改善熱傳導(dǎo)的氣門(mén)座和氣門(mén)導(dǎo)管

【英】 P.BEAULIEU S.ORAZEM G.REISSINGER D.WOODWARD

1 優(yōu)化熱傳導(dǎo)的起因

近年來(lái),增壓和小型化使發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率得以大幅提高,并且實(shí)施了更為苛刻的廢氣排放法規(guī)以及在更高的廢氣溫度下更接近真實(shí)的行駛試驗(yàn)循環(huán),其均對(duì)處于廢氣流中的零件產(chǎn)生了影響。氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管將氣門(mén)承受的大部分熱負(fù)荷傳入氣缸蓋和冷卻液之中。雖然在混合氣冷卻不良的情況下通過(guò)冷卻的集成式排氣歧管保護(hù)廢氣渦輪增壓器免受過(guò)高溫度的影響,但是由此使持續(xù)承受燃燒室廢氣沖刷的零部件的溫度得以明顯提高。表1列出了不同氣門(mén)座圈和導(dǎo)管材料的導(dǎo)熱率。

通常,通過(guò)良好的熱流組織和更高的導(dǎo)熱率就能達(dá)到較低的零件溫度,此外降低氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管的溫度具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)減少局部磨損,特別是在集中的受熱部位,即所謂的熱點(diǎn),例如火花塞周?chē)橇汉团艢忾T(mén)座鼻梁的磨損,部分也是通過(guò)減少由高溫所引起的變形而達(dá)到的;

(2)通過(guò)針對(duì)燃燒室壁面的冷卻和減少換氣帶來(lái)的熱量降低了爆燃傾向和壓縮終了溫度[1-2];

(3)降低了臨界的氣門(mén)溫度,這歸因于材料的選擇和采取的設(shè)計(jì)措施[3]。

鈉冷卻排氣門(mén)提高了氣門(mén)導(dǎo)管和氣門(mén)桿密封圈的溫度,這會(huì)使密封材料的熱負(fù)荷過(guò)高,并導(dǎo)致對(duì)機(jī)油排放起關(guān)鍵作用的部位漏氣或漏機(jī)油。一般而言,氣門(mén)

表1 各種不同氣門(mén)座圈和導(dǎo)管材料的導(dǎo)熱率

表1 各種不同氣門(mén)座圈和導(dǎo)管材料的導(dǎo)熱率

*根據(jù)類(lèi)似材料300℃時(shí)導(dǎo)熱率的估算值 ;**用于背部涂層的高導(dǎo)熱系數(shù)(HTC)材料成分導(dǎo)管溫度的提高會(huì)加速機(jī)油結(jié)焦,并增大了發(fā)生顆粒磨損和粘連磨損等潛在風(fēng)險(xiǎn)的可能性。

2 改善熱流的潛力

上世紀(jì)80年代,就已考慮通過(guò)對(duì)材料開(kāi)展細(xì)孔滲銅工藝處理來(lái)提高氣門(mén)座圈和導(dǎo)管粉末冶金鋼材料的導(dǎo)熱率(λ)。當(dāng)今滲銅氣門(mén)座圈主要應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域。輝門(mén)(F-M)公司當(dāng)前材料的λ值從不滲銅材料的約15 W/(m·K)已提升至55 W/(m·K)(表1)。

某些黃銅制成的氣門(mén)導(dǎo)管的λ值大于100 W/(m·K)[4]適用于排氣側(cè),但是其在摩擦方面受到限制[5]。目前黃銅類(lèi)氣門(mén)導(dǎo)管相對(duì)更耐磨,但是其合金的λ值僅為50 W/(m·K)[6]。在用于賽車(chē)運(yùn)動(dòng)氣門(mén)座圈的材料中,某些用于模具制造的專(zhuān)用合金(例如無(wú)鈹銅合金MS90(90 W/(m·K))[7]和Materion公司的Perfor Met材料(160 W/(m·K))則有最高的導(dǎo)熱率。

考察了通過(guò)計(jì)算和眾多測(cè)量結(jié)果標(biāo)定出的從氣門(mén)中心通過(guò)氣門(mén)座圈直至冷卻液的溫度變化曲線(xiàn)(圖1),可以看出,在氣門(mén)座與氣缸蓋之間存在著明顯的溫度梯度,通常氣門(mén)座圈材料的導(dǎo)熱率比氣缸蓋材料的導(dǎo)熱率(約130～190 W/(m·K))更低。

