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摘要： 气门导管是柴油机的重要零部件之一，起气门导向与散热作用，其质量和性能直接影响柴油发电机的工作效率和寿命。由于需承受高温高压和频繁振动，传统工艺难以满足其要求，粉末冶金成型因此成为高效、精密且经济的生产工艺。本文说明气门导管的构造作用、间隙要求与两种类型，按原材料精混、压制成型、烧结处理与后处理四步介绍加工工序，梳理性能要求与漏气、组合加工、气门间隙等常见问题，并说明三种气门导管密封件的安装方法。

 

一、气门导管基本构造和作用

 

1. 气门导管的作用

（1）导向作用

气门导管起气门的导向作用，使气门能正确地座落在气门座上，并将气门的热量传递出去，其构造和固定方法，如图1所示。

（2）固定方式

气门导管一般制成独立式的，然后再以少许公盈量压入气缸体或气缸盖上。

（3）间隙的要求

气门导管与气门杆留有适当的间隙，间隙太大会使气门摆动密封不好。由于气门与气门导管间的润滑较为困难，所以其间隙也不能太小，否则，会增加两者的磨损。

（4）作为衬套的定位作用

气门导管是气缸盖内支撑气门的孔，它相当于一个衬套，气门杆可以在里面滑动。气门导管是气缸盖的一部分，它帮助支撑和定位气门，以便气门能够正确地落座。

（5）散热作用

气门导管也有散热的作用，燃烧室内产生的热量经过气门后再传递给气门导管，如图2所示为一个气门导管，并显示了热量是如何传递到气门导管，再到气缸盖，最后传递给冷却系统的。

 

图1  柴油机气门导管位置图

图2  柴油机气门导管作用图

 

2. 气门导管间隙

（1）间隙范围

气门杆与气门导管之间的间隙十分重要。一般的，这个间隙在0.2~0.4mm之间。

（2）间隙变大的后果

如果气门导管磨损，间隙变大，可能会发生多种故障。气门可能漏气，导致空燃比发生变化；机油可能通过气门导管泄漏，导致机油消耗增大；气门也可能不能平稳地落座，导致气门座快速磨损。

（3）进气门导管间隙过大的影响

图3所示为机油是如何通过气门导管的。在图3（a）中，进气门的导管间隙太大。因为进气门产生的真空度，经过气门导管的所有机油都将被吸入燃烧室中烧掉。

（4）排气门导管间隙过大的影响

在图3（b）中，排气门的导管间隙太大，机油将被吸到废气流中烧掉，然后与废气一起被排出。

（5）共同后果

以上任何一种情况都会增大机油的消耗量，并且在废气中有燃烧过的机油。

当气门导管磨损时，机油会穿过气门而进入进气流或排气流，如图3所示。

3. 气门导管类型

（1）一体式导管

气门导管有两种类型：一体式和镶入式。一体式导管在气缸盖中直接加工而成，如图4（a）所示。

（2）镶入式导管

镶入式导管是一些压装在气缸盖内的小圆筒，如图4（b）所示。

（3）两种类型的更换差异

当气门导管过度磨损时，镶入式导管可以拆下来，换上一个新的镶入式导管。但是，一体式导管不能这样更换。

（4）选用差异的意义

镶入式导管便于磨损后更换，维修成本较低；一体式导管结构紧凑、同轴度好，但磨损后往往需要更换或修复气缸盖。

 

图3  当气门导管磨损时，机油会穿过气门而进入进气流或排气流

图4  气门导管类型结构图

 

二、气门导管加工工序

 

发动机气门导管是分开的部件，气门分进气门，排气门。导管分进排气门导管。气门导管内、外圆柱面经加工后压入气缸盖或气缸体的气门导管孔中，然后再精加工铰内孔，为防止轴向转动，设有卡环定位槽，它与定位卡环配合便可防止工作时导管移动而落入气缸中，气门杆与气门导管之间一般留有微量间隙，使气门杆能在导管中自由运动，气门导管工作温度较高，润滑较差，一般用含石墨较高的铸铁或铁基粉末冶金制成，以提高自润滑性能。气门导管的工艺流程比较复杂，一般包括以下几个步骤：

