《船舶柴油机》课程授课教案（教材讲义）第四章 换气和增压

第四章#换气和增压第一节柴油机换气过程柴油机从开始排气、扫气到进气结束的整个气体更换过程称为换气过程。换气过程进行完善，压缩过程开始时残留废气量少，存留在气缸中的新鲜空气量多，就为燃油的完全、及时燃烧创造了良好条件。燃油的完全而及时的燃烧，不但使柴油机发出更大功率，提高其动力性：使柴油机有高的热效率，提高其经济性：而且，完全而及时的燃烧还意味着减少结炭和较低的循环平均温度，从而提高其可靠性。减少排气污染也必须有好的换气质量。因此，换气质量的好坏是柴油机工作优劣的先决条件。一、四冲程柴油机的换气过程图4-1为一台四冲程柴油机换气过程的实测曲线。α)图为气缸压力及排气管内压力随曲轴转角变化的情况。b)图为进排气阀通流截面积随曲轴转角变化的情况。根据气体流动的特点，可把换气过程分为几个阶段来讨论。自由排气阶段。当排气阀开启时，气缸压力远高于排气管压力，排气管压力与气缸压力k2k-1(k+1之比小于临界值），气体流动为超临界流动，气缸内废气在超临界压比作用下以当地音速流过排气阀最小截面处。气缸压力迅速下降，排气管压力上升。当排气管压力与气缸压力比大于临界压比时，气体流动转入亚音速流动阶段。到某一时刻，气缸压力接近于排气管压力，自由排气阶段即告结束。强制排气阶段。活塞上行将气缸内的废气强制推挤入排气管的阶段，即为强制排气阶段。由于排气阀延迟关闭，此阶段末尾可利用排气管中废气的流动惯性把气缸内的废气继续吸出。进气过程。进气阀提前开启，气缸中废气压力低于进气管进气压力时开始进气。进气流具有一定惯性。进气阀滞后关闭可使气柱的动能转化为压力能，使进气终了时气缸压力接近或略高于进气管压力。气阀叠开和燃烧室扫气过程。在气阀叠开期间，进气管、燃烧室和排气管连通起来，当进气管中压力比排气管内压力高时，新鲜空气进入气缸，驱赶残留在燃烧室中的废气并一起进入排气管。这既有利于清扫残余废气，增加新鲜空气充量，也有利于降低燃烧室部件冷却液难以冷却到的高温壁面的温度。但是应该指出，气阀叠开角并不是大的就好，因为进气阀开启过早，会造成废气倒冲入进气管：排气阀关闭过迟，过量的扫气空气【会增加增压空气的消耗，】会降低涡轮前的排气温度，减少增压器涡轮获得的可用能，【使柴油机的油耗率增加】。在换气过程中，新鲜空气与废气是不相掺混的。因此，四冲程柴油机的换气质量较高

第四章 换气和增压 第一节 柴油机换气过程 柴油机从开始排气、扫气到进气结束的整个气体更换过程称为换气过程。换气过程进行 完善，压缩过程开始时残留废气量少，存留在气缸中的新鲜空气量多，就为燃油的完全、及 时燃烧创造了良好条件。燃油的完全而及时的燃烧，不但使柴油机发出更大功率，提高其动 力性；使柴油机有高的热效率，提高其经济性；而且，完全而及时的燃烧还意味着减少结炭 和较低的循环平均温度，从而提高其可靠性。减少排气污染也必须有好的换气质量。因此， 换气质量的好坏是柴油机工作优劣的先决条件。 一、四冲程柴油机的换气过程 图 4-1 为一台四冲程柴油机换气过程的实测曲线。a)图为气缸压力及排气管内压力随曲 轴转角变化的情况。b)图为进排气阀通流截面积随曲轴转角变化的情况。根据气体流动的特 点，可把换气过程分为几个阶段来讨论。 自由排气阶段。当排气阀开启时，气缸压力远高于排气管压力，排气管压力与气缸压力 之比小于临界值（ 1 1 2 −       + k k k ），气体流动为超临界流动，气缸内废气在超临界压比作 用下以当地音速流过排气阀最小截面处。气缸压力迅速下降，排气管压力上升。当排气管压 力与气缸压力比大于临界压比时，气体流动转入亚音速流动阶段。到某一时刻，气缸压力接 近于排气管压力，自由排气阶段即告结束。 强制排气阶段。活塞上行将气缸内的废气强制推挤入排气管的阶段，即为强制排气阶段。 由于排气阀延迟关闭，此阶段末尾可利用排气管中废气的流动惯性把气缸内的废气继续吸 出。 进气过程。进气阀提前开启，气缸中废气压力低于进气管进气压力时开始进气。进气流 具有一定惯性。进气阀滞后关闭可使气柱的动能转化为压力能，使进气终了时气缸压力接近 或略高于进气管压力。 气阀叠开和燃烧室扫气过程。在气阀叠开期间，进气管、燃烧室和排气管连通起来，当 进气管中压力比排气管内压力高时，新鲜空气进入气缸，驱赶残留在燃烧室中的废气并一起 进入排气管。这既有利于清扫残余废气，增加新鲜空气充量，也有利于降低燃烧室部件冷却 液难以冷却到的高温壁面的温度。但是应该指出，气阀叠开角并不是大的就好，因为进气阀 开启过早，会造成废气倒冲入进气管；排气阀关闭过迟，过量的扫气空气【会增加增压空气 的消耗，】会降低涡轮前的排气温度，减少增压器涡轮获得的可用能，【使柴油机的油耗率增 加】。 在换气过程中，新鲜空气与废气是不相掺混的。因此，四冲程柴油机的换气质量较高

