2135柴油机活塞及缸套温度测量试验

杨新桥，张 智

（武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉430063）

随着柴油机强化程度的不断提高，构成燃烧室的关键零件——活塞以及气缸套的温度和温度梯度大幅度提高，从而产生较大的热变形和热应力。如何有效地解决柴油机的热负荷问题，提高内燃机受热零件的可靠性以及使用寿命就变得日益迫切。

内燃机受热零部件的温度测量方法有好几种，本文采用硬度塞法以及热电偶法来测量2135G柴油机受热零部件的温度。用热电偶测量时，在发动机气缸套上部布置热电偶，通过引线贯穿机体直接连接数字万用表，测量气缸套布置点的温度。

1 试验方法与试验前期准备工作

1.1 测温硬度塞的加工制作

硬度塞材料必须有良好的淬透性，材料的金相显微组织和化学成份必须均匀；材料淬火后的硬度要高，一般Rc≥65，同时淬火后硬度要长期保持均匀和稳定；材料的回火温度和硬度变化最好成直线关系或近似线性关系，同时要求材料在同一回火温度值十分稳定；通过各种材料进行的分析对比，选GCr15作为硬度塞材料。

为使用方便，硬度塞按标准件平端紧定螺钉（GB73-66）进行加工，使用证明，尺寸选用M3×0.5×4是合适的。螺钉的加工工艺是将φ5的GCr15钢丝拉成标准直径φ＝2.63±0.01mm，螺纹用搓丝板搓成。

硬度塞的淬火处理在自备的气体保护电炉中进行，淬火温度选用840±5℃。在炉中840℃下保温30min。并且在气体保护的情况（防止氧化脱碳）迅速投入在温度为50℃的机油中冷却，油冷后再取出空冷。对淬火后的硬度塞均进行检查，维氏硬度值均在945～980范围内（满足RC≥65的要求），测温精度为±5℃。

1.2 HV-T标准曲线的制作

当回火温度低于100℃时，材料硬度变化极小，难以测准。同时活塞各点温度均高于100℃，故可避开这一低温区域。回火试验从100℃开始，每隔50℃一次，一直到650℃。

回火时，每次将5只硬度塞放在钢丝篮里，挂在油浴炉或盐浴炉的回火炉里，进行恒温回火。取出后将其端面抛光，用光学维氏硬度计打出各组硬度塞的硬度，并求其平均值，标准曲线见图1。

图1 HV-T标准曲线图

1.3 硬度塞的安装及使用注意事项

1）用φ2.5mm钻头钻孔，孔深5.0～5.5mm，将丝锥的锥尖磨平，尽量使螺孔的底平整，防止存在气囊而产生测量误差；

2）为消除传热中因螺纹间隙造成的误差，要求硬度塞较好地与螺孔相配，为此均采用攻丝锥攻孔；

3）硬度塞拧入测点孔后，要求硬度塞顶平面与被测平面相平齐。被测件是钢件时，由于热膨胀系数基本一致，硬度塞不会飞掉。而被测件是铝合金件时，硬度塞就应被铆一下，防止运行时脱落。切忌铆得太紧，防止以后硬度塞取不出来。

4）在停车后不久就应取出硬度塞。因为试验件还处于热态，这时硬度塞还未被结胶粘牢。

5）用专用夹具将硬度塞端面抛光，用同一台硬度计，同一人测量出所有硬度，尽量减少测读误差。

6）一定要从低负荷向上开车，到达预定工况后稳定运行到计定时间（15min），然后停车冷却，再取出硬度塞。

7）为防止硬度塞端面在高温燃气的气氛下氧化脱碳，安装前将硬度塞用H2SO4清洗，而后用NaOH中和，再用蒸馏水清洗，最后将硬度塞投放到CuSO4溶液中浸泡10min。