1. 原材料精混

（1）工序内容

按照气门导管的材料比例将各种金属粉末混合均匀。

（2）重要程度

这一步是最重要的环节，对于粉末混合的均匀性和成分配比的准确性有着非常高的要求。

（3）预处理

一般来说，原材料精混时需要对各种原材料进行预处理，将其清洁、烘干。

（4）混合不均的后果

若混合不均匀，压制成型后的毛坯各部位成分与密度将出现差异，烧结后组织不一致，影响导管的耐磨性与强度。

2. 压制成型

（1）工序内容

将经过精混的金属粉末放置于模具中，加入一定的压力进行压制成型。

（2）工艺调整

在压制成型的过程中，会根据气门导管的设计要求和规格进行相应的调整。

（3）压制成型的失效模式

表1  气门导管压制成型工序要求

（4）失效原因的分析

从表中可见，裂纹多由操作过程中的掉落引起；密度差大则与粉末填充量控制不当及密度检查错误有关，密度不均会直接影响后续加工与使用性能。

3. 烧结处理

（1）工序内容

将压制成型的零件放置于高温下烧结，使得金属颗粒之间发生冶金反应，形成致密的金属结构。

（2）重要程度

这一步工艺非常重要，影响着气门导管的质量和性能。

（3）烧结的失效模式

 

表2  气门导管烧结工序要求

 

（4）烧结参数的影响

烧结温度与时间是决定组织扩散、硬度与强度的关键参数，温度偏低或时间偏短会造成扩散不足、硬度偏低与强度不足；温度偏高或时间偏长则会造成硬度过高，加工性能变差并加剧气门杆磨损。

4. 后处理

（1）工序内容

经过烧结处理的粉末冶金气门导管需要进行后处理，例如钻孔、车削等工艺，以达到更高的精度和质量要求。

（2）后处理的作用

后处理用于修正烧结后的尺寸偏差、提高内外圆柱面的精度与表面质量，使导管满足压装与配合的要求。

（3）精加工铰内孔的配合

气门导管压入气缸盖或气缸体后，还需精加工铰内孔，以保证气门杆与导管之间的间隙符合规定。

 

三、气门导管的性能要求与常见问题

 

1. 气门导管要求

（1）具有良好的磨损性能及抗磨损性能；

（2）具有良好的匹配性能，能满足不同气门杆部的表面处理要求（氮化，镀铬等）

（3）具有良好的自润滑性能及储油性能；

（4）具有良好的机加工性能。

（5）四项要求的关联

耐磨性与自润滑性共同决定导管的使用寿命，匹配性能决定其与不同表面处理气门杆的配合效果，机加工性能则影响压装与铰孔的工艺质量。

2. 为什么会漏气？

（1）孔隙的存在

孔隙是粉末冶金材料固有的特性，当毛坯的密度为6.8g/cc时，孔隙率约为12~13%之间，其中贯通孔隙占总孔隙的90~95%。

（2）漏气的机理

由于以上孔隙的存在，针对导管施加一定的压力空气，就会产生漏气的现象。

（3）与使用性能的关系

贯通孔隙虽有利于储油与自润滑，但也会造成一定程度的漏气，因此需要在密度与自润滑性能之间取得平衡。

3. 为什么要以导管孔为中心进行组合加工？

（1）密封质量的影响

气门座圈工作锥面对导管孔的跳动大小直接影响气门与座圈的密封质量，进而影响发动机的性能。

（2）同轴度的保证

保证气门座圈与气门导管加工同轴度等重要位置度公差的需要，避免漏气造成发动机功率下降，有效避免成品压入缸盖时产生的微变形等隐性缺陷。

（3）组合加工的意义

以导管孔为中心进行组合加工，可使气门座圈与导管孔保持较高的同轴度，从而保证气门落座时的密封性。

4. 为什么要考虑气门间隙？

（1）气门间隙过小的后果

气门间隙过小，易导致气门运动不顺，出现卡滞，气门与导管之间润滑不良，导致异常磨损。

（2）气门间隙过大的后果之一

气门间隙过大，一方面会导致气门杆的热传导能力下降，空气和机油易被吸入燃烧室，引起怠速不稳，机油耗增加，积碳严重。

（3）气门间隙过大的后果之二

另一方面，会导致气门杆和导管的导向作用下降，不能保证气门落座时与气门座圈的同心，造成漏气，影响发动机功率。

（4）间隙控制的综合要求

因此气门间隙既不能过小也不能过大，应在机型规定的范围内调整，以兼顾运动顺畅、润滑良好与密封可靠。

 

四、气门导管密封件的安装

 

拆卸气门导管之前，需要先将发动机的电源断开，以免发生意外。然后，需要将气门盖板拆下来，以便更好地接近气门导管。接下来，需要使用扳手或者扳手套筒拆下气门导管上的螺母，然后轻轻拆下气门导管。康明斯柴油发电机用的气门杆油封规格如图5所示，三种密封件安装方法如图6所示。

