汽油机活塞表面温度测量研究

熊庆荣，李 杨

（中国燃气涡轮研究院，四川 江油 621703）

活塞是在气缸中往复运动，把功率不断输出的重要零件。活塞直接接触高温燃气，高温使活塞受热膨胀而产生热变形和热应力，热应力和热变形将影响活塞与缸套的正常润滑，活塞与气缸产生摩擦发热使冷却润滑油劣化，导致活塞环发生粘着和烧结、活塞与气缸咬合以及拉缸等。而活塞的热应力首先取决于活塞温度和温度梯度的分布，因此对活塞表面温度和温度梯度的准确测量尤为重要。活塞温度测量方法主要有两大类：电测法（热电偶、非接触互感器测量方法和红外遥测法）和非电测法（硬度塞法和易熔合金法）［1－2］。电测法要在活塞上布置热电偶或热敏电阻传感器；非电测法中的易熔合金法测试时要在活塞上开孔，将不同熔点的合金嵌入孔中；硬度塞测法是将热塞材料制成圆柱钉或螺钉，然后将圆柱钉过盈配合嵌入活塞测温部位或将螺钉旋入活塞测温部位。电测法中热电偶、热敏电阻传感器、红外探头的安装和信号的引出工作量大，不易操作；非电测法中的易熔合金法和硬度塞法会破坏活塞结构，工作量大，也不易操作。上述方法测量的都是点的温度，而采用示温涂料测量，工作量小，操作简单，并且不受测试位置的限制，不破坏被测试件表面，测试结果可直观反映整个活塞表面温度和温度梯度，与电测法和非电测法相比具有明显的优势。

1 示温涂料选择和校准

1.1 示温涂料选择

活塞材料为铝合金，铝合金完全退火温度一般为390～420℃，热模锻温度为420～475℃［3］，因此选择一种单变色示温涂料和一种多变色示温涂料，单变色示温涂料等温线变色温度为400℃［4］，多变色示温涂料等温线变色温度为130～430℃范围内共7个变色温度［5］。活塞表面实际温度的取得来源于示温涂料的校准。

1.2 示温涂料等温线温度校准

校准用的标准试片由厚度为δ＝2.0mm的不锈钢板制成。校准标定电偶为铠装GH3030Ⅰ级Φ0.5的K型热电偶。对标准试片表面进行吹砂清洗处理，在标准试片的一面喷涂示温涂料，在另一面上布热电偶，10min内升温到所需的最高温度，恒温3min后降温。校准系统由PID调节仪、晶闸管模块和大功率加热设备组成可调电源，将标准试片当作电阻，通过调节电压控制标准试片上的温度。标准试片结构简图与校准系统流程见图1。

1.3 校准设备

1）示温漆校准标定系统：常温至1 500℃，综合误差小于±0.6%；

2）高精度温度采集系统：误差小于0.1%；

3）热电偶：误差为±0.4%。

单变色与多变色示温涂料等温线温度校准结果见图2。

2 试验

2.1 试验准备

首次试验前对活塞表面进行吹砂、清洗和加温烘烤干燥。考虑活塞试件为铝合金，其表面最高温度极限为351.5℃［6］，因此首次试验时选择变色温度为400℃的单变色示温涂料，观测活塞表面温度是否高于400℃，以便确定下一步测试方案。由于活塞环槽部位要安装活塞环，该部位未喷涂示温涂料。第2次试验时未对活塞表面进行吹砂处理和烘烤干燥。

2.2 试验过程

测试发动机技术状态见表1。冷却风机吹风风向与发动机相对位置见图3。

将活塞安装在发动机上，在模拟试验台上进行试验。试验时发动机从低转速到最高转速时间为10min，在最高转速下工作3min［7］，然后降低发动机转速到停车，冷却后分解进行温度判读。