1.4 热电偶温度测量

利用热电偶法测温的原理是，各种金属材料具有不同的热电特性，两种不同的金属材料在同一节点温度下将产生热电势差，通过各节点的热电势差求得温度。热电偶法测量的关键是，热接点的形成技术和热电偶导线的引出与电量的输出。在热接点形成之后，需要小心地将电偶导线绝缘、固定和引出。在固定和引出热电偶导线时，根据所测部位的温度范围，选择适当的绝缘粘结剂。引出热电偶导线的孔径应尽量小，并用绝缘材料填实，以防止改变热流，影响测量精度。

该试验热电偶选取铠装式热电偶，铠装式热电偶具有细长、容易弯曲、热响应时间快、耐振动、耐温、抗压和坚固耐用等优点。它可用作直接测量，也可以作为装配式热电偶的内芯元件，以取代传统的瓷珠串套式元件。尤其适宜安装在管道之间狭窄、弯曲和要求快速反应，微型化和特殊测温场合。铠装热电偶通常由铠装偶元件、安装固定装置和接线装置等主要部件组成。铠装式热电偶具有测量精度高、反应灵敏、热响应速度快（最快达0.5s）、不锈钢外套和一次性拉拨成形等优点。该热电偶耐腐蚀，使用寿命长，管径细有韧性，易弯曲，耐震动，能在狭窄、曲折位置安装。作为装配式热电偶的测量元件使用时，能起到更换快捷，双层保护作用。

1.5 测点布置分布图

通过对2135柴油机的调试和试运转以及测量，在第一缸活塞顶部、第一活塞环以及活塞裙部进行布点测量1～13，见图2。在缸套顶部布置热电偶A、B，见图3。

图2 活塞上硬度塞布置图

图3 缸套热电偶布置图

2 2135G柴油机温度测量试验及试验结果分析

2.1 活塞及缸套温度测量

温度测量所选用机型为2135G；标定转速1 500r／min；标 定 功 率 29.4kW；缸 径 行 程135mm×140mm；排量4L；形式为2缸、4冲程、直喷式、水冷。

测量步骤如下：

1）在100% 额定功率额定运转情况下对活塞的温度进行测量，首先对柴油机2135活塞的温度场进行全方位的测量，在活塞的第1缸上下左右布满11个点进行测量。测量时，在100%额定功率下稳定运行30min，进水温度为53℃，出水温度约58℃左右；排气温度约462℃。实验完毕后，拆下活塞，取出硬度塞，打硬度，对比硬度曲线，得到测量数据见表1。

表1 活塞温度测试数值

2）在标定转速下，分5个工况测试壁面的温度。布置在缸套上有2个热电偶，分别测试负荷特性下壁面温度值，每个工况需要柴油机稳定运行5分钟后开始测量，每次测量三组数值，最后取平均值。

2.2 柴油机温度测量结果分析

1）缸套测量温度结果见图4，A比B点高大约20℃，缸套温度梯度较大，这与测试点有关，A点距离排气门很近，受热后温度偏高，B点距进气门较近，并且B点距离燃烧室较远，A、B两点的温度值不是很高，随着负荷的增加，温度变化很大，但是仍在缸套材料允许范围内。

图4 缸套温度测试数值图

2）活塞的温度测量结果见表1，为了减少测量误差，活塞分两次测量，比较两次测量结果，差别不是很大变化，活塞的最高温度接近300℃。在活塞上表面与燃烧室表面温度比较大，而在活塞表面接近排气门温度比进气门温度又存在较大的温差，第一道气环温度比较高，承受比较大的热负荷，裙部温度较低，活塞总体受热比较均匀。

3 结束语

通过对2135G柴油机活塞及缸套局部壁面的温度测量，了解活塞以及缸套热负荷状态，同时得到了额定转速、额定功率下活塞的相关点温度，活塞表面的温度值没有超过材料允许范围。在标定转速、不同负荷情况下，缸套顶部温度（直接接触燃烧室部位）测试温度显示正常。说明该机型还有很大的工作提升能力，同时，温度测量结果也为下一步的温度场数值仿真奠定基础。

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