柴油機氣門溫度的實驗測量＊

許勇靜，張 智

（武漢理工大學 材料科學與工程學院，武漢430063）

柴油機氣門在工作中不僅承受著高頻沖擊，交變的拉壓及熱應力的作用，還承受著高溫腐蝕和高速燃氣的沖刷。在此惡劣的工作環(huán)境下，氣門容易產生漏氣、異常磨損、氣門菌部損壞等［1］。特別是在使用低質油的柴油機上，還受釩的侵襲，因而引起排氣門的故障。造成個別氣門發(fā)生失效，輕者需修理，重者要更換整機，不僅嚴重的損害了用戶的利益，也給制造廠帶來經濟和信譽上的損失。因此，了解排氣門的溫度，是提高發(fā)動機可靠性的重要因素。

1 測溫硬度塞的材料選擇及加工

在實際工作中常需要測量發(fā)動機溫度場，而硬度塞測溫法是比較簡單而實用的方法之一。硬度塞測溫法，就是利用金屬材料的硬度變化來測量溫度的方法，即運用淬火后金屬材料的硬度隨回火溫度的升高，硬度值降低這一特性。淬火后的碳素鋼隨著回火溫度的逐漸升高，馬氏體首先析出極其細微的片狀碳化物晶體，隨后碳化物增多、長大，聚集直至形成球粒狀碳化物，滲碳體的金相組織不斷變化，因而促使材料硬度逐漸下降［2］。回火溫度越高，碳化物析出越多，材料的硬度就越低，從而達到測量溫度場的目的，見表1。

表1 GCr6軸承鋼金相組織隨回火溫度的變化

1.1 硬度塞對材料的要求

硬度塞法測溫精度與材料的性能有著密切的關系，因此，對硬度塞材料有如下要求：

1）材料必須有良好的淬透性，材料的金相顯微組織和化學成分必須均勻。

2）材料淬火后的硬度要高，一般Rc≥65，同時淬火后硬度要長期保持均勻和穩(wěn)定，不允許有軟點和硬點出現。

3）材料的回火溫度和硬度變化最好成直線關系或近似線形關系，同時要求材料在同一回火溫度下硬度值十分穩(wěn)定。

要冶煉一種同時能滿足上述要求的材料尚存在一定的困難。目前一般選用性能接近上述要求的碳素鋼作為硬度塞材料。通過各種材料進行的分析對比，選用GCr6，見表2。

表2 GCr6化學成分與標準對照表

1.2 硬度塞的加工

為使用方便，硬度塞按標準件平端緊定螺釘（GB73-66）的形狀進行加工，見圖1。

圖1 硬度塞外形

使用證明，尺寸選用M3×0.5mm×4.0mm是合適的。螺釘的加工工藝是將φ5的GCr15鋼絲拉成標準直徑φ＝2.63+0.01mm，螺紋用搓絲板搓成。

平端緊定螺釘為（GB73-66）M3×0.5mm×4.0mm

1.3 淬火處理

硬度塞的淬火處理在自備的氣體保護電爐中進行。淬火溫度為840±5℃。每籃裝50只硬度塞，在爐中840℃下保溫30min。并且在氣體保護的情況（防止氧化脫碳）迅速投入溫度為50℃的機油中冷卻，油冷后再取出空冷。對淬火后的硬度塞均進行檢查，維氏硬度值均在945～980范圍內（滿足Rc≥65的要求）。

2 硬度塞HV-T標準曲線的制作

當回火溫度低于100℃時，材料硬度變化極小，難于測準。同時活塞各點溫度高于100℃，故可避開這一低溫區(qū)域?；鼗鹪囼瀼?00℃開始，每隔50℃一次，一直到650℃。回火時，每次將5只硬度塞放在鋼絲籃里，掛在油浴爐或鹽浴爐的回火劑里，進行恒溫回火。取出后將其斷面拋光，用光學維氏硬度計打出各組硬度塞的硬度，并求其平均值。以維氏硬度值為縱坐標，回火溫度為橫坐標，作出標準曲線，見圖2。