二、二冲程柴油机的换气过程图4-2示出二冲程柴油机换气过程曲线图。根据缸内气体压力变化的特点，可把换气过程分成三个主要阶段。第一阶段：自由排气阶段（B→R）在膨胀冲程的末尾，下行的活塞把排气口打开（B点），此时气缸内的压力pb比排气管中的压力pr高得多，p/pb之比值小于临界值，废气以临界速度流出排气口进入排气管。超临界流动持续到p/pp之比值等于临界值的K点。此后废气以亚临界速度自由排出气缸。当气缸内压力约等于扫气箱空气压力时（即R点），自由排气阶段的结束。如图所示，扫气口刚打开时（D点），气缸压力仍略高于扫气压力。但因压差不大而时间很短，倒流可忽略。如果排气不畅、排气阀开启正时偏迟，废气倒冲就会变严重，甚至可能引起扫气箱着火。第二阶段：强制排气和扫气阶段（R→C）此阶段开始时，由于扫气口开度小，排气口已开得很大，气缸中废气正以很高流速流入排气管，气缸内压力继续迅速降低。由于废气流的惯性作用，气缸内压力进一步降低。然后，随着扫气口开度的增加，扫气大量进入，气缸中压力逐渐升高。在扫气口关闭而结束此阶段前，气缸内压力趋于稳定。在本阶段中，主要是利用扫气空气进入气缸把气缸内的废气排挤出去，故称为强制排气及扫气阶段。第三阶段：过后排气阶段（C→E）活塞上行先关闭扫气口（C点）。此时，气缸中的残余废气掺混部分新鲜空气经由仍然开启的排气口（阀）继续排入排气管，直至排气口（阀）于E点关闭。在E点之后，气缸内开始进行压缩过程。二冲程柴油机换气的持续时间约为120°～150°曲轴转角，而四冲程柴油机实现换气过程所占的时间则相当于400～500°曲轴转角。如果转速相同，则二冲程柴油机的换气时间只有四冲程柴油机的大约1/3。因此二冲程柴油机进行完善的换气较困难，高、中速柴油机尤其困难。三、时面值、角面值fdi在一次换气过程中各个阶段气口或气阀的通流能力是以它们所拥有的时面值来衡量的（f为气口或气阀瞬时通流面积，t与t为各个阶段开始与终了时刻）。它不仅考虑了气口或气阀开启面积的大小，还同时考虑了开启时间的长短。由于360nr2do=dt=6nxdtf(p)d606ng1。（与为与1和b相对应的曲柄转角，f(の）为气口或气阀的几何通流面积随曲柄转角变化的规律。）f(β)dp称角面值。它表示气口或气阀的通流能力。对于既定的柴油机它是一个定值，它的大小与转速无关。四、充气效率v在进气过程结束时，由手存在流动阻力，气缸内压力低于进气管处压力。同时由手壁面

