某柴油機(jī)氣門座圈優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 陽(yáng)，王 兵

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

某柴油機(jī)氣門座圈優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 陽(yáng)，王 兵

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

氣門座圈是影響柴油機(jī)可靠性與耐久性的關(guān)鍵零件之一。異常磨損是氣門座圈的主要失效形式。當(dāng)其發(fā)生時(shí)，氣門間隙將迅速減小，最終將導(dǎo)致柴油機(jī)功率下降、排放惡化等問(wèn)題發(fā)生。通過(guò)排查影響座圈磨損的各項(xiàng)因素，鎖定某柴油機(jī)氣門座圈異常磨損的根本原因并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終解決了該問(wèn)題。

柴油機(jī)氣門座圈異常磨損優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 前言

氣門座圈處于燃燒室內(nèi)的高溫、高壓、腐蝕性氣體環(huán)境中，承受高頻熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，是影響柴油機(jī)可靠性與耐久性的關(guān)鍵零件之一。異常磨損是氣門座圈的主要失效形式。當(dāng)其發(fā)生時(shí)，氣門間隙將迅速減小。嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致氣門關(guān)不嚴(yán)、漏氣，最終使得柴油機(jī)功率下降、排放惡化、氣門燒蝕等問(wèn)題的發(fā)生。

本文針對(duì)某柴油機(jī)氣門座圈異常磨損問(wèn)題，從座圈磨損機(jī)理出發(fā)，列舉出影響座圈磨損的各項(xiàng)因素，逐一進(jìn)行分析，最終鎖定了根本原因并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。耐久試驗(yàn)結(jié)果顯示，改進(jìn)方案有效解決了該柴油機(jī)座圈異常磨損的問(wèn)題。

2 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

表1 某型柴油機(jī)基本參數(shù)

某型柴油機(jī)通過(guò)擴(kuò)缸進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)前后基本參數(shù)對(duì)比見表1。在開發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)氣門座圈有早磨現(xiàn)象發(fā)生，磨損后表面典型形態(tài)見圖1。座圈磨損水平測(cè)量值對(duì)比見表2。由上述數(shù)據(jù)可見，改型后的座圈磨損水平已大大超過(guò)改型前，嚴(yán)重影響了整機(jī)可靠性和耐久性。

圖1 改型機(jī)座圈磨損后表面典型形態(tài)

圖2 3種不同磨損理制造成的磨損表面形貌

表2 改型前后氣門座圈磨損對(duì)比

3 影響氣門座圈磨損的因素與分析

3.1 氣門座圈的一般磨損機(jī)理

從座圈磨損后的表面形貌來(lái)看，磨損機(jī)理一般可分為3種：粘著磨損、犁溝效應(yīng)和體積塑性變形損壞［1］，其典型表面形貌如圖2所示。

粘著磨損是由于接觸表面產(chǎn)生塑性變形，在局部高溫高壓下逐漸焊合或結(jié)合。它是以物質(zhì)轉(zhuǎn)移為特征的。這種焊合的主要原因是由于接觸表面惡劣的潤(rùn)滑條件、較高的接觸應(yīng)力以及相對(duì)滑動(dòng)。犁溝效應(yīng)是由于接觸表面一方的硬質(zhì)粒子對(duì)另一方較軟基體產(chǎn)生的切削作用，被切削表面有明顯的“犁溝”痕跡。這種磨損和兩個(gè)接觸表面的性質(zhì)，如硬的碳化物以及沉積在表面的燃?xì)猱a(chǎn)物等因素有關(guān)。體積塑性變形損壞是由于接觸面表層材料受到?jīng)_擊和徑向剪切作用，當(dāng)這種應(yīng)力超過(guò)材料的塑性極限時(shí)，材料發(fā)生法向壓縮變形和徑向剪切流動(dòng)。這種磨損與座圈表面載荷和接觸面摩擦系數(shù)以及相對(duì)滑動(dòng)狀況有關(guān)。

另外還有一種針對(duì)排氣門座圈的特殊磨損機(jī)理是磨蝕磨損。這主要是由于排氣門座圈是高溫腐蝕燃?xì)饨?jīng)過(guò)的通道，而溫度和腐蝕介質(zhì)是影響磨蝕磨損的主要因素。