圖2 GCr6回火后硬度與回火溫度的關系

硬度塞的回火處理是分成3個區(qū)域在不同的設備中進行。

1）100～250℃的回火是在油浴爐中進行，見圖3。

圖3 回火裝置示意圖

該油浴爐采用人工攪拌，以水銀溫度計（0～300℃，每刻度為2℃）和電解點溫度計測量控制溫度，燒杯內液體溫度波動不大于±2℃為準記錄油浴溫度值。油浴介質的選擇與所需工作溫度相適應，選用10＃機油。

2）300～500℃的回火在坩堝電爐中進行。裝置同圖3。采用50%NaNO2+50%NaNO3作為回火介質，介質的熔點為208℃，工作溫度為600℃。

3）550～700℃的回火在坩堝電爐中進行，裝置見圖3所示。采用21%NaCl+31%BaCl2+48%CaCl2作為回火介質，介質的熔點為435℃，工作溫度為480～780℃。為提高標準曲線的準確性，采用614-B型交流穩(wěn)壓器，并用人工調節(jié)調壓變壓器的方法，使爐溫波動控制在±2℃內。坩堝電爐內鹽浴液由人工攪拌，考慮到爐膛內鹽浴溫度不均勻，因此將電解點水銀溫度計、K裝熱電偶、硬度塞一同放在鋼絲網藍內，三者處于同一位置。這樣即可大致避免因爐溫不均所帶來的不良影響。

由以上結果看出回火溫度越高，碳化物析出越多，其材料的硬度就越低。

3 硬度塞的安裝

1）用φ2.5mm鉆頭鉆孔，孔深為5.0～5.5mm，將絲錐的錐尖磨平，盡量使螺孔的底平整。防止存在氣囊而產生測量誤差。

2）為消除傳熱中因螺紋間隙造成的誤差，要求硬度塞較緊地與螺孔相配。為此均采用攻絲錐攻孔。

3）硬度塞擰入測點孔后，要求硬度塞頂平面與被測平面相平齊。被測件是鋼件時，由于熱膨脹系數基本一致，硬度塞不會飛掉。而被測件是鋁合金件時，硬度塞就應被鉚一下，防止運行時脫落。切忌鉚得太緊，防止以后硬度塞取不出來。

4）在停車后不久就應取出硬度塞。因為試驗件還處于熱態(tài)，這時硬度塞還未被結膠粘牢。

5）鑲嵌硬度塞，將硬度塞被測量的端面拋光，用同一臺硬度計，同一人測量出所有硬度。盡量減少測讀誤差。

6）一定要從低負荷向上開車，到達預定工況后穩(wěn)定運行到計定時間，然后停車冷卻，再取出硬度塞。

7）為防止硬度塞端面在高溫燃氣的氣氛下氧化脫碳，安裝前將硬度塞用硫酸清洗，而后用NaOH中和，再用蒸餾水清洗，最后將硬度塞投放到CuSO4溶液中浸泡10min。

4 精度問題

材料不均勻及回火溫度波動都會對曲線產生誤差，而且很難估計更無法計算。但實際工作中采用同一批材料，溫度波動控制在±2℃之內，先后做了5次曲線，雖不完全相同但誤差不超過2%。實踐證明測量硬度時視覺誤差較大，因此應由專人完成。

由此可見，不管是相對誤差還是絕對誤差都在一般允許偏差之內。可用于發(fā)動機零件的測溫。

5 柴油機氣門的工作環(huán)境與熱狀態(tài)

氣門是柴油機完成工作循環(huán)，實現換氣和密封功能的零件。在形成密閉燃燒室空間的零件中，它是承受熱負荷最高的零件之一。進氣門工作溫度一般在200～450℃，排氣門的工作溫度一般在600～800℃，有的甚至高達850℃。高溫下材料的各項性能發(fā)生變化，如機械性能下降，甚至發(fā)生蠕變［3］。與此同時，氣門還承受高壓。目前，我國自然吸氣柴油機的最高爆壓一般要大于8.5MPa，增壓及增壓中冷柴同機為10～13 MPa，有的甚至還要高。

