CNG发动机排气门-座圈磨损机理分析与改进

李加旺，张志福，田身军，李德银

奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241009

0 引言

为了满足日益严格的排放标准和低油耗需求，各大主机厂在提高发动机热效率的同时不断寻找清洁的代用燃料。作为清洁燃料，压缩天然气(compressed natural gas, CNG)可降低爆震敏感性，提高压缩比和燃烧效率，减少CO2排放，燃烧产生的颗粒物也很少，汽车尾气排放更容易达到国六标准，相同行驶里程的燃料成本较汽油机大幅降低[1]。CNG燃料发动机在原基础机型上改动小，主机厂投资少，用户使用成本低，因此越来越受到汽车行业青睐。

CNG发动机排气门-座圈磨损失效是行业技术难题，经常出现由于排气门-座圈异常磨损造成气门密封不严，导致发动机失火抖动或加速无力的情况。关于该失效模式的研究较多，大部分改进措施局限于经验方法和试验结果。本文中以某1.6 L CNG发动机作为研究对象，对CNG发动机排气门-座圈磨损机理进行深入研究，找到影响CNG排气门-座圈磨损特性的关键因素，围绕关键影响因素进行优化，为CNG发动机排气门-座圈选型设计和改进提供参考。

1 CNG燃烧特性对排气门-座圈磨损的影响

相比于汽油的燃烧速度(39～47 m/s)，CNG在缸内的燃烧速度(33.8 m/s)较慢，致使气门座圈和导管在高温状态下的工作时间相对较长，CNG没有液态汽油燃烧的气化吸热过程，燃烧的最高温度高于汽油燃烧温度，燃烧温度高达1000 ℃，因此气门和座圈的温度很高。采用气门和座圈特制样件进行的温度场测试结果为：CNG排气门接触锥面温度比汽油机高50～80 ℃，CNG排气座圈接触面温度比汽油机高30～50 ℃。

CNG主要成分为甲烷(CH4)，与新鲜空气易充分混合，实现了理论空燃比下的完全燃烧，但燃烧产物过于洁净，没有润滑成分，气门与座圈之间完全没有润滑而处于干摩擦状态[2]，造成气门-座圈早期磨损失效。

2 CNG排气门-座圈磨损机理

2.1 磨损类型分析

机械磨损主要有黏着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损和微动磨损6种类型，各种机械磨损的特点见表1。机械摩擦副之间的磨损通常是几种磨损共同作用，但在一定条件下，以某一种磨损为主。

表1 机械磨损类型及其特点

正常摩损座圈的显微照片如图1所示。由图1可以看出正常摩损座圈的金相组织较稳定，无剥离和塑性变形，蓝色圈内显微组织正常。某1.6 L CNG发动机开发过程中排气门-座圈异常磨损，为确定磨损类型，将排气门-座圈置于电子显微镜下观察，结果如图2所示。由图2可知：座圈的金相组织呈现较粗糙的剥离现象(红圈所示)和塑性流动(红色箭头所示)，摩擦副表面局部发生黏着，在相对运动时黏着的金属小颗粒被分开或被拉出来，形成典型的黏着磨损。

图1 正常磨损座圈显微组织 图2 异常磨损座圈显微组织

2.2 黏着磨损机理

黏着磨损是在滑动摩擦条件下，因缺少润滑油或摩擦处的氧化膜被破坏，摩擦副表面局部发生黏着，在相对运动时黏着小颗粒被分开或被拉出来，由一个表面转移到另一个表面，或脱落成磨屑而产生的磨损。

2.2.1 阿查德(Archard)磨损理论

假设在一系列等高度、大小相仿的半球形微凸体上形成磨屑，单个微凸体的接触面积的半径为r，面积为πr2，半球的体积V=2πr3/3，则所受载荷Ni=σbπr2，其中，σb为较软材料的屈服极限，Pa。设n为接触表面间接触点数，L为滑动距离，则总体积磨损量

(1)

所受法向总载荷

N=nσbπr2。

(2)

由式(1)(2)可得：

(3)

一对摩擦副在整个磨损过程中，微凸体不会每次都被剪断成为磨屑，而是存在一定概率，因此：

(4)

式中：k为黏着磨损系数，mm3/(N·mm)。k受很多因素影响，通过一定试验方法和大量试验数据获得。

在一定摩擦边界范围，当接触应力在弹性范围内，k变化不大，磨损量与法向载荷成正比，与较软材料的屈服强度成反比；而当载荷增加到使接触应力超过材料屈服极限，产生塑性变形破坏，摩擦表面组织呈现塑性流动或剥落，出现剧烈的黏着磨损——咬合，则摩擦表面被严重破坏。因此，当接触应力超过材料屈服极限，阿查德磨损定律不再适用，磨损特性发生根本性改变[3]。