圖1 從排氣門(mén)中心直至冷卻液的溫度變化曲線(xiàn)

由此就能推導(dǎo)出下列改善熱流技術(shù)的可能性：

(1)目標(biāo)導(dǎo)向是盡可能提高氣門(mén)座圈導(dǎo)熱率(導(dǎo)熱系數(shù)),使其盡可能接近氣缸蓋導(dǎo)熱率,并降低氣門(mén)座圈與氣缸蓋上座圈凹坑之間的熱阻。雖然可進(jìn)一步優(yōu)化氣門(mén)與座圈之間的接觸效果,但是因諸多結(jié)構(gòu)因素的影響(結(jié)構(gòu)空間、氣門(mén)座角度)而無(wú)法繼續(xù)發(fā)展。

(2)通過(guò)更精細(xì)的考察會(huì)發(fā)現(xiàn),氣門(mén)座圈與氣缸蓋之間的兩級(jí)精度壓配合的實(shí)質(zhì)是粗糙表面之間包含空氣隙的接觸。氣門(mén)座圈是由合金鋼(λ為30 W/(m·K))和不純的銅(λ約為50～100 W/(m·K))燒結(jié)而成的,其中氣門(mén)座圈的銅晶格與氣缸蓋上的座圈凹坑并非完全處于金屬接觸狀態(tài)之中。選擇具有良好導(dǎo)熱性和延展性因而使空隙填充能力增強(qiáng)的高導(dǎo)熱材料,即所謂的熱界面材料(TIM)(圖2),能使熱流通暢。早在10年前,F-M公司就已與英國(guó)Bradford大學(xué)共同合作開(kāi)始對(duì)氣門(mén)座圈涂層進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖2 氣門(mén)座圈(藍(lán)色)與氣缸蓋座圈凹坑(灰色)之間由TIM(紅色為銅)形成表面接觸

3 技術(shù)秘訣在于涂層的結(jié)合

4年前,F-M公司在Burscheid技術(shù)中心進(jìn)行電鍍開(kāi)發(fā)時(shí)就已形成了第一種電鍍涂層方案,其能以較高的導(dǎo)熱性與滲銅和氣缸蓋座圈凹坑相組合,從而大幅改善導(dǎo)熱效果。特別是與氣門(mén)座圈和導(dǎo)管材料的相容性,需要獨(dú)特的活化作用和工藝控制,從而能涂覆不同的多孔性且銅含量較高的粉末金屬合金,并實(shí)施多面的涂層(圖3),而且其具有較高的粘結(jié)力,以致于除了可采用常規(guī)的氣門(mén)座圈和導(dǎo)管的接合工藝之外,甚至通過(guò)氣缸蓋的高壓水噴射清除毛刺也不會(huì)損壞已切開(kāi)的涂層表面,而且經(jīng)邊緣棱角和密封棱角加工后依然保留的涂層在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行后仍能保有毫無(wú)瑕疵的狀態(tài)。

圖3 TIM涂層氣門(mén)座圈和導(dǎo)管——帶有背部HTC涂層和斜面分離線(xiàn)的雙重位置涂層

4 用銅改善熱傳導(dǎo)

基于粉末冶金(PM)改善導(dǎo)熱性的材料創(chuàng)新最簡(jiǎn)單的方法是增加高λ值材料的含量。而應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域時(shí),使用該成分必須有利于降低成本并采用高溫粉末冶金生產(chǎn)工藝,為此需以銅作為材料。每種銅合金都可顯著降低導(dǎo)熱率,但是銅能從鐵的有限溶解能力中獲益匪淺,因此銅應(yīng)盡可能保持在純凈狀態(tài)。

原則上,有3條途徑可提高銅的含量：

(1)首先通過(guò)未燒結(jié)的多孔性坯件滲銅,在毛細(xì)管效應(yīng)下液態(tài)銅應(yīng)被吸入多孔性基體中,由相互連接的細(xì)孔形成聯(lián)結(jié)的銅網(wǎng)格,而在最終燒結(jié)成的零件中銅網(wǎng)格依然存在,這種工藝僅在細(xì)孔含量方面受到限制,其還能使坯件不易于碎裂,且可用于粉末冶金工藝并形成約25%的最大銅含量。氣門(mén)導(dǎo)管的滲銅工藝并不值得開(kāi)展,主要因?yàn)闅忾T(mén)導(dǎo)管的尺寸使其難于與銅結(jié)對(duì),而且對(duì)氣門(mén)導(dǎo)管的要求意味著應(yīng)確保其在細(xì)孔中的機(jī)油含量,因而銅含量的限值必須根據(jù)其所具備的含機(jī)油能力而定。

