柴油机气门温度的实验测量＊

许勇静，张 智

（武汉理工大学 材料科学与工程学院，武汉430063）

柴油机气门在工作中不仅承受着高频冲击，交变的拉压及热应力的作用，还承受着高温腐蚀和高速燃气的冲刷。在此恶劣的工作环境下，气门容易产生漏气、异常磨损、气门菌部损坏等［1］。特别是在使用低质油的柴油机上，还受钒的侵袭，因而引起排气门的故障。造成个别气门发生失效，轻者需修理，重者要更换整机，不仅严重的损害了用户的利益，也给制造厂带来经济和信誉上的损失。因此，了解排气门的温度，是提高发动机可靠性的重要因素。

1 测温硬度塞的材料选择及加工

在实际工作中常需要测量发动机温度场，而硬度塞测温法是比较简单而实用的方法之一。硬度塞测温法，就是利用金属材料的硬度变化来测量温度的方法，即运用淬火后金属材料的硬度随回火温度的升高，硬度值降低这一特性。淬火后的碳素钢随着回火温度的逐渐升高，马氏体首先析出极其细微的片状碳化物晶体，随后碳化物增多、长大，聚集直至形成球粒状碳化物，渗碳体的金相组织不断变化，因而促使材料硬度逐渐下降［2］。回火温度越高，碳化物析出越多，材料的硬度就越低，从而达到测量温度场的目的，见表1。

表1 GCr6轴承钢金相组织随回火温度的变化

1.1 硬度塞对材料的要求

硬度塞法测温精度与材料的性能有着密切的关系，因此，对硬度塞材料有如下要求：

1）材料必须有良好的淬透性，材料的金相显微组织和化学成分必须均匀。

2）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，不允许有软点和硬点出现。

3）材料的回火温度和硬度变化最好成直线关系或近似线形关系，同时要求材料在同一回火温度下硬度值十分稳定。

要冶炼一种同时能满足上述要求的材料尚存在一定的困难。目前一般选用性能接近上述要求的碳素钢作为硬度塞材料。通过各种材料进行的分析对比，选用GCr6，见表2。

表2 GCr6化学成分与标准对照表

1.2 硬度塞的加工

为使用方便，硬度塞按标准件平端紧定螺钉（GB73-66）的形状进行加工，见图1。

图1 硬度塞外形

使用证明，尺寸选用M3×0.5mm×4.0mm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。

平端紧定螺钉为（GB73-66）M3×0.5mm×4.0mm

1.3 淬火处理

硬度塞的淬火处理在自备的气体保护电炉中进行。淬火温度为840±5℃。每篮装50只硬度塞，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）。

2 硬度塞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，难于测准。同时活塞各点温度高于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剂里，进行恒温回火。取出后将其断面抛光，用光学维氏硬度计打出各组硬度塞的硬度，并求其平均值。以维氏硬度值为纵坐标，回火温度为横坐标，作出标准曲线，见图2。

图2 GCr6回火后硬度与回火温度的关系

硬度塞的回火处理是分成3个区域在不同的设备中进行。

1）100～250℃的回火是在油浴炉中进行，见图3。

图3 回火装置示意图

该油浴炉采用人工搅拌，以水银温度计（0～300℃，每刻度为2℃）和电解点温度计测量控制温度，烧杯内液体温度波动不大于±2℃为准记录油浴温度值。油浴介质的选择与所需工作温度相适应，选用10＃机油。

2）300～500℃的回火在坩埚电炉中进行。装置同图3。采用50%NaNO2+50%NaNO3作为回火介质，介质的熔点为208℃，工作温度为600℃。

3）550～700℃的回火在坩埚电炉中进行，装置见图3所示。采用21%NaCl+31%BaCl2+48%CaCl2作为回火介质，介质的熔点为435℃，工作温度为480～780℃。为提高标准曲线的准确性，采用614-B型交流稳压器，并用人工调节调压变压器的方法，使炉温波动控制在±2℃内。坩埚电炉内盐浴液由人工搅拌，考虑到炉膛内盐浴温度不均匀，因此将电解点水银温度计、K装热电偶、硬度塞一同放在钢丝网蓝内，三者处于同一位置。这样即可大致避免因炉温不均所带来的不良影响。