表1 发动机技术状态

3 测试结果及分析

3.1 活塞温度测试结果

试验分2次完成。首次试验前活塞表面喷涂的单变色示温涂料颜色见图4a，试验后对照图2a单变色示温涂料校准结果进行判读。活塞顶部表面被积炭污染（见图4b），清除积炭后（见图4c）从残留的示温涂料原始色可以看出其表面温度小于400℃，活塞内表面和活塞裙部表面温度也小于400℃（见图4d和图4e），活塞裙部表面白色部分是汽油机活塞在高速运动中把示温涂料冲刷掉，不能作为变色温度判读。由于活塞表面温度小于400℃，因此选择变色温度低于400℃的多变色示温涂料，变色温度分别为130，165，215，295，325，385，430℃。

第2次试验活塞表面喷涂的多变色示温涂料颜色见图5a，试验后对照图2b标准试片，清除积碳后判读出活塞顶部表面温度低于295℃（见图5b），活塞内顶部表面温度也低于295℃（见图5c），活塞内裙部、活塞销内外部位表面温度低于215℃（有部分示温涂料被冲刷掉），内裙部迎冷却风机面温度在165℃之下。图5d中，活塞外裙部有部分示温涂料被冲刷掉，从残留的示温涂料可以看出其表面温度大部分低于165℃，另一侧活塞外裙部示温涂料测试结果低于215℃。图5e中，活塞销表面温度低于215 ℃，另一侧活塞销表面温度也低于215℃。

3.2 测试结果分析

本次试验用热电偶完成示温涂料标准试片的校准标定，判读结果精度在±10℃以内。由于材料的热惯性和高速循环作用，在工况稳定的条件下，除受燃气冲刷的表面，其他部件的表面温度基本上是处于稳定状态，活塞顶部吸入的热量大部分由活塞外侧表面经过活塞环、油膜、缸套等传到冷却油进行冷却，所以活塞顶部温度最高，其他部位温度逐渐变低，测试结果符合传热规律。另外，有一侧活塞裙部温度较低（165℃以下），主要是外部冷却风机和发动机冷却机油共同作用的结果。

从第1次试验与第2次试验可以看出，第1次试验除两侧裙部示温涂料被冲刷掉外，其余部位示温涂料均附着牢固，这是试验前活塞表面吹砂和烘烤干燥的结果。第2次试验活塞表面示温涂料脱落较多，主要是试验前活塞表面未进行吹砂处理和烘烤干燥，造成附着力较差，因此所有试验件表面都应吹砂处理后再喷涂示温涂料并加温烘烤干燥，以提高示温涂料的附着力。

4 结论

a）用示温涂料可以完成整个活塞的表面温度及温度场分布测量，与其他测量方法相比具有明显的优势；

b）试验前对活塞表面进行吹砂处理后再喷涂示温涂料并烘烤干燥，可显著提高示温涂料的附着力；

c）采用等温线标定判读，测量精度高；

d）此方法对活塞不会产生任何损伤，测量简单，效率高；

e）该汽油机若需更精确的测量，可选用295℃以下的其他品种的单变色或多变色示温涂料。

［1］ 张志勇，黄荣华.发动机活塞温度测量方法综述［J］.柴油机设计与制造，2005（1）：19－23.

［2］ 杨 杰，张煜盛.二甲醚发动机活塞温度的测量研究［J］.车用发动机，2007（3）：79－82.

［3］ 张守勇，鲁立奇，钟诚道，等.中国航空材料手册第三卷［M］.北京：中国标准出版社，1998：15－21.

［4］ 熊庆荣，石小江，侯敏杰，等.基于等温线辨识的单变色不可逆示温漆及制造涂层的方法：中国专利，200910124282.5［P］.2012－03－14.

［5］ 熊庆荣，石小江，侯敏杰，等.基于等温线辨识的七变色不可逆示温漆及制造涂层的方法：中国专利，200910124284.4［P］.2012－03－14.

［6］ 王金元，赵春婕.ω型柴油机活塞温度特性计算机模拟［J］.内燃机配件，2009（3）：6－8.

［7］ Barna G，Brumm D，Anderson C.An Infrared Telemetry Technique for Making Piston Temperature Measurement［C］.SAE Paper 910051，1991.