圖4 氣門塞溫度分布

通常排氣門的溫度分布規(guī)律見圖4。最高溫度是排氣門的中心A處，直接與高溫排氣接觸，其次是氣門桿C處及氣門的菌部與氣門座接觸的B處。

1）最高溫度在氣門頭中心，這是高溫燃氣所引起在氣門頭中心的熱集中。

2）在氣門頭和氣門桿過渡的頸部，沿過渡區(qū)溫度先是逐步升高，然后再降低，這是由于高速廢氣沖刷氣門桿的結果，其最高溫度約位于圓弧半徑的中點處。

3）排氣門的溫度分布是不對稱的，靠近汽缸套側的溫度低，靠近噴油嘴側的溫度高，二者之間的溫度差和熱負荷的高低與設計及發(fā)動機運轉因素有關。

4）排氣門所受到的熱量是從兩方面走的，位于氣門頭和氣門桿過渡頸部的中點以上的熱量全由氣門桿經導管傳走，位于過渡頸部的中點以下部分熱量經由氣門錐面和氣門座傳走，氣門錐面是時而和氣體接觸，時而和氣門座接觸，在自由排氣階段中，排氣門受到從氣缸中流出并具有超臨界速度的氣流沖刷，這時氣門所受到的熱量只能通過氣門桿散出，而不通過氣門錐面散熱［4］。在大缸徑柴油機上，排氣門的熱量大部分是從氣門錐面上傳走的，見圖5。

圖5 氣門工作熱循環(huán)

6 實驗方法與技術路線

硬度塞測溫的簡要過程是將淬火后的硬度塞（通常為M3-0.5-4）擰入被測量點處，在實際工況下至少穩(wěn)定受熱2h，然后經拋光，用光學維氏硬度計打出準確的硬度值，在事先作出的HV-T℃標準曲線上查出對應的溫度，即為被測量點的溫度值。

在柴油機氣門的溫度測量中，首先把氣門從柴油機中拆卸下來，在預先安排好的部位用φ2.5mm鉆頭鉆孔，孔深為5.0～5.5mm，把硬度塞擰入被測量點處；然后裝機還原，分別在100%，110%額定負荷下至少穩(wěn)定受熱2h；再停機把氣門從柴油機中拆卸下來，取出硬度塞，拋光，用光學維氏硬度計打出準確的硬度值，再在事先作出的HV-T℃標準曲線上查出對應的溫度，即為被測量點的溫度值。

硬度塞在氣門上的具體測點布置見圖6。

圖6 氣門測點布置

7 結束語

在氣門熱負荷的研究中，通過對氣門的溫度測量，考察溫度是否在所使用材料性能的容許范圍內，為氣門結構設計提供科學的理論依據，使氣門工作時達到最佳使用狀態(tài)；同時通過了解氣門的熱均勻程度，進一步來確定其可靠性和壽命；并且也將為熱負荷的改善指出途徑或找出解決的方法，對精確設計提供保障。

［1］俞小莉，鄭 飛，嚴兆大，等.內燃機氣缸體內表面穩(wěn)定傳熱邊界條件的研究［J］.內燃機學報，1987（4）：329-332.

［2］朱張校.工程材料［M］.北京：北京清華大學出版社，2001.

［3］錢作勤，吳家兵，王蘇丹.柴油機機體溫度的實驗測量與三維數值仿真［J］.武漢理工大學學報：交通科學工程，2005，27（3）：70-73.

［4］Yan Zhaoda，Liu Zhentao.Simulation of Cylinder Radiative Heat Transfer of Diesel Engine with Mone Carto Method ［J］.Journal of Zhejiang University：seience，2000（B）：300-310.