隨著對(duì)座圈磨損研究的逐漸深入，在大量試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出磨損的一般趨勢(shì)，見圖3。首先，在磨合期內(nèi)，全新座圈的微觀表面溝槽隨著使用時(shí)間的推移逐漸被封閉。當(dāng)磨合完成后，座圈進(jìn)入定常磨損期。在此期間，可認(rèn)為座圈的單位時(shí)間磨損量為常量。隨著工作時(shí)間的積累，到某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)，座圈將進(jìn)入劇烈磨損期。在此期間，座圈的單位時(shí)間磨損量快速增大，很短一段時(shí)間后，座圈將不能夠繼續(xù)使用。座圈磨損各階段典型的表面微觀形態(tài)見圖4。

圖3 一般磨損趨勢(shì)圖

3.2 氣門座圈異常磨損原因分析

根據(jù)上述磨損機(jī)理，該柴油機(jī)氣門座圈磨損的表面形態(tài)較為符合“犁溝效應(yīng)”?；诖私Y(jié)論，同時(shí)考慮目前座圈摩擦副的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、材質(zhì)及其工作環(huán)境的變化點(diǎn)，對(duì)影響座圈磨損的各項(xiàng)因素逐一進(jìn)行分析排查。

3.2.1 氣門座圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣門座圈的直徑和錐面角度設(shè)計(jì)直接影響座圈摩擦副的受力情況和通過(guò)座圈的氣體流量。綜合考慮這兩方面的因素，目前主流的設(shè)計(jì)方案是進(jìn)氣門座圈摩擦副配合角度為60°，排氣門座圈摩擦副配合角度為45°，同時(shí)要求座圈密封線落在氣門密封線內(nèi)，見圖5。

圖4 座圈磨損各階段典型的表面微觀形態(tài)

圖5 一般磨損趨勢(shì)圖

柴油機(jī)工作時(shí)，氣門相對(duì)座圈運(yùn)動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行沖擊和剪切，所以氣門的落座速度和旋轉(zhuǎn)速度是影響座圈受力情況的直接因素。氣門盤部的剛度對(duì)座圈磨損也有相當(dāng)影響。當(dāng)氣門盤部剛度不足時(shí)，在氣門落座的瞬間會(huì)發(fā)生微小滑移，對(duì)座圈工作表面進(jìn)行微動(dòng)剪切，從而加速座圈磨損的進(jìn)程。

對(duì)某柴油機(jī)座圈摩擦副的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，其進(jìn)氣門座圈密封帶未完全落入進(jìn)氣門密封帶內(nèi)，沒有充分利用座圈密封帶寬度，見圖6。當(dāng)氣門工作時(shí)，隨著磨損量的增加，氣門會(huì)逐漸陷入座圈內(nèi)，此時(shí)座圈會(huì)對(duì)氣門施加側(cè)向力，這一不利影響隨著磨損的加劇會(huì)越發(fā)明顯。從氣門桿身和氣門桿端部的摩擦痕跡、氣門導(dǎo)管的磨損測(cè)量值判斷，柴油機(jī)氣門往復(fù)運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)正常。

3.2.2 氣缸蓋部件的加工質(zhì)量

一般情況下，氣門座圈和氣門導(dǎo)管（如有）在壓入氣缸蓋后作為部件進(jìn)行加工，并以氣缸蓋機(jī)加工部件的形式做為裝配單元。這樣加工的目的是為了消除導(dǎo)管和座圈在壓裝時(shí)產(chǎn)生的裝配公差和變形的影響，保證座圈密封帶相對(duì)于導(dǎo)管內(nèi)孔基準(zhǔn)的跳動(dòng)度、同心度等要求，從而保證氣門運(yùn)動(dòng)和落座時(shí)與座圈的對(duì)中性。不均勻的氣門落座沖擊會(huì)加速座圈的磨損，對(duì)氣門本身也會(huì)產(chǎn)生不利影響。

