汽缸盖

四、气缸盖

1．气缸盖的作用、工作条件及类型

气缸盖是燃烧室的上盖。除和气缸套、活塞共同组成燃烧室外，在它上面还要安装各种阀件。这些阀件有喷油器、气缸起动阀、示功阀、安全阀、排气阀(四冲程和气阀气口式二冲程柴油机)、进气阀(四冲程柴油机)等。另外，对于设置进、排气阀的气缸盖上还要布置进、排气道和气阀摇臂机构。

由气缸盖所起的作用和它所处的位置可以看出，气缸盖要受到螺栓预紧力和缸套支反力的作用，柴油机工作中还要受到燃气的高温、高压作用，其冷却水腔还受到水的腐蚀。气缸盖结构复杂，金属分布不均，各部位温差很大。因此，气缸盖承受着很大的分布很不均匀的机械应力和热应力，尤其在各阀孔之间的狭窄区域(称“鼻梁区”)工作条件更为恶劣。

对气缸盖要求具有足够的强度和刚度，以保证气缸盖既不会因应力过大而损坏，也不会因变形而漏泄；气缸盖的底板，特别是各种阀孔之间的金属堆积处和高温部位，需要进行良好的冷却，力求做到各部位的温度合适且均匀；还要求气缸盖上各种阀件的拆装、维护方便，冷却水腔的水垢容易清除。气缸盖与气缸套之间的气密通常可通过采用紫铜或软钢垫床来保证。

气缸盖的类型很多，其分类方法也很多，按气缸盖与气缸之间的数量关系可分为：

(1)单体式气缸盖每一个气缸单独做一个气缸盖称为单体式气缸盖。这种气缸盖普遍应用在大功率中速、低速柴油机以及强化度较高的高速柴油机上。它的特点是气缸盖和气缸套接合面处的密封性好，制造、运输、拆装以及检修均较方便。但气缸的中心距加大，增加了柴油机的长度和重量。

(2)整体式气缸盖把一排气缸的气缸盖(一般4个～6个气缸)做成一体的称为整体式气缸盖。一般用于缸径小于150mm的中小型高速柴油机上。它的气缸中心距小，结构紧凑，柴油机的刚度提高重量减轻。但易变形，密封性差，结构复杂，加工不便，往往由于局部损坏而导致整个气缸盖报废。

(3)分组式气缸盖2个～3个缸共同组成一个气缸盖称分组式气缸盖。一般用在缸径较大的中小型高速柴油机上。它的特点介于上述两者之间。

根据气缸盖所用材料的不同，又可分成铸铁、铸钢和锻钢气缸盖。为了提高铸铁气缸盖的强度和热稳定性，往往在其中加入铬、镍、钼等合金元素。形状简单的气缸盖可用耐热钢(如钼钢)铸造。增压度较高的大型二冲程柴油机的气缸盖现在多用锻钢制造，锻钢材质结实，质量容易保证。

2．气缸盖的构造

1)大型低速柴油机气缸盖的构造

现代大型低速机以直流阀式二冲程机占主导地位，下面仅介绍这种柴油机的气缸盖。

图2-20所示为MAN B&W S-MC-C型柴油机气缸盖，它为圆形，由锻钢制造。在气缸盖中央设有排气阀孔1，排气阀用四只双头螺栓固紧在气缸盖上。另外气缸盖上还设有气缸起动阀孔5、安全阀与示功阀孔6以及两只喷油器孔4。在气缸盖中钻有许多径向冷却水孔2，在气缸盖底部设冷却水套9，它与气缸盖底部构成冷却水腔8。排气阀装入气缸盖孔1后，排气阀的插入气缸盖部分与孔内壁之间也构成一个冷却水腔。这两个冷却水腔通过钻出

的冷却水孔2相沟通。冷却完气缸套的水，通过冷却水套上四个通道进入冷却腔8。由水腔8进入钻孔2冷却气缸盖底面后，进入阀孔与阀壳间的冷却水腔，以冷却排气阀和阀座。最后由3流入排气阀壳的上部冷却腔，冷却排气通道后排至冷却水出口管。

图2-20 MAN B&W S-MC-C型柴油机气缸盖

1.排气阀孔

2. 冷却钻孔

3. 垂直孔

4. 喷油器孔

5. 起动阀孔

6.安全阀与示功阀孔

7.气缸盖螺栓孔

8.冷却水腔

9.冷却水套

由图可看出，这种气缸盖高度较大，但冷却水孔离燃烧室却很近，充分体现了薄壁强背的设计思想，使热负荷和机械负荷都保持在比较低的水平上，提高了可靠性。气缸盖底面是燃烧室壁面的一部分。上述气缸盖底面为倒锥形，这种倒锥形燃烧室有利于换气和燃烧。喷油器设两只并对称布置，有利于油雾形状和燃烧室形状的配合，确保了油、气有良好的混合性能。气缸盖底最下部的圆柱形壁面，使缸盖和缸套的结合面下移，以便接合处不受火焰的直接冲击，对结合面起到保护作用。冷却水由结合面的外部进入气缸盖，消除了冷却水通过结合面漏入气缸内部的可能性。并且冷却完气缸套的水是通过沿周向均布的四个通道进入缸盖，确保燃烧室部位的冷却较均匀。