2.2.2 罗厄(Rowe)对阿查德理论的修正

罗厄考虑了摩擦副表面膜的影响，有表面膜存在时金属直接接触的面积只是真实接触面积的一部分[4]。设Am为金属直接接触的面积，Ar为真实接触面积(包括有表面膜分隔的面积)，β为表面膜分隔缺陷因数，则β=Am/Ar，且β<1。

罗厄磨损公式：

(5)

式中：km为有表面膜的概率；μ为摩擦副接触面的摩擦因数；α为由剪切力引起的接触面积增大因数，它满足σ2+ατ2=σh，其中，σ为表面膜压应力，Pa，τ为表面膜剪切强度，Pa，σh为接触点应力，Pa，由材料屈服强度决定。

由式(5)可得：

(6)

由式(6)可知，k与km、摩擦副材料、几何性质、表面膜的破损程度等因素有关。

2.2.3 威尔士(Welsh)的研究

威尔士(Welsh)在上述理论的基础上考虑了摩擦表面温度对黏着磨损特征影响[5]。威尔士认为，随着外界载荷与滑动速度的改变，可引起摩擦表面温度的升降，表面温度对材料硬度、表面膜、摩损系数等都有影响。黏着磨损特征随温度变化如图3所示。由图3可知：温度低于T1时，磨屑基本上是氧化物，属于轻磨损；温度高于T1，进入严重磨损，特征是磨屑经金属之间咬合后再剪断而产生的，表明此时表面上在轻载时建立的氧化膜破裂，磨损表面产生塑性变形破坏，是从轻微磨损到严重磨损的转变点；当温度达到T2后，表面温度相当高，引起表面层的相变(如出现“白层”结构)，将阻碍塑性变形的发展；如果温度继续升高到T3，表面层迅速硬化，此时磨损率又显著下降。

图3 黏着磨损特征随温度变化

排气门-座圈摩擦表面载荷相对较小，表面温度不超过500 ℃，磨损特征处于在T1或T2阶段之前。

2.3 影响CNG排气门-座圈磨损的关键因素

基于上述黏着磨损理论，结合CNG燃料特性，确定影响CNG排气门-座圈磨损的关键因素为：1)较软材料座圈的屈服强度；2)座圈表面法向载荷的接触应力；3)排气门-座圈摩擦副的表面膜；4)排气门-座圈摩擦副的表面温度。

3 改进措施及验证结果

3.1 改进措施

为解决某1.6 L CNG发动机排气门-座圈异常磨损问题，围绕气门-座圈磨损机理及关键影响因素，提出以下改进措施。

3.1.1 优化座圈材料

CNG座圈由粉末冶金加工而成，通过添加某些合金元素获得较好的高金相组织和物理特性。优化前座圈材料V545A和优化后座圈材料S33E(供应商牌号)的主要成分和性能参数对比如表1所示。

表1 优化前座圈材料V545A和优化后材料S33E的主要成分和性能参数对比

由表1可知，座圈材料由V545A升级为S33E，最大变化是将Cu元素添加到Fe基粉末混合料中，形成Fe-Cu合金扩散化合物，获得更高的导热性，新材料座圈的导热率提升约70%。S33E座圈材料不仅具有良好导热性，延展性也得到提升，增强座圈与铝质缸盖的空隙填充能力，传导热流通畅，从而使排气门-座圈表面的最高温度得以显著降低[6]。

S33E添加合金元素W、V、Cr等元素，与碳结合生成高硬度的碳化物，抗黏着能力强，材料HRC硬度由原来23～38提升至45～63，硬度提升率达66%；通过添加Mo、Co、Cr等元素，与其他合金元素结合生成合金相的固体润滑膜，具有较好的润滑性，改善座圈磨损量。座圈材料优化前、后的气门-座圈单体磨耗试验结果如图4所示。由图4可知，300 ℃时S33E材料座圈磨损量较原来座圈降低约43%；350 ℃时降低约36%。

图4 磨耗试验的座圈磨损量

3.1.2 降低座圈表面法向载荷的接触应力

保持气门落座力FC不变，更改气门-座圈接触面密封宽度可以降低接触应力[7]。气门-座圈表面受力分析如图5所示。把气门-座圈接触面密封锥角α由45°改为30°，即密度带宽Δt由1.3 mm改为1.8 mm，根据力学关系FC=FNcosα和FQ=FNsinα可知：法向载荷力FN增加22.5%，同时接触面积增加41.0%，接触应力降低13.3%，切向载荷力FQ减少29.3%，从而降低了表面膜剪切力。

