成所谓的“高温腐蚀”。气阀承受着很高的机械负荷。很高的气体爆发压力的作用及落座时的撞击使气阀工作过程中承受很大的冲击性交变载荷，造成气阀密封面弹性、塑性变形，阀盘反复滑移着楔入阀座，造成磨损。因此气阀、特别是排气阀的工作条件是极其严酷的。其检修周期成了柴油机重要的技术指标之一。 2气阀组件
3、 结构上气阀机构有带阀壳和不带阀壳之分，小型柴油机使用不带阀壳的气阀机构，如图3-1-1所示。低速柴油机使用带阀壳的气阀机构。大功率中速柴油机，尤其是其排气阀，广泛采用带阀壳结构，如图3-1-2所示。 图3-1-1中，气阀直接安装在气缸盖上。气阀阀盘1密封锥面与安装在气缸盖上的气阀座圈11的密封锥面严密配合，以保证气密。阀杆2与导管4滑动配合。锥形卡块8为剖分式，通过它使弹簧盘7卡紧在阀杆上端的凹槽处。内外气阀弹簧5和6既使气阀在关闭时紧紧与阀座贴合，在开启和关闭过程中还使气阀的运动规律受凸轮的形状控制。阀杆上部还有卡环10，防止阀杆上端凹槽处断裂后气阀掉入气缸。气阀座圈、导管与缸盖间一般采用
4、过盈配合的安装方式。图3-1-2 带阀壳的气阀机构 带阀壳的气阀机构把气阀组件的所有零件组装在一个单独的阀壳中。再用柔性螺栓把阀壳安装在气缸盖上，这样在检修气阀时，只要卸去紧固螺栓把阀壳取下，而不用卸下缸盖。这给维护和检修带来方便。 气阀采用耐热耐磨合金钢制造。气阀座圈则采用合金铸铁或耐磨合金钢。 气阀导管是气阀的导承。它承受摇臂推阀所带来的侧推力，还承担气阀的散热作用。普通气阀（气阀座圈非水冷）经过导管的散热量约占总散热量的25%。导管材料常用各种铁基粉末合金、灰铸铁和球墨铸铁。粉末合金能在润滑条件较差的情况下工作，磨损小。 阀壳紧固螺栓均采用柔性螺栓。这是因为：采用柔性螺栓使阀壳、缸盖等受
5、热零件因受热膨胀不一致而产生的附加应力较小，不易发生蠕变而松脱；阀壳承受着脉动的气体压力，柔性螺栓所受的交变应力变化幅度较普通螺栓小，不易疲劳断裂；柔性螺栓断面较细表面光滑，结构上力求避免应力集中，疲劳强度较高。 3气阀的常见故障及提高气阀工作能力的措施 由于柴油机增压度越来越高，气阀的热负荷越来越大，特别是燃用劣质燃油，使气阀尤其是排气阀工作条件更为严酷。因此气阀尤其是排气阀仍是故障率最高的部件之一。 1）气阀的常见故障 （1）排气阀烧损 这是最常见故障。其主要原因是排气阀密封不严，造成高温燃气漏泄，使该处严重过热，严重时可使该处熔穿一个大洞。造成排气阀密封不良的原因有：由于阀盘不同部位受热
6、、散热条件不同，阀盘圆周上的温度分布不均匀。即靠气缸中心的部位温度高，而靠缸盖外侧的温度低。温差大会造成阀盘变形翘曲而漏气。 排气阀阀盘及阀座密封锥面沉积一层混有碳粒的玻璃状物质。这些物质主要由Na2SO4、CaSO4、Fe2O3、V2O5等组成，它们的成分主要来自重油中的杂质。玻璃状沉积物性脆。当沉积厚度较大时，在闭阀时的撞击下该沉积物会产生裂纹，反复撞击后进而发展到剥落，从而形成高温燃气喷口使气阀烧损。 普通气阀密封锥面在工作温度下硬度并不很高，沉积的硬质燃烧产物颗粒在闭阀的撞击下，可使密封面出现凹坑，也可能造成漏气。 （2）排气阀的高温腐蚀 劣质燃油中含有钒、钠和硫等元素。在燃油燃烧后这