1. 拆卸前的准备与安全要求

（1）断开电源

拆卸气门导管之前，需要先将发动机的电源断开，以免发生意外。

（2）拆卸气门盖板

然后，需要将气门盖板拆下来，以便更好地接近气门导管。

（3）拆下螺母与导管

接下来，需要使用扳手或者扳手套筒拆下气门导管上的螺母，然后轻轻拆下气门导管。

（4）操作中的注意点

拆卸时应避免用力过猛造成导管或气缸盖损伤，拆下的零件应按顺序放好，以便回装时对号入座。

2. 带槽的气门导管密封件

（1）密封件的配置

与带槽气门导管相配的密封件有两个叠起。

（2）不同生产时期的差异

在2000年5月15日至2002年2月底生产的康明斯柴油发动机上，进气门及排气门有独立带有颜色编码的气门导管密封件。进气门导管密封件带有黄铜色的环状螺旋弹簧并且橡胶部分有三个凸点；排气门导管密封件带有白银色的环状螺旋弹簧并且没有凸点。

（3）2002年3月以后的统一

在2002年3月以后生产的康明斯柴油发动机上，进气门及排气门导管只有一种气门导管密封件。

（4）安装方法

安装方法：徒手将进气门导管和排气门导管密封件卡入到气门导管的槽中。

（5）颜色编码的意义

在区分进排气门密封件的时期，颜色编码用于避免进排气门密封件装错，因为进气门与排气门的工作条件不同，密封件结构也存在差异。

3. 不带槽的气门导管密封件

（1）安装前的确认

确保在安装不带槽的气门导管密封件前，气门弹簧导管已经拆下。

（2）安装工具的使用

使用未经改制的气门密封件安装器（康明斯零件号为3163294）安装气门导管密封件。安装后，密封件安装器必须与缸盖接触。这样能使气门导管密封件安装正确。

（3）工具使用的警示

为避免发动机和/或刀具损坏，不要使用维修工具安装带有集成气门弹簧导管的气门杆密封件。

（4）安装到位的判断

密封件安装器与缸盖接触，说明密封件已被推至正确位置，若未接触则说明安装不到位。

4. 带一体式气门弹簧导管的气门杆油封

（1）安装方式

带一体式气门弹簧导管的气门杆油封需用手安装，不要使用安装工具。

（2）安装步骤

将气门杆密封件置于气门导管上方，用手将密封件推到位，直到气门弹簧导管牢固地靠着气缸盖。

（3）到位判断

当气门弹簧导管牢固地靠着气缸盖时，即表示密封件已安装到位。

（4）使用工具的风险

此类密封件若使用安装工具，可能因受力过大而损坏密封件或气门弹簧导管，因此必须用手安装。

5. 三种密封件安装方法的比较

（1）安装工具的差异

带槽密封件徒手卡入即可；不带槽密封件需使用专用安装器；带一体式气门弹簧导管的油封只能用手安装。

（2）到位判断的差异

带槽密封件以卡入槽中为准；不带槽密封件以安装器与缸盖接触为准；带一体式气门弹簧导管的油封以弹簧导管紧靠气缸盖为准。

（3）装错或安装不当的后果

密封件装错或安装不到位会造成机油沿气门杆窜入燃烧室或排气管，表现为机油消耗增大与排气冒蓝烟，因此安装后应确认到位。

6. 密封件安装后的检查

（1）外观检查

安装后应检查密封件是否平整、有无扭曲或翻边。

（2）配合检查

确认密封件与气门杆、气门导管的配合关系正确，无干涉或间隙过大。

（3）试运行观察

机组试运行后应观察排气烟色与机油消耗，若出现冒蓝烟或机油消耗异常，应复查密封件的安装状态。

 

图5  康明斯柴油机气门杆油封规格

图6  柴油机气门杆油封装入导管

 

 

总结

本文介绍了气门导管的构造作用、粉末冶金加工工序、性能要求与密封件安装方法。气门导管承担气门的导向与散热作用，与气门杆的间隙应控制在0.2~0.4mm之间，过大或过小都会引起漏气、机油消耗增加或异常磨损。其加工按原材料精混、压制成型、烧结处理与后处理四步进行，混合均匀性、压制密度与烧结温度时间分别决定成分均匀性、密度一致性与组织性能。气门导管密封件应按带槽、不带槽与带一体式气门弹簧导管三种类型分别采用徒手卡入、专用安装器压入与手推到位的方法安装，并确认到位，以避免机油窜入燃烧室或排气管。

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