二、二冲程柴油机的换气过程 图 4-2 示出二冲程柴油机换气过程曲线图。根据缸内气体压力变化的特点，可把换气过 程分成三个主要阶段。 第一阶段：自由排气阶段（B→R) 在膨胀冲程的末尾，下行的活塞把排气口打开（B 点），此时气缸内的压力 pb 比排气管 中的压力 pr 高得多，pr/pb 之比值小于临界值，废气以临界速度流出排气口进入排气管。超 临界流动持续到 pr/pb 之比值等于临界值的 K 点。此后废气以亚临界速度自由排出气缸。当 气缸内压力约等于扫气箱空气压力时（即 R 点），自由排气阶段的结束。如图所示，扫气口 刚打开时（D 点），气缸压力仍略高于扫气压力。但因压差不大而时间很短，倒流可忽略。 如果排气不畅、排气阀开启正时偏迟，废气倒冲就会变严重，甚至可能引起扫气箱着火。 第二阶段：强制排气和扫气阶段（R→C） 此阶段开始时，由于扫气口开度小，排气口已开得很大，气缸中废气正以很高流速流入 排气管，气缸内压力继续迅速降低。由于废气流的惯性作用，气缸内压力进一步降低。然后， 随着扫气口开度的增加，扫气大量进入，气缸中压力逐渐升高。在扫气口关闭而结束此阶段 前，气缸内压力趋于稳定。在本阶段中，主要是利用扫气空气进入气缸把气缸内的废气排挤 出去，故称为强制排气及扫气阶段。 第三阶段：过后排气阶段（C→E) 活塞上行先关闭扫气口（C 点）。此时，气缸中的残余废气掺混部分新鲜空气经由仍然 开启的排气口（阀）继续排入排气管，直至排气口（阀）于 E 点关闭。在 E 点之后，气缸 内开始进行压缩过程。 二冲程柴油机换气的持续时间约为 120˚～150˚曲轴转角，而四冲程柴油机实现换气过程 所占的时间则相当于 400˚～500˚曲轴转角。如果转速相同， 则二冲程柴油机的换气时间只 有四冲程柴油机的大约 1/3。因此二冲程柴油机进行完善的换气较困难，高、中速柴油机尤 其困难。 三、时面值、角面值 在一次换气过程中各个阶段气口或气阀的通流能力是以它们所拥有的时面值  2 1 t t fdt 来衡量的（f 为气口或气阀瞬时通流面积，t1与 t2 为各个阶段开始与终了时刻）。它不仅考虑 了 气 口 或 气 阀 开 启 面 积 的 大 小 ， 还 同 时 考 虑 了 开 启 时 间 的 长 短 。 由 于 dt n dt n d = = 6  60 360  ,  2 1 t t fdt  = 2 1 ( ) 6 1   f  d n 。（1 与 2 为与 t1 和 t2 相对应的曲柄转角， f () 为气口或气阀的几何通流面积随曲柄转角变化的规律。）  2 1 ( )   f  d 称角面值。它表示气口或气阀的通流能力。对于既定的柴油机它是一个定 值，它的大小与转速无关。 四、充气效率ηv 在进气过程结束时，由于存在流动阻力，气缸内压力低于进气管处压力。同时由于壁面