圖6 某柴油機(jī)進(jìn)氣門座圈改型前結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)前缸蓋測(cè)量結(jié)果顯示，某柴油機(jī)氣缸蓋機(jī)加工部件的加工水平較高。其座圈對(duì)導(dǎo)管內(nèi)孔基準(zhǔn)的跳動(dòng)度實(shí)測(cè)為0.003～0.011 mm，小于設(shè)計(jì)要求0.05 mm。導(dǎo)管孔內(nèi)徑、座圈密封帶角度等加工項(xiàng)目也均在設(shè)計(jì)要求以內(nèi)。

3.2.3 氣門座圈的材料

傳統(tǒng)氣門座圈一般以鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼等為材質(zhì)。本文所述某改型柴油機(jī)座圈優(yōu)化設(shè)計(jì)前材質(zhì)即為鑄鐵座圈，牌號(hào)為QZ6，硬度36～42 HRC。在JB/T 9769.1“內(nèi)燃機(jī)鑄鐵氣門座第1部分：技術(shù)條件”和JB/T 9769.2“內(nèi)燃機(jī)鑄鐵氣門座第2部分：金相檢驗(yàn)”中對(duì)其有詳細(xì)規(guī)定。

隨著爆發(fā)壓力升高、燃燒溫度升高、排放水平升級(jí)，粉末冶金材質(zhì)座圈被廣泛應(yīng)用。粉末冶金材質(zhì)分為基體強(qiáng)化型材料和硬質(zhì)相粒子強(qiáng)化型材料。基體強(qiáng)化型主要是通過(guò)在燒結(jié)鐵基合金中添加一定量的固溶強(qiáng)化元素，增加材料的密度，控制材料的基體組織，達(dá)到強(qiáng)化其基體的作用，提高高溫使用性能。其特點(diǎn)是加工性好，對(duì)氣門的侵略性小。硬質(zhì)相粒子強(qiáng)化型材料包括在燒結(jié)基體合金中添加一定量的合金元素，這些元素在燒結(jié)或熱處理過(guò)程中反應(yīng)生成一定的硬質(zhì)相（如碳化物等）來(lái)強(qiáng)化合金，另外也包括在燒結(jié)前的金屬粉末中直接添加硬質(zhì)相質(zhì)點(diǎn)，燒結(jié)后形成耐磨材料。合金元素的使用同時(shí)也提高了其高溫使用性能。但其加工性較差，對(duì)氣門的侵略性也較大。除此之外，通過(guò)滲銅還可以起到提高材料導(dǎo)熱性以及高溫時(shí)的自潤(rùn)滑性。

目前來(lái)看，傳統(tǒng)座圈材質(zhì)已很難滿足國(guó)Ⅲ排放階段以上的使用要求。國(guó)內(nèi)各大柴油機(jī)制造公司已廣泛使用粉末冶金座圈來(lái)應(yīng)對(duì)排放法規(guī)升級(jí)。為了進(jìn)一步提高性價(jià)比，供應(yīng)商開發(fā)了雙層材質(zhì)氣門座圈，將座圈不受沖擊的一側(cè)用較便宜的材質(zhì)制造，大大降低了粉末冶金座圈的使用成本。

3.2.4 溫度的影響

座圈在燃燒室內(nèi)承受高頻的熱負(fù)荷。資料顯示，氣門本體散熱量的80%經(jīng)過(guò)座圈傳遞到缸蓋水套，見圖7［2］。同時(shí)排氣門座圈還要承受高溫廢氣的周期性沖刷。惡劣的熱負(fù)荷環(huán)境對(duì)其周邊缸蓋水套的冷卻能力提出要求。

圖7 氣門熱量傳遞通道

座圈材質(zhì)均有其最佳表現(xiàn)溫度區(qū)間。當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，摩擦表面無(wú)法形成有效的氧化保護(hù)層。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，材質(zhì)硬度趨于降低，從而其耐磨性降低。溫度升高到一定程度時(shí)，將使座圈內(nèi)的銅熔化析出，加劇磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生座圈脫落造成活塞碎裂、氣門盤掉落、拉缸等事故。

柴油機(jī)經(jīng)過(guò)耐久試驗(yàn)后，對(duì)缸蓋進(jìn)行解剖，其冷卻水套內(nèi)部未見夾砂等鑄造問(wèn)題，可見缸蓋底板厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

