摘要：柴油发电机的二气门与四气门的区别主要是气门数不同和动力不同。气门数多有利于发动机在高转速时的进排气效率，但影响低转速的扭矩；两气门有结构简单故障点少的优点：低速扭矩大，但高转时进排气效率低，影响功率输出。本文围绕不同数量的气门类型、两气门和四气门的区别及气门结构选型与维护要点三个方面，系统阐述单缸多气门、四气门发动机与三气门发动机的结构特点与设计目的，详细对比两气门与四气门在结构复杂度、进排气面积、充气效率、功率输出、燃油经济性与维修成本等方面的差异，并从选型依据、维护要点与故障预防三个方面提出气门结构选型与维护要求，为柴油发电机气门结构形式的认知、选型与维护提供技术参考。
一、不同数量的气门类型
1. 单缸多气门
（1）传统两气门结构。过去，在大多数发动机上，每个汽缸只有一个进气门和一个排气门。
（2）现代四气门结构。但是现在，许多发动机都采用每缸两个进气门和两个排气门。这种设计使发动机具有较大的功率。
（3）三气门结构。另外，为了提高催化转换器的废气温度，还使用了三气门发动机。
（4）五气门结构。最近，很多发动机厂家还试验了五气门发动机。这种结构的发动机每个汽缸有三个进气门和两个排气门。
（5）帘布面积的概念。每缸五气门比每缸两气门、三气门和四气门都要好，因为可以为空气和燃油混合气提供最佳的流动路径。这种流动路径在工程术语上被称为帘布面积（Curtain area）。
（6）帘布面积的意义。帘布面积向工程师们提示空气和燃油流入汽缸的均匀程度，帘布面积越大，燃烧效率就越高。一些工程报告提出：与使用两气门、三气门或四气门相比，使用五气门提高帘布面积效率大约30％。
（7）多气门技术的发展趋势。随着发动机强化程度与排放要求的提高，多气门结构逐渐成为提高充气效率与降低排放的重要技术手段。
2. 四气门发动机
（1）四气门发动机的普及背景。现在使用的很多发动机中，每个汽缸都有两个以上的气门。当涡轮增压器（也叫增压器）被开始引入柴油发电机的设计中时，四气门发动机开始普及。
（2）增压与四气门的配合。给发动机增压就是强迫更多的空气或燃油进入汽缸，以获得更大的功率。后面的章节将会介绍增压。四气门缸盖允许更多的空气或燃油进入汽缸，从而增大了发动机的功率。
（3）容积效率的提升。因为每个汽缸上有两个进气门和两个排气门，更多的空气或燃油以及更多的废气可以通过发动机。这就使得四气门发动机具有更高的容积效率。
（4）高转速适应性。四气门发动机还具有一些其他的特性。气门可以更小，这样发动机就可以在更高的转速范围内工作。
（5）应用现状。因为四气门发动机的成功，现在的大多数发动机，无论是否有增压，都使用四气门结构。图2显示了一个典型的四气门汽缸盖。
3. 三气门发动机
（1）设计目的。发电机组工程师们在持续不断地努力改进发动机的燃烧效率，同时还要降低排放。提高效率而又降低排放的一种方法是使用三气门发动机。图3-39给出了一个三气门发动机的例子。在这个例子中，每个汽缸有两个进气门和一个排气门。
（2）催化转换器的工作要求。试验表明：催化转换器需要很高的废气温度才能正常工作。通常，当发动机在正常工作温度时，得到较高的废气温度没有问题。
（3）预热期的排放问题。但是，在预热期，在一段时间内废气依然很凉，不能够让催化转换器正常工作。这样，催化转换器净化废气就会有一段时间延迟。
（4）单排气门的优势。研究者发现，这段延时是由于采用两个排气门引起的。当采用两个排气门时，有更多的废气热量在发动机和催化转换器之间损失掉了。如果只采用一个排气门，发动机和催化转换器之间的热量损失就会减小。实际上，如果只使用一个排气门，废气温度要高出140～170E（1E＝1.8℃＋22）。这使得催化转换器升温更快，从而减少了起动和预热期间的排放。
（5）布置空间的优势。使用每汽缸三个气门的另一个原因是：在设计汽缸盖时可以有更多的空间用于布置火花塞和喷油器。通过在最好的位置布置喷油器和火花塞，可以实现更高的燃烧效率。
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图1 四气门发动机示意图 |
图2 三气门发动机示意图 |
二、两气门和四气门的区别
两气门和四气门发动机的工作原理是一致的，如图3所示。其根本区别在于进排气效率和燃烧室结构，这直接影响了它们的动力、油耗和排放表现。
1. 两气门
（1）优点
① 机械结构简单。机械结构简单，节省维修和制造成本，故障率比较低。
② 低速扭矩大。低转速时扭矩传递快，应对通勤使用时可靠性更好，油耗低。
③ 维修方便。两气门结构零部件少，拆装与调整相对简便，对维修人员技术要求较低。
④ 低速经济性好。在低速工况下，两气门发动机进气涡流较强，混合气形成质量较好，燃油消耗率较低。
（2）缺点
① 高速进气不足。气门开启/闭合节奏固定，随着速度提升越感无力。
② 功率输出受限。两气门进排气面积有限，高转速时充气效率下降，功率输出难以进一步提升。