7、些元素的生成物对金属有腐蚀作用。在氧化环境中，钒盐作为氧的载体把氧带入金属，促使金属氧化。钠系化合物对金属的腐蚀则是通过钠的硫酸盐使金属硫化进行的。形成的金属硫化物不耐热，在高温下转变为金属氧化物。上述化学反应中的化合物，具有不同的熔点。V2O5熔点为670，Na2SO4熔点为850，而它们组成的二元系，如V2O5Na2O系、V2O5NaVO3系，在530左右即以熔融的化合物形态存在。如排气阀的温度过高，呈熔融状态的这些生成物就容易粘附到排气阀上，这时即使是非常耐腐蚀的硬质合金或合金钢，也会受到腐蚀。腐蚀结果在密封锥面上形成麻点凹坑。凹坑相连就可能造成漏气。所以这也是造成气阀烧损的原因。由于上
8、述腐蚀是在高温条件下产生的，所以称为高温腐蚀。上述产生高温腐蚀的有害元素钒、钠和硫当中，钒的危害性最大。 （3）气阀密封锥面磨损过快 由上述已知，在爆发压力作用下阀座及阀盘弹性变形，气阀落座撞击也会造成阀座及阀盘弹性变形，使阀盘锥面反复楔入，密封锥面产生相对运动，造成密封锥面磨损。气阀间隙过大（凸轮廓线的设计，使气阀落座时 速度迅速减至零，避免了严重冲击，撞击力较小。气阀间隙过大，当气阀速度还没减至很小时就撞上阀座，速度突然减至零，加速度变得很大，撞击力大大增加），阀盘和阀座刚度（包括气缸盖底板刚度）不足，气阀和阀座材料性能达不到要求或不匹配，重油含有较多的钒、钠和硫，超负荷运行或燃烧恶化，冷
9、却不良，阀杆与导管间隙过大，气阀机构振动使气阀落座速度过大等，都会使磨损速率变大。增压柴油机的进气阀容易发生快速磨损。这是因为增压柴油机进气阀密封锥面不象排气阀会形成一层非金属层而不发生金属接触，也不象非增压柴油机气阀导管下端气压为负，导管内的滑油往里吸，进气阀密封锥面可得到润滑。增压柴油机进气阀密封锥面的润滑条件恶劣，容易发生金属接触。因此有的增压柴油机向进气道喷滑油，以防止进气阀发生快速磨损。燃用劣质重油柴油机的进气阀容易发生废气倒流导致低温腐蚀。 （4）阀盘和阀杆断裂断裂主要发生在阀盘与阀杆过渡圆角处和阀杆装卡块的凹槽处。阀盘与阀杆过渡圆角处断裂的原因有：阀杆与导管的间隙过大；阀盘或阀座
10、变形使局部受力过大；气阀间隙过大；气阀机构振动。阀杆装卡块的凹槽处是气阀最薄弱部位。如该凹槽加工不良或闭阀冲击力较重，会产生疲劳断裂。为了延长排气阀检修期及寿命，新型柴油机普遍采取了几种提高气阀工作能力的措施。 2）提高气阀工作能力的措施 （1）采用水冷式阀座 气阀头部从燃气中吸收的热量中约有75%左右是经由阀座传导出去的。如果进入气阀的热量不能迅速传导出去，则气阀及阀座的温度将升高。这将导致燃烧产物沉积增加，高温腐蚀加剧，热变形增大和材料强度与硬度下降等。降低气阀组温度最有效的措施是采用冷却式阀座。烧重油的新型柴油机均采用了强制水冷式阀座。当前燃用劣质燃油的中速柴油机排气阀密封锥面温度均已能
11、控制在410430以下。新型低速机阀座采用钻孔冷却，密封锥面平均温度已达350。 最新型中速机加大了气缸盖高度，采用了双层底式结构或采用厚燃烧壁钻孔冷却，气阀座圈直接安装在气缸盖上并强制水冷。尽管增压度尤其是爆发压力大大提高，燃烧壁面的热应力和机械应力均可降低，将燃烧壁面的变形减至最小，这就意味着改善了气阀与气阀座的接触状态，从而延长了气阀的维修间隔。新设计还使拆装气缸盖工作量大大减少。因此最新型中速机已不用带阀壳的气阀。 （2）安装旋阀器 安装旋阀器由于每启闭一次均能使气阀转过一个角度，这样就可：使阀盘均匀受热、散热，保证阀盘的温度分布均匀。改善阀盘的热应力状态，大大减小阀盘温差变形，使其热