由以上结果看出回火温度越高，碳化物析出越多，其材料的硬度就越低。

3 硬度塞的安装

1）用φ2.5mm钻头钻孔，孔深为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，要求硬度塞较紧地与螺孔相配。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）镶嵌硬度塞，将硬度塞被测量的端面抛光，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，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，安装前将硬度塞用硫酸清洗，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。

4 精度问题

材料不均匀及回火温度波动都会对曲线产生误差，而且很难估计更无法计算。但实际工作中采用同一批材料，温度波动控制在±2℃之内，先后做了5次曲线，虽不完全相同但误差不超过2%。实践证明测量硬度时视觉误差较大，因此应由专人完成。

由此可见，不管是相对误差还是绝对误差都在一般允许偏差之内。可用于发动机零件的测温。

5 柴油机气门的工作环境与热状态

气门是柴油机完成工作循环，实现换气和密封功能的零件。在形成密闭燃烧室空间的零件中，它是承受热负荷最高的零件之一。进气门工作温度一般在200～450℃，排气门的工作温度一般在600～800℃，有的甚至高达850℃。高温下材料的各项性能发生变化，如机械性能下降，甚至发生蠕变［3］。与此同时，气门还承受高压。目前，我国自然吸气柴油机的最高爆压一般要大于8.5MPa，增压及增压中冷柴同机为10～13 MPa，有的甚至还要高。

图4 气门塞温度分布

通常排气门的温度分布规律见图4。最高温度是排气门的中心A处，直接与高温排气接触，其次是气门杆C处及气门的菌部与气门座接触的B处。

1）最高温度在气门头中心，这是高温燃气所引起在气门头中心的热集中。

2）在气门头和气门杆过渡的颈部，沿过渡区温度先是逐步升高，然后再降低，这是由于高速废气冲刷气门杆的结果，其最高温度约位于圆弧半径的中点处。

3）排气门的温度分布是不对称的，靠近汽缸套侧的温度低，靠近喷油嘴侧的温度高，二者之间的温度差和热负荷的高低与设计及发动机运转因素有关。

4）排气门所受到的热量是从两方面走的，位于气门头和气门杆过渡颈部的中点以上的热量全由气门杆经导管传走，位于过渡颈部的中点以下部分热量经由气门锥面和气门座传走，气门锥面是时而和气体接触，时而和气门座接触，在自由排气阶段中，排气门受到从气缸中流出并具有超临界速度的气流冲刷，这时气门所受到的热量只能通过气门杆散出，而不通过气门锥面散热［4］。在大缸径柴油机上，排气门的热量大部分是从气门锥面上传走的，见图5。

图5 气门工作热循环

6 实验方法与技术路线

硬度塞测温的简要过程是将淬火后的硬度塞（通常为M3-0.5-4）拧入被测量点处，在实际工况下至少稳定受热2h，然后经抛光，用光学维氏硬度计打出准确的硬度值，在事先作出的HV-T℃标准曲线上查出对应的温度，即为被测量点的温度值。

在柴油机气门的温度测量中，首先把气门从柴油机中拆卸下来，在预先安排好的部位用φ2.5mm钻头钻孔，孔深为5.0～5.5mm，把硬度塞拧入被测量点处；然后装机还原，分别在100%，110%额定负荷下至少稳定受热2h；再停机把气门从柴油机中拆卸下来，取出硬度塞，抛光，用光学维氏硬度计打出准确的硬度值，再在事先作出的HV-T℃标准曲线上查出对应的温度，即为被测量点的温度值。

硬度塞在气门上的具体测点布置见图6。

图6 气门测点布置

7 结束语

在气门热负荷的研究中，通过对气门的温度测量，考察温度是否在所使用材料性能的容许范围内，为气门结构设计提供科学的理论依据，使气门工作时达到最佳使用状态；同时通过了解气门的热均匀程度，进一步来确定其可靠性和寿命；并且也将为热负荷的改善指出途径或找出解决的方法，对精确设计提供保障。

［1］俞小莉，郑 飞，严兆大，等.内燃机气缸体内表面稳定传热边界条件的研究［J］.内燃机学报，1987（4）：329-332.

［2］朱张校.工程材料［M］.北京：北京清华大学出版社，2001.

［3］钱作勤，吴家兵，王苏丹.柴油机机体温度的实验测量与三维数值仿真［J］.武汉理工大学学报：交通科学工程，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.