图2-20所示的气缸盖是由16个固定在气缸体上的双头螺栓和螺母固紧在气缸套的顶部，这些螺栓在圆周上均匀分布，螺栓的固紧是用气缸盖自带的液压拉伸器完成的。

2)中速柴油机气缸盖构造

中速柴油机多为四冲程机，气缸盖上除有排气阀外尚有进气阀。由于其气缸盖比低速机的体积小、阀件多，其结构往往更为复杂。

图2-21 Wärtsilä 32型柴油机气缸盖

图2-21所示为Wärtsilä 32型柴油机气缸盖。它用球墨铸铁制造。中央为喷油器孔3，左、右两侧分别有两个进气阀孔和排气阀孔，5为进气道，4为排气道，这种进、排气道左右分布的布置，减少了高温排气对低温进气的加热作用。触火面的很薄，并由来自边缘流向中心的冷却水有效地冷却。在各阀中间的鼻梁处，钻有冷却通道以提供最好的传热。排气阀座可直接得到冷却。机械负荷由中间隔板及上面板和侧壁板所吸收。四个角上有气缸盖螺栓孔，气缸盖螺栓液压上紧。气阀座圈是由具有良好耐磨性能的合金铸铁制造，进排气阀表面镀有司太立合金，阀杆镀铬，如使用重油，可使用镍钼合金的排气阀。气缸盖上采用多管道集合元件代替了传统柴油机上单独元件的结构，可以完成空气进入气缸，废气排至排气系统，冷却水从气缸盖排出等多项功能。

五、燃烧室部件的管理

1．燃烧室部件的常见损伤形式

1)裂纹

由于燃烧室部件受到前面已分析过的机械应力和热应力的共同作用，产生裂纹是较为常见

的。图２２１示出了在活塞头上比较常出现裂纹的部位和裂纹形态。一般来说，燃烧室部件裂纹以触火面占多数，特别是应力集中及金属堆积的地方，如图中的１～５以及气缸盖底面的各种阀孔处，四冲程机气缸盖底面阀间区域(俗称鼻梁处)，气缸套缸口圆角处，气口边缘，注油孔边缘等。触火面裂纹主要是由低频热应力引起的。另外，由于高频热应力能使触火面很薄的一层金属加速蠕变，使触火面产生皱折，加速壁面损坏。

除了触火面外，冷却侧特别是冷却侧的某些应力集中处(如图2-22中8～10)，气缸盖底板以及活塞顶板和它们的支撑交界处，气缸套外圆柱面和缸套凸肩交界处等，有时也产生裂纹。这些地方的裂纹主要是由气体力和热应力共同作用引起的。因为冷却侧受到由气体产生的机械应力和热应力都是拉应力，互相叠加，数值较大。

同理，缸套的裂纹多见于缸套上部凸肩处，过渡圆角处，水套加强筋处以及气口附近。其产生原因与上述活塞裂纹大致相同。

在裂纹故障中气缸盖的裂纹较为多见。而且多发生在触火面阀孔间的鼻梁区。其原因主要由热疲劳及应力集中现象引起。在气缸盖水冷面产生的裂纹主要是由高频机械应力引起的疲劳裂纹。同时在水冷面上的热应力与机械应力叠加(同为拉应力)也加速其裂纹发展，此种裂纹仅有一条主裂纹。在水冷面还可能产生由腐蚀疲劳与应力腐蚀而产生的裂纹。前者是由交变气体力与电化学腐蚀同时作用引起的，其裂纹有两条以上，但每条裂纹没有分支。后者由因氢脆化过程使金属材料变脆而自动裂开并同时存在应力分布不均而形成裂纹，该种裂纹有许多分支。

图2-22 活塞头的裂纹

１-触火面周向断续裂纹；２-触火面起吊螺钉孔裂纹；３-触火面放射状树枝形裂纹；４-触火面材料缺陷裂纹；

５-触火面阀坑处裂纹；６-冷却侧材料缺陷裂纹；７-活塞环槽圆角处裂纹；８-冷却侧周边圆角处裂纹；

９-冷却液入口端部裂纹；１０-冷却侧支承肋圆角处裂纹

2)活塞顶烧损

活塞顶金属材料有时会逐渐被烧蚀，使活塞顶越来越薄，强度越来越差。若喷油器喷出的油束直接到达活塞顶面，活塞的冷却腔太脏使冷却不良、导热不好、局部过热等，会使烧损速度加快。活塞顶烧损在直流扫气及油冷柴油机活塞上出现的较多。因为这种柴油机的两只喷油器分别装在气缸盖排气阀的两侧，它喷出的油束在气缸中分布不均匀，且容易喷在活塞顶上。此外，活塞用滑油冷却，冷却效果较差，又易形成积炭，使活塞顶表面温度升高。