(2)其次可在坯件成形之前摻入銅粉末,但是液相成形會(huì)存在一定的負(fù)面影響,其會(huì)增大燒結(jié)期間的變形,因此對(duì)于接近最終尺寸的產(chǎn)品可容許的形狀偏差限制了其所具有的銅含量。

(3)第三種可能性是在壓制坯件之前就將銅添加入粉末混合料中,這種方法具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì),其能增大銅含量而不會(huì)出現(xiàn)摻入銅所引起的變形問(wèn)題,在這種情況下Fe-Cu合金能擴(kuò)散化合。

這些技術(shù)的組合可使銅含量累加,并獲得相應(yīng)更高的導(dǎo)熱性。

5 多重氣門(mén)座圈提供了折中效果

多年來(lái),氣門(mén)座圈制造商一直在使用多重組分,其中氣門(mén)側(cè)的功能部位通過(guò)貴重的耐磨合金組成,而座圈背部則通常以成本較低的簡(jiǎn)單材料為基礎(chǔ)。此時(shí)采用兩級(jí)方法將粉末填充到型腔中,并被壓制成坯件,其他工藝步驟則需要較長(zhǎng)時(shí)間且同時(shí)提高了生產(chǎn)成本,但是背部也能按照上述方法制成銅含量較高的合金,以提高零件的導(dǎo)熱性。

進(jìn)一步提高多重氣門(mén)座圈中導(dǎo)熱材料的含量,從而使導(dǎo)熱能力實(shí)現(xiàn)最大化,其中比起水平材料分界線(xiàn)來(lái)更傾向于采用輪廓清晰的部分有棱角的材料分界線(xiàn)(圖4)。在這種情況下,零件分兩級(jí)壓制成形,最后再進(jìn)行常規(guī)的燒結(jié)。

圖4 具有棱角輪廓清晰的分離線(xiàn)和背部HTC涂層的氣門(mén)座圈金相顯微照片

6 高導(dǎo)熱率材料

除了專(zhuān)用的材料合金之外,進(jìn)一步提高銅含量是單層材料提高導(dǎo)熱率的有效措施,其被稱(chēng)作ΔQ-Advantage材料(見(jiàn)表1),而其耐磨性則通過(guò)添加合適的合金進(jìn)行調(diào)整,推出了1種導(dǎo)熱率λ為65 W/(m·K)的材料,而其耐磨性可與滲銅工具鋼相比。視材料而定,降低氣門(mén)座圈溫度和變形能減少磨損。

7 理論考察和發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

F-M公司在全球有眾多的試驗(yàn)臺(tái),并采用了量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行溫度測(cè)量和磨損試驗(yàn)。有限元法(FEM)能預(yù)先考察眾多的配置方案,在這種情況下可采用溫度測(cè)量數(shù)據(jù)反饋充鈉排氣門(mén)的計(jì)算情況。

在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中已考慮到下列驗(yàn)證和計(jì)算的可能性：(1)零件溫度的二維和三維有限元法計(jì)算;(2)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)對(duì)零件(氣門(mén)、氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管)進(jìn)行熱狀態(tài)評(píng)價(jià);(3)機(jī)型和零件磨損試驗(yàn);(4)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損耐久運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

8 有限元法

二維有限元法計(jì)算能快速地分析所選擇的材料和涂層配置的效果。溫度圖(圖5)可很好地看出氣門(mén)桿-氣門(mén)導(dǎo)管配對(duì)與氣門(mén)座圈-氣門(mén)閥盤(pán)配對(duì)似乎是分開(kāi)的,從氣門(mén)導(dǎo)管上可看出改善導(dǎo)熱性和TIM后使溫度明顯降低。