由于受到氣門座圈溫度測(cè)量方法的限制，故通過(guò)測(cè)量氣門溫度，來(lái)間接評(píng)估其座圈摩擦副處的實(shí)際受熱情況。結(jié)果顯示，排氣門盤最高溫度達(dá)到593℃，較原型機(jī)略高。

3.2.5 爆發(fā)壓力和燃燒產(chǎn)物的影響

燃燒爆發(fā)壓力直接影響氣門落座力。顯然，爆發(fā)壓力越高，座圈摩擦副處承受的機(jī)械負(fù)荷越大，對(duì)座圈的磨損越不利。

燃燒產(chǎn)物對(duì)座圈磨損的影響較為復(fù)雜。從氣門座所處化學(xué)介質(zhì)環(huán)境看，一定量氧化物的形成有利于減少摩擦基體金屬的直接接觸，從而減少磨損。其次，如燃?xì)獾母g介質(zhì)與基體金屬形成一定量具有潤(rùn)滑性能的粒子，也可以起到減磨作用。但是，腐蝕介質(zhì)也是影響磨蝕磨損的主要因素之一。當(dāng)這些腐蝕介質(zhì)的腐蝕能力過(guò)強(qiáng)或硬質(zhì)粒子生成量過(guò)多時(shí)，反而會(huì)加速座圈的磨損。

對(duì)某柴油機(jī)進(jìn)行爆發(fā)壓力測(cè)試，結(jié)果顯示改型后柴油機(jī)爆發(fā)壓力較原機(jī)高0.5 MPa。對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)后拆檢，其氣門處的積炭情況正常，見圖8。

圖8 氣門拆檢情況

4 氣門座圈早磨的原因和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

4.1 根本原因和改進(jìn)方案

由以上分析可知，改型機(jī)的爆發(fā)壓力和燃燒溫度均有一定升高，其座圈摩擦副處的工作環(huán)境較原機(jī)將更為惡劣。原機(jī)的座圈摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和材質(zhì)選擇方案以現(xiàn)在的技術(shù)角度來(lái)看已較為落后，不能滿足改型后柴油機(jī)更為嚴(yán)苛的使用要求。

故此，進(jìn)氣門座圈早磨的根本原因可以鎖定為爆發(fā)壓力升高導(dǎo)致的機(jī)械負(fù)荷增加和原機(jī)進(jìn)氣門座圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。在柴油機(jī)工作時(shí)，進(jìn)氣門座圈的溫度一般較排氣門座圈低很多，因改型機(jī)的燃燒溫度升高并不明顯，故溫度不是其磨損的主因。排氣門座圈早磨的根本原因鎖定為爆壓升高導(dǎo)致的機(jī)械負(fù)荷增加和燃燒溫度升高導(dǎo)致的熱負(fù)荷增加。

考慮到通用氣門以降低整機(jī)成本，故僅對(duì)座圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和材質(zhì)選擇方案重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，用最小的代價(jià)，使座圈摩擦副滿足改型機(jī)的使用要求。

4.1.1 座圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了使進(jìn)氣門座圈密封帶完全落入氣門密封帶內(nèi)部，對(duì)其工作面的第二倒角進(jìn)行調(diào)整，由30°減小至12.5°，同時(shí)將座圈高度由10 mm減小至9.5 mm，見圖9。對(duì)比同類型柴油機(jī)可以發(fā)現(xiàn)，原機(jī)的設(shè)計(jì)理念較為保守，座圈高度較高。雖然減小高度會(huì)使座圈處的熱傳導(dǎo)系數(shù)有變小的趨勢(shì)，但改動(dòng)后的進(jìn)氣門座圈充分利用了其密封線寬度，有利于改善其摩擦副的受力情況，綜合考慮后認(rèn)為對(duì)座圈的磨損是有利的。缸蓋部件吹風(fēng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，改動(dòng)后的進(jìn)氣門座圈對(duì)氣道渦流比和流量系數(shù)的影響可以忽略不計(jì)。排氣門座圈的密封帶已完全落入了氣門密封帶內(nèi)部，故無(wú)需改動(dòng)。