③ 排放控制难度大。两气门结构对混合气形成的控制能力有限，难以满足日益严格的排放法规要求。
2. 四气门
（1）优点
① 提高功率与降低噪音。能提高发动机的功率和降低噪音。进气门总的通过面积较大，冲量系数较高，排气门的直径可以适当减小，使其工作温度适当降低，提高了工作可靠性。
② 进排气截面积更大。四气门的进排气截面积更大：与两气门相比，四气门的进气面积可增加30%左右，排气面积可增加50%左右。
③ 充气效率提高。此外，四气门充气效率提高：两个进气门引起适当的空气运动，改善了混合气的形成，减少了CO和HC的排放，由于燃烧持续时间缩短，减少了NOx的生成。减少每个气门的质量可以提高发动机转速。采用多气门后，充气效率和燃烧速度提高。由于提高了充气效率并增加了发动机转速，发动机功率输出最多增加了45%，发动机功率也增加了。
④ 喷油器布置灵活。四气门结构中央可布置垂直喷油器，使燃油喷注与燃烧室中心对齐，改善混合气形成质量。
⑤ 排放性能优越。四气门结构通过优化进气涡流与喷油规律，可有效降低NOx与颗粒物排放，满足更高排放法规要求。
（2）缺点
结构复杂，成本较高，维修复杂。
综上所述，由图4看出，二气门发动机仅有一个进气门、一个排气门，而四气门发动机拥有两个进气门、两个排气门。相比较二气门发动机，四气门发动机具有众多优势。由于采用了更多的气门，因此发动机的进排气效率会更高，发动机的燃烧更充分，同时间内燃烧次数会更多。这意味着发动机可以拉到更高的转速，并带来更强大的输出。简而言之，四气门的特点就是高输出，这些都是用户们最喜欢的要素。
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图3 气门工作原理图 |
图4 两气门和四气门发动机的区别 |
三、气门结构选型与维护要点
1. 选型依据
（1）按转速范围选型。低速运行机组可优选两气门结构，其低速扭矩大、经济性好；高速运行机组宜优选四气门结构，其高转速充气效率高、功率输出大。
（2）按功率要求选型。对功率要求较高的机组，宜选用四气门结构，其进气面积比两气门增加约30%、排气面积增加约50%，功率输出最多可增加45%。
（3）按排放要求选型。对排放要求严格的机组，宜选用四气门或三气门结构，通过优化进气涡流与燃烧过程降低NOx与颗粒物排放。
（4）按维修条件选型。维修条件有限、对可靠性要求较高的场合，可优选两气门结构，其结构简单、故障率低、维修方便。
（5）按经济性选型。两气门结构制造成本与维修成本较低，四气门结构制造成本与维修成本较高，选型时应综合考虑初期投资与运行维护成本。
2. 维护要点
（1）气门间隙检查。定期检查并调整气门间隙，两气门与四气门结构的气门间隙标准不同，应按说明书规定值进行调整。
（2）气门密封性检查。定期检查气门与气门座的密封状态，发现密封锥面烧蚀、麻点或磨损时应及时研磨或更换。
（3）气门弹簧检查。定期检查气门弹簧弹力与自由长度，发现弹力不足或折断时应及时更换。
（4）气门导管检查。定期检查气门杆与气门导管的配合间隙，间隙过大时应更换导管或气门。
（5）配气相位检查。定期检查配气相位是否符合说明书要求，正时齿轮或正时链条磨损超限时应及时更换。
3. 故障预防
（1）保持进气清洁。定期更换空气滤清器滤芯，避免灰尘进入气缸加剧气门与气门座磨损。
（2）使用合格燃油与机油。使用符合标准的清洁燃油与机油，避免杂质与积碳影响气门密封性。
（3）避免长期超负荷运行。机组应按额定功率运行，避免长时间超负荷导致气门热负荷过高。
（4）规范冷机启动与停机。启动后应怠速运转3～5分钟，停机前应卸载后怠速冷却3～5分钟，避免气门热应力过大。
（5）定期检查气门异响。运行中监听气门区域有无异常声响，发现气门敲击声或漏气声应及时排查处理。
总结
柴油发电机二气门与四气门的主要区别在于气门数量及其对进排气效率、动力输出与结构复杂度的影响。两气门发动机结构简单、故障率低、低速扭矩大、油耗低，但高转速时进排气效率低，功率输出受限；四气门发动机进气面积可增加约30%、排气面积可增加约50%，充气效率与燃烧速度提高，功率输出最多增加45%，同时降低噪音与排放，但结构复杂、成本较高、维修复杂。三气门发动机则通过两个进气门与一个排气门的组合，在提高燃烧效率的同时减少排气热量损失，加快催化转换器升温。五气门发动机可提供最佳帘布面积，燃烧效率更高。在选型与维护方面，应根据转速范围、功率要求、排放要求、维修条件与经济性综合选择气门结构，并做好气门间隙检查、气门密封性检查、气门弹簧检查、气门导管检查与配气相位检查，通过保持进气清洁、使用合格燃油与机油、避免长期超负荷运行、规范冷机启动与停机及定期检查气门异响等措施，保障气门机构长期可靠工作。
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