圖5 氣門(mén)-氣門(mén)座圈-氣門(mén)導(dǎo)管-氣缸蓋系統(tǒng)的二維有限元法溫度變化

氣缸蓋上的三維有限元法計(jì)算表明了λ和熱傳導(dǎo)過(guò)程對(duì)氣門(mén)座圈溫度(圖6)以及所引起的變形的影響。在通過(guò)氣門(mén)座圈TIM涂層和優(yōu)化壓配合完全可使氣缸蓋導(dǎo)熱系數(shù)改善到100 W/(m·K)的同時(shí),λ值最大達(dá)100 W/(m·K)的氣門(mén)座圈材料能使排氣門(mén)座圈上出現(xiàn)的最高溫度得以顯著降低(圖7)。TIM的冷卻效果幾乎可恒定不變地附加到試驗(yàn)數(shù)值范圍之上,而特別令人感興趣的是氣門(mén)座圈上最熱與最冷部位之間的絕對(duì)溫度差可達(dá)200 K以上,而λ值在100～200 W/(m·K)之間僅有較小的降低溫度效果。

圖6 三維有限元法溫度計(jì)算——有無(wú)TIM對(duì)氣門(mén)座圈導(dǎo)熱率的效果比較

溫度的降低伴隨著排氣門(mén)座圈熱變形的減小,有限元法計(jì)算表明氣門(mén)座圈直徑上的變形減小了7μm,這對(duì)密封性和磨損可起到有利的效果。

圖7 三維有限元法計(jì)算結(jié)果——有無(wú)TIM時(shí)氣門(mén)座圈最高溫度和溫度差與導(dǎo)熱率的關(guān)系

9 氣門(mén)熱狀態(tài)評(píng)價(jià)

目前已對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)和進(jìn)排氣門(mén)類(lèi)型開(kāi)展了諸多試驗(yàn)研究,通過(guò)鋼硬度降低查明的零件溫度表明了額定功率運(yùn)行工況點(diǎn)的差異。圖8示出的升功率為80 k W/L且配置3個(gè)排氣門(mén)座圈的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)所測(cè)得的溫度是所有測(cè)量部位的平均值。正如有限元法的計(jì)算結(jié)果所示,關(guān)鍵部位閥座和閥盤(pán)底部凹穴的溫度得以明顯降低,閥座溫度最多降低90 K,閥盤(pán)底部凹穴溫度則最多降低33 K,氣門(mén)中間溫度最多降低25 K。ΔQAdvantage材料氣門(mén)的溫度未超出熱態(tài)氣門(mén)的測(cè)量范圍,并且可延伸至氣門(mén)座,其溫度甚至要低于140 K。

圖8 不同材料排氣門(mén)溫度的熱態(tài)測(cè)量結(jié)果

10 發(fā)動(dòng)機(jī)磨損試驗(yàn)

新型ΔQ-Advantage材料經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)100 h的磨損耐久運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),并對(duì)從該試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)得到的不同材料的廣泛試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值進(jìn)行比較(圖9),已證實(shí)導(dǎo)熱性良好的氣門(mén)座圈材料能比肩滲銅工具鋼，其單位磨損量明顯低于用戶(hù)要求，完全適用于批量生產(chǎn)。

圖9 ΔQ-Advantage材料排氣門(mén)座圈磨損量與常規(guī)材料的比較

11 結(jié)語(yǔ)和展望

采用HTC材料和TIM涂層降低氣門(mén)溫度已通過(guò)有限元法預(yù)測(cè)并在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中得到了證實(shí)，以此展示了豐富多樣的技術(shù)可能性。ΔQ-Advantage材料無(wú)需TIM涂層和昂貴的多重材料技術(shù)即可顯示出更為顯著的氣門(mén)溫度降低效果。新型的ΔQ-Advantage-Plus材料正在試驗(yàn)之中，并可望以其導(dǎo)熱率獲得進(jìn)一步提升的潛力。

粉末冶金鋼制成的氣門(mén)導(dǎo)管的導(dǎo)熱性可達(dá)到耐熱黃銅的水平，而且即使為了進(jìn)一步減少氣門(mén)桿密封圈的泄漏而附加了TIM涂層，仍能保持浸漬在材料細(xì)孔中的機(jī)油在使用周期內(nèi)可起到潤(rùn)滑作用。

由此可能降低的溫度超過(guò)了迄今為止眾所周知選擇的材料，并且針對(duì)未來(lái)用途，在減少局部磨損的同時(shí)，通過(guò)減少加濃和優(yōu)化點(diǎn)火時(shí)刻顯著提升了降低CO2排放的潛力。

在2018年繼續(xù)進(jìn)行廣泛試驗(yàn)后，自動(dòng)化TIM工業(yè)涂層工藝與滲銅氣門(mén)座圈背部高導(dǎo)熱性涂層將廣泛應(yīng)用于插電式混合動(dòng)力汽車(chē)領(lǐng)域。