对吸入空气的加热，进气与残留在气缸中废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，气缸里进气温度比进气管处空气温度高。因此如把吸进气缸内的新鲜空气体积换算成进气管状态的体积，此换算体积将小于气缸工作容积。【插入第八章P203】充气效率n定义为实际吸入气缸的新鲜空气量与进富状仓满工作容积的空气量m之比值，即VaPa1man,=VhPsVhms四冲程柴油机根据进气过程的能量平衡关系，可以得到Ⅱ的由各种影响因素组成的表达式（略），并进而估算出各影响因素对Ⅱ的影响程度。估算结果如图4-3所示。直线1表示一假想的没有流动阻力、没有进气加热的理想换气过程。曲线4表示实际的换气过程。曲线3【表示】【可看成】没有吸入空气加热的换气过程。曲线2表示仅有进气流动阻力的换气过程。根据此图可了解影响充气效率的有关因素：1)进气流动阻力的影响【pa】：由于进气流道存在流动阻力，产生压降△pa，所以进气结束时缸内压力pa=po-△pa2nEKApg=2从流体力学得知：式中：n—柴油机转速；——进气阀通道截面积；K——比例系数。可见，要提高Ⅱv，必须减小△pa，要求尽可能增大进气通道截面积f。因此，中、大型四冲程柴油机普遍采用多（2甚至3）个进气阀结构。而且由于降低进气流动阻力比降低排气流动阻力对提高更为有效，柴油机往往尽可能增大进阀直径，使进气阀直径大于排气阀直径，以达到提高Ⅱ的目的。图4-3中曲线2与曲线1之间的差距就是单单由于进气流动阻力导致的n下降。随着转速的升高，Ap增大，7下降。图还表明，除非在很低的转速下，由进气流动阻力造成的Ⅱ下降占有主要的份额。它是影响Ⅱ的主要因素。因此，运行管理应注意经常保持进气系统的清洁，以减少流动阻力。2)进气过程结束时气缸内气体温度的影响【T.】：在进气过程中，由于壁面对空气的加热、与残留废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，使吸入新鲜空气温度升高，导致Ⅱ的下降。当柴油机负荷增大，喷油量增加，循环的平均温度升高，气缸壁温升高，Ⅱ有所下降。当柴油机转速增加时，进气与壁面接触时间减少，壁面传给进气的热量减少。图4-3曲线3与曲线4之间的差距就是纯释由于壁面传给进气热量导致的Ⅱ下降。进气过程结束时气缸内气体温度有所升高对Ⅱ的影响较小，是影响Ⅱ的次要因素。3)剩途废气系数Y.的影响：当换气终了时气缸内的剩徐废气系数Y（即换气结束时气缸里残余废气量与新鲜空气量之比值）增加，则吸入气缸的新鲜空气减少，从而使7下降。如排气背压增加，将使增加，从而使n下降。但由于四冲程柴油机的.很小且【正常工作时】变化范围也很小，故实际影响很小。4)柴油机气阀正时的影响：（1)排气阀提前开：排气阀开启初期其通道截面积很小，流动阻力很大。如果排气阀太接近下止点时才开启，提前开启的角度太小，废气排出不畅，会造成活塞上行推出废气消耗的功增大。残余废气量增加，充气效率Ⅱ下降。但排气阀提前开启角也不能太大，否则会使气体膨胀功损失过大。图4-4表示不同的排气提前角的影响。α--最合适，b--过早开启，C--过晚开启。(2)排气阀滞后关：排气阀的滞后关一方面使活塞到达上止点时，排气阀仍有足够通道截面，有利于废气的排出：另一方面，由于利用了排气流的惯性，可使废气排得更干净。(3)进气阀提前开：进气阀提前开除了使进气冲程开始时有较大的通道截面，以减少进

对吸入空气的加热，进气与残留在气缸中废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因， 气缸里进气温度比进气管处空气温度高。因此如把吸进气缸内的新鲜空气体积换算成进气管 状态的体积，此换算体积将小于气缸工作容积。【插入第八章 P203】充气效率ηv 定义为实 际吸入气缸的新鲜空气量 ma与进气管状态下充满气缸工作容积 Vh 的空气量 ms 之比值，即 h a h s a a s a v V V V V m m = = =    ➔ ➔ 四冲程柴油机根据进气过程的能量平衡关系，可以得到ηv 的由各种影响因 素组成的表达式（略），并进而估算出各影响因素对ηv 的影响程度。估算结果如图 4-3 所示。直线 1 表示一假想的没有流动阻力、没有进气加热的理想换气过程。曲线 4 表示实际的换气过程。曲线 3〖表示〗【可看成】没有吸入空气加热的换气过程。 曲线 2 表示仅有进气流动阻力的换气过程。根据此图可了解影响充气效率的有关因 素： 1)进气流动阻力的影响【pa】：由于进气流道存在流动阻力，产生压降Δpa，所以进气结 束时缸内压力 pa=p0-Δpa。 从流体力学得知： 2 2 f n pa = K  式中：n⎯⎯柴油机转速； f⎯⎯进气阀通道截面积； K⎯⎯比例系数。 可见，要提高ηv，必须减小Δpa，要求尽可能增大进气通道截面积 f。因此，中、大型 四冲程柴油机普遍采用多（2 甚至 3）个进气阀结构。而且由于降低进气流动阻力比降低排 气流动阻力对提高ηv 更为有效，柴油机往往尽可能增大进阀直径，使进气阀直径大于排气 阀直径，以达到提高ηv 的目的。 图 4-3 中曲线 2 与曲线 1 之间的差距就是单单由于进气流动阻力导致的ηv 下降。随着 转速的升高，Δpa 增大，ηv 下降。图还表明，除非在很低的转速下，由进气流动阻力造成 的ηv 下降占有主要的份额。它是影响ηv 的主要因素。因此，运行管理应注意经常保持进气 系统的清洁，以减少流动阻力。 2)进气过程结束时气缸内气体温度的影响【Ta】：在进气过程中，由于壁面对空气的加 热、与残留废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，使吸入新鲜空气温度升高，导 致ηv 的下降。当柴油机负荷增大，喷油量增加，循环的平均温度升高，气缸壁温升高，ηv 有所下降。当柴油机转速增加时，进气与壁面接触时间减少，壁面传给进气的热量减少。图 4-3 曲线 3 与曲线 4 之间的差距就是纯粹由于壁面传给进气热量导致的ηv 下降。进气过程 结束时气缸内气体温度有所升高对ηv 的影响较小，是影响ηv 的次要因素。 3)剩馀废气系数γr 的影响：当换气终了时气缸内的剩馀废气系数γr（即换气结束时气 缸里残余废气量与新鲜空气量之比值）增加，则吸入气缸的新鲜空气减少，从而使ηv 下降。 如排气背压增加，将使γr增加，从而使ηv 下降。但由于四冲程柴油机的γr很小且【正常 工作时】变化范围也很小，故实际影响很小。 4)柴油机气阀正时的影响： (1)排气阀提前开：排气阀开启初期其通道截面积很小，流动阻力很大。如果排气阀太 接近下止点时才开启，提前开启的角度太小，废气排出不畅，会造成活塞上行推出废气消耗 的功增大。残余废气量增加，充气效率ηv 下降。但排气阀提前开启角也不能太大，否则会 使气体膨胀功损失过大。图 4-4 表示不同的排气提前角的影响。a-最合适，b-过早开启， c-过晚开启。 (2)排气阀滞后关：排气阀的滞后关一方面使活塞到达上止点时，排气阀仍有足够通道 截面，有利于废气的排出；另一方面，由于利用了排气流的惯性，可使废气排得更干净。 (3)进气阀提前开：进气阀提前开除了使进气冲程开始时有较大的通道截面，以减少进