圖9 進(jìn)氣門座圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摩擦副角度的選擇對(duì)座圈受力情況有較大的影響，原機(jī)的角度設(shè)計(jì)符合目前主流的設(shè)計(jì)方案，故不做變動(dòng)，這樣做還可以通用氣門和氣缸蓋機(jī)加工生產(chǎn)線，對(duì)目前的生產(chǎn)布局影響最小。

4.1.2 座圈材料優(yōu)化設(shè)計(jì)

此摩擦副選用的氣門材質(zhì)為馬氏體鋼9Cr18Mo2V，熱處理為調(diào)質(zhì)處理，此材料中大量的較大塊狀合金碳化物對(duì)座圈有一定侵略性。與其配對(duì)的座圈材質(zhì)為鑄鐵QZ6，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，QZ6的最高使用溫度一般不應(yīng)超過(guò)400℃。根據(jù)某柴油機(jī)座圈磨損后的表面形態(tài)和其氣門測(cè)溫試驗(yàn)的結(jié)果，鑄鐵材質(zhì)座圈顯然已經(jīng)不適用于該改型機(jī)。

粉末冶金材質(zhì)座圈是一種新的選擇。經(jīng)過(guò)對(duì)比各牌號(hào)粉末冶金材質(zhì)的使用條件，綜合其成本因素，初步選用兩種粉末冶金材質(zhì)：基體強(qiáng)化型材料A和硬質(zhì)相粒子強(qiáng)化型材料B?？焖倌p試驗(yàn)結(jié)果顯示，相同座圈結(jié)構(gòu)尺寸和使用溫度條件下，材質(zhì)A的耐磨表現(xiàn)大大優(yōu)于鑄鐵材質(zhì)QZ6和材質(zhì)B。故此選用基體強(qiáng)化型材料A作為某改型柴油機(jī)進(jìn)、排氣門座圈的替代材料。

4.2 效果驗(yàn)證

柴油機(jī)裝配了改進(jìn)后的座圈零件，進(jìn)行兩輪500 h耐久試驗(yàn)。耐久后對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行拆檢、測(cè)量，結(jié)果表明，氣門座圈磨損水平與改進(jìn)前柴油機(jī)相當(dāng)，為輕微磨損，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期壽命。耐久試驗(yàn)后的座圈典型表面形態(tài)見圖10，可以看到其表面狀態(tài)良好。

圖10 改進(jìn)后座圈耐久后典型表面形態(tài)

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)影響座圈磨損的各種因素進(jìn)行分析排查，確定了某柴油機(jī)氣門座圈早磨的根本原因并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，耐久試驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案有效解決了該柴油機(jī)座圈的早磨問(wèn)題。

同時(shí)，本文的分析排查過(guò)程也可以為后續(xù)其它柴油機(jī)的改型和開發(fā)提供一定的參考。氣門座圈是影響柴油機(jī)可靠性和耐久性的關(guān)鍵零件，在其設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中應(yīng)全面考慮影響其失效的各種因素，遵循科學(xué)的設(shè)計(jì)原則，采用合理的設(shè)計(jì)方案，從而保證其工作的可靠性和耐久性。

［1］朱遠(yuǎn)志，尹志民，曾渝等.重型發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈磨損機(jī)理與材料［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2004（4）：79-80.

［2］Gokhale N P，Sheikh S，Aghav Y，et al.Solving Valve Train Wear Problems in Medium Speed High BMEP Diesel Engines［C］.SAE 2011-01-2217.

Optimal Design of A Diesel Engine Valve Seat

Liu Yang，Wang Bing
（Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd，Shanghai 200438，China）

The valve seat is one of the key parts which affects the reliability and durability of diesel engine.Abnormal wear is its main failure mode.When it occurs，the valve lash will decrease rapidly，that will eventually result in engine power decline，emissions deterioration and other issues.Through investigation of various factors relate to it，find out diesel engine the root causes of valve seat abnormal wear and optimal design is carried out.Finally solve the problem.

diesel engine，valve seat，abnormal wear，optimal design

10.3969/j.issn.1671-0614.2015.04.003

來(lái)稿日期：2015-06-23

劉陽(yáng)（1987-），男，工程師，主要研究方向?yàn)橹兄匦筒裼蜋C(jī)氣缸蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)。