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
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。阀杆上部还有卡图3-1-1 不带阀壳的气阀机构
环10，防止阀杆上端凹槽处断裂后气阀掉入气缸。气
1-阀盘；2-阀杆；3-气缸盖；4-导管；5、6-弹簧；
阀座圈、导管与缸盖间一般采用过盈配合的安装方7-弹簧盘；8-卡块； 9-撞击块；10-卡环
式。
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
图3-1-2 带阀壳的气阀机构 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：
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。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。