12、变形均匀，防止翘曲漏气。也减小了密封锥面的最高温度。可减少密封锥面上导热不良的沉积物，使之贴合严密，利于散热，减少高温腐蚀，减少烧损磨损。可改善阀杆与导管间的润滑条件，减少阀杆漏气，减少阀杆周围形成积炭，防止卡阻。因而气阀的使用期限可延长2倍以上。常见的旋阀器有两种，一种是在气阀阀杆下端安装的由排气吹动的叶片式旋阀器（见图3-1-5），另一种是在气阀弹簧的上端或下端装设的旋阀器。图3-1-3 旋阀器的构造 图3-1-3所示为后一种旋阀器。它由旋阀器本体4、钢珠2、碟形弹簧1、旋阀器外壳（又是气阀弹簧的上弹簧盘）3组成。本体下面开有六个腰形槽，槽中装有钢珠2和复位弹簧5。从图（a）可见，腰形槽底
13、面带有斜度。当气阀闭合时，钢珠不受力。这时钢珠被复位弹簧推至腰形槽的顶端。当气阀闭合时，气阀弹簧弹力较小，碟形弹簧翘起呈碟形。气阀弹簧弹力通过旋阀器外壳传递至碟形弹簧，由碟形弹簧内边缘再传至旋阀器本体，旋阀器本体将力传给卡块，最终传给气阀使气阀保持闭合，而钢珠不受力。当打开气阀时，碟形弹簧因受力增大而变平，气阀弹簧力逐渐转移到钢珠上。使钢珠受压并滚至槽底最低点，复位弹簧被压缩，如图（b）所示。在钢珠滚向槽底最低点时，由于碟形弹簧、旋阀器外壳与气阀弹簧压紧不能转动，本体就带动卡块、气阀，一起向前转一个角度。当气阀关闭时，由于气阀弹簧弹力逐渐减小，碟形弹簧逐渐翘起恢复原先形状，钢珠的压力逐渐消失。
14、当它被释放时，复位弹簧又把它推回槽的顶端。气阀只在开启过程中转过一个角度，离座、落座时无转动。 已有多家公司在燃用劣质重油的中速柴油机排气阀上装了一种新型旋阀器。这种称为Turnomat的旋阀器也属于在气阀弹簧的上端或下端装设的旋阀器，该旋阀器使排气阀在落座时仍有强制转动，以便擦掉密封锥面上的沉积物。相对图3-1-3的旋阀器，延长排气阀使用期限的效果又有明显提高。 阀盘温度均匀的程度与气阀转动的速度有关，如12转/分比3转/分时阀盘温度又要均匀一些。柴油机在标定转速时，旋阀器的转速应达设计值。如本体的钢球腰形槽滚道脏污，则气阀转速将下降。所以气阀旋转速度降至一定值（如1转/分）后，旋阀器必须拆
15、洗。 （3）采用新材料新工艺 由于存在楔入磨损，对排气阀密封锥面有高温硬度要求。燃用劣质燃油，既可能使排气阀的高温部位发生高温腐蚀，又可能使阀杆、导管等低温部位发生低温腐蚀。因此气阀密封锥面普遍采用在基材上堆焊一层钴基或镍基硬质合金，而在阀杆部位则采用氮化、镀铬等工艺，以提高其耐腐蚀、耐磨性。目前燃用劣质燃油的低、中速柴油机的排气阀，甚至整个气阀均用昂贵的超耐热Nimonic合金（高铬镍基合金）制造。 （4）阀盘与阀座的密封锥面采用不等的锥角 为了提高气阀的气密性，阀盘与阀座为线接触。通常设计成接触线靠近密封锥面外边缘，即阀座锥角比阀盘锥面角大0.51。这种配合形式可避免接触线内侧锥面与高温燃气接触，延长排气阀的检修周期。新型低速机气阀改为接触线靠近内边缘，阀座锥角比阀盘锥面角小0.20.5，则阀盘锥面和阀座锥面间形成狭窄的楔形空间，接触线离燃烧的气体远了，接触线附近温度降低，不易产生高温腐蚀，使排气阀的检修周期延长。有的新型低速机排气阀阀座密封锥面，除采用接触线靠近内边缘外，靠外缘处还车有一道隔热空气槽，如图3-1-5所示。扫气结束时，槽内充满了空气。燃烧时，燃烧的气体在此节流冷却后才到达接触线，更使接触线附近温度降低，进一步延长排气阀的检修周期。