图5 气门-座圈表面受力分析

3.1.3 保证座圈有效表面膜的生成

汽油机工作过程中，座圈表面通常会形成一层表面膜，通常包括氧化膜和润滑膜。铁基粉末冶金座圈含Fe丰富，Fe的氧化初始温度较低，约为500～550 ℃，易被氧化成为FeO、Fe2O3、Fe3O4及其混合物，构成氧化膜。汽油重组分燃烧后产生烟炱(即炭烟胶质物)，烟炱具有润滑作用，形成润滑膜。但是，CNG是CH4为主的气体燃料，可与新鲜空气充分混合且完全燃烧，座圈表面很难生成氧化膜；而且天然气没有重组分，燃烧产物过于洁净，不会生成类似于汽油燃烧产物的炭烟胶质润滑膜。

为确保座圈表面形成有效的表面膜，可在粉末冶金座圈制作过程中添加Mo、Co、Cr等元素，高温下与其他合金元素结合生成固体润滑膜，减小座圈表面摩擦因数，从而改善座圈磨损。双燃料汽车有CNG燃料和汽油燃料2套喷射系统。发动机水温低于50 ℃的冷起动工况采用汽油喷射燃烧策略，目前使用的乙醇汽油是富氧燃料，不同氧浓度的混合气在排气座圈表面易生成氧化物，主要成分为FeO、Fe2O3、Fe3O4及其混合物，这种致密的氧化膜，显微硬度高，与座圈基体材料结合牢固，提高了耐磨性[8]。在喷射系统切换为CNG燃料后，这种致密的含Fe氧化膜能承受较长时间干摩擦，避免了基体材料直接接触产生黏着磨损。CNG发动机座圈与汽油机座圈密封带颜色如图6所示，座圈磨损量随氧化物质量分数的变化如图7所示。

图6 CNG发动机与汽油机的座圈密封带颜色 图7 座圈磨损量随氧化物质量分数的变化

由图6可知：CNG发动机座圈密封带表面光亮，呈金属光泽，说明金属间直接接触产生磨损；汽油机排气座圈密封带表面呈现灰色，具有一层氧化膜。由图7可知：CNG发动机排气座圈表面氧化物质量分数越大，即氧化膜越厚，座圈磨损量越小，如图7的空心圆所示；反之，氧化膜越薄，座圈磨损量越大，如图7的实心圆所示。

3.1.4 降低排气门-座圈摩擦副的表面温度

试验研究表明，排气门热量的70%通过排气座圈传递给缸盖。由于座圈材料的导热率低于铝材质缸盖的导热率[9-10]，为使热流通畅，需要尽可能提高座圈导热率。

本文中优选含铜量较高的粉末冶金座圈材料S33E，其导热率提升了70%(见表1)。为更快带走座圈传递给缸盖的热量，座圈附近的水套设计对热交换至关重要。采用计算机辅助工程(computer aided engineering，CAE)对缸盖水套进行优化，优化前、后对比如图8所示。由CAE模拟计算，从气门中心通过气门座圈直至冷却液的温度变化趋势可知，座圈附近的水套壁越薄，水套包裹座圈越充分，热传导效果越好，座圈表面温度越低。缸盖水套优化前、后排气座圈表面温度仿真如图9所示。由图9可知，优化排气座圈水套的壁厚及结构，使得排气座圈表面温度降低12～19 ℃，温度降幅达到6%。

图8 缸盖水套壁厚及结构优化

a)优化前 b)优化后

3.2 验证

对实施上述改进措施前、后的CNG发动机进行500 h台架额定负荷试验，测量排气门座圈的磨损量，结果如图10所示。由图10可知：优化前的排气座圈最大磨损量为0.288 mm，超过设计要求的0.120 mm，优化后的座圈最大磨损量约0.078 mm，满足设计要求，改进效果明显。

图10 台架试验后的排气座圈磨损量对比

对搭载CNG发动机的整车，除实施以上改进措施外，进一步优化双燃料喷射燃烧策略，在发动机水温低于50 ℃冷起动工况下采用汽油喷射燃烧，正常行驶工况下采用CNG燃料喷射燃烧。统计优化后的CNG发动机售后情况，市场反馈表现良好，没有出现因座圈异常磨损导致的发动机缸压不足、抖动等现象。

4 结论

1)影响CNG发动机排气门-座圈磨损的关键因素为座圈材料的屈服强度、座圈表面接触应力、表面膜、表面温度。

2)采取优化座圈材料，降低座圈表面法向载荷的接触应力，通过减小缸盖水套壁厚降低排气门-座圈摩擦副的表面温度，保证座圈有效表面膜的生成等措施，并进行台架耐久试验。试验结果表明座圈最大磨损量由优化前的0.288 mm降到优化后的0.078 mm，满足设计要求，优化改进效果明显。