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: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,防止翘曲漏气。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图3-1-3 旋阀器的构造
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。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0.5~1 。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0.2~0.5 ,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。
4.气阀组件管理维修注意事项
虽然新型柴油机的气阀机构已进行了大力改进,但在管理维修中依然必须多加注意。
1)尽管柴油机的气阀采取了种种措施提高其工作能力,但在采购燃油时,仍应特别注意燃油的含钒量。否则检修期和气阀寿命还是会明显缩短。如不得已必需燃用高钒燃油,可适当降低负荷运行。这个办法对较老型式的柴油机尤其有效。
2)必须及时对气阀进行检查。在磨削时必须注意气阀阀盘锥面和阀座锥面的锥角存在的角度差。研磨后的实际接触密封带宽度应符合要求,过宽会降低阀面的密封锥面比压,气密性较差;不利于挤碎阀锥面的沉积物,妨碍气阀的密封。但过度狭窄的密封面磨损快,且不利于热量传出。
3)气阀导管和阀杆的间隙必须合适。磨损超差应及时更换导管。因为过大的配合间隙会引起散热不良,造成阀杆处漏气,排气阀阀杆处漏气更易造成滑油结焦使阀卡死;过大间隙还使气阀横向振动加剧,使阀盘落座时与阀座密封面的滑移量增大,磨损增大;还可能造成气阀单边落座,这往往是造成阀盘与阀杆过渡圆角处断裂的原因。当然导管和阀杆的间隙也不能过小,否则会导致气阀卡阻。