气阻力，提高外，还可形成进排气阀叠开，对燃烧室进行扫气，减少剩余废气量，提高Nv（4）进气阀滞后关：进气阀延退在下止点后关闭，一方面使活塞在下止点附近时进气阀仍有足够开度，不致因开度不足而面还可充分利用进气流的惯性而吸入更多空气。图4-3中曲线3大所选定的气阀正时，主要是进气視关闭正时的影响。其中在桌高于这个转速时，进气阀关闭过早，未能充分利用进气惯性闭过迟，则造成进气倒流。不同转速下，存在不同的最佳达到最佳，运行于不同的转速时，其正时应该是不同的。但常规的点。因此，变速使用的船舶主柴油机，说明书所规定的气阀正时，只是在主常用的高转速下才能取得最佳的nv。二冲程柴油机中，进气流动阻力、进气过程结束时气缸内气体温度、剩徐废气系数Y等因素对v的影响与四冲程柴油机相似。柴油机排气阀扫气口正时影响到排气阀扫气口的通流能力和扫气气流在气缸中的流向，对卫有很大的影响。为了达到在耗费新气尽可能少的条件下把尽可能多的废气排出缸外，排气阀扫气口正时应符合说明书的规定值，应定期清洁扫气口，以保证扫气气流在气缸中的流向，并减少流动阻力。第二节换气机构换气机构的功能一一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一气阀式换气机构。气阀式换气机构气阀机构十气阀驱动机构。本节还将闸述凸轮轴十凸轮轴传动机构。B1A4B2办气阀机构的组成图10-1-1

气阻力，提高ηv 外，还可形成进排气阀叠开，对燃烧室进行扫气，减少剩余废气量，提高 ηv。 (4)进气阀滞后关：进气阀延迟在下止点后关闭，一方面使活塞在下止点附近时进气阀 仍有足够开度，不致因开度不足而使Δpa增大。另一方面还可充分利用进气流的惯性而吸入 更多空气。图 4-3 中曲线 3 与曲线 2 之间的差距，可认为是所选定的气阀正时，主要是进气 阀关闭正时的影响。其中在某一转速附近时，这个损失最小。高于这个转速时，进气阀关闭 过早，未能充分利用进气惯性；低于这个转速时，进气阀关闭过迟，则造成进气倒流。不同 转速下，存在不同的最佳正时。因此要使柴油机的性能达到最佳，运行于不同的转速时，其 正时应该是不同的。但常规的气阀启闭控制机构做不到这一点。因此，变速使用的船舶主柴 油机，说明书所规定的气阀正时，只是在常用的高转速下才能取得最佳的ηv。 二冲程柴油机中，进气流动阻力、进气过程结束时气缸内气体温度、剩馀废气系数 γr等因素对ηv 的影响与四冲程柴油机相似。柴油机排气阀扫气口正时影响到排气阀扫气口 的通流能力和扫气气流在气缸中的流向，对ηv 有很大的影响。为了达到在耗费新气尽可能 少的条件下把尽可能多的废气排出缸外，排气阀扫气口正时应符合说明书的规定值，应定期 清洁扫气口，以保证扫气气流在气缸中的流向，并减少流动阻力。 第二节 换气机构 换气机构的功能－－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＝气阀机构＋气阀驱动机构。本节还将阐述 凸轮轴＋凸轮轴传动机构

一、气阀机构1.气阀的工作条件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900～1000℃，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650～800℃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4-5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4-6所示。图4-5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过盈配合的安装方式

一、气阀机构 1．气阀的工作条件 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 900～1000℃， 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 650～800℃ 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 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 4-5 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 4-6 所示。 图 4-5 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 过盈配合 的安装方式

图2-61不带阀光的气阀1-阀杆，2-阀头，3-气缸盖：4-导管，5、6-弹簧，7-弹簧盘，8-卡块，9-撞击块；10-卡环图4-5不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

图 4-5 不带阀壳的气阀机构 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

PC2-6图4-6带阀壳的气阀机构气阀采用耐热耐磨合金钢制造。限康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。粉末合金闰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：1)采用柔性螺栓使阀壳、缸盖等受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：2)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；3)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。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

图 4-6 带阀壳的气阀机构 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：1)采用柔性螺栓使阀壳、缸盖等受热零件 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；2)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；3)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。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

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：①由于阀盘不同部位受热、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。②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NazSO4、CaSO4、Fe2O3、V2Os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。③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。V205熔点为670℃，NazSO4熔点为850℃，而它们组成的二元系，如V20O5.Na2O系、V2O5.NaVO3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。①气阀间隙过大，②阀盘和阀座刚度（包括气缸盖底板刚度）不足，③气阀和阀座材料性能达不到要求或不匹配，④重油含有较多的钒、钠和硫，③超负荷运行或燃烧恶化，③冷却不良，③阀杆与导管间隙过大，③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。增压柴油机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。1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。（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：①阀杆与导管的间隙过大：②阀盘或阀座变形使局部受力过大：③气阀

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： ①由于阀盘不同部位受热、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。 ②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。 ③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 V2O5.Na2O 系、V2O5.NaVO3 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。 ①气阀间隙 过大，②阀盘和阀座 刚度（包括气缸盖底板刚度）不足，③气阀和阀座 材料 性能 达不到要求 或 不匹配，④重油含有较多的 钒、钠和硫，⑤超负荷运行 或 燃烧恶化， ⑥冷却不良，⑦阀杆与导管 间隙过大，⑧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。【增压柴油机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。 （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：①阀杆与导管的间隙过大；②阀盘或阀座变形使局部受力过大；③气阀

间隙过大：④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。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控制在410～430℃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①加大了气缸盖高度，②采用了厚燃烧壁钻孔冷却，③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：①【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，使其热变形均匀，防止漏气。也减小了密封锥面的最高温度。②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。③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【〖沉积物】【积炭】，防止卡【住】【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4-9），另一种是在气阀弹簧的上端或下端装设的旋阀器

间隙过大；④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。 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 温度均已能控制在 410～430℃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①加大了 气缸盖高度，②采用了 厚燃烧壁 钻孔冷却，③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：①【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， 【使其热变形均匀，防止漏气。】也减小了密封锥面的 最高温度。②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。③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〖沉积物〗【积炭】，防止卡〖住〗 【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 4-9），另一种是在气阀弹簧的上端或下端装设 的旋阀器

2)6)图4-7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。当气阀闭合时，气阀弹簧弹力较小，碟形弹簧呈碟形。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【，钢珠不受力】。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α)可见，腰形槽底面带有斜度。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，碟形弹簧逐渐恢复原先形状，钢珠的压力逐渐消失。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

图 4-7 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。当气阀闭合时，气阀弹簧弹力较小，碟形弹簧 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【，钢珠不受力】。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，碟形弹簧逐渐恢复原先形状，钢珠的压力 逐渐消失。 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