柴油機氣門座圈異常磨損分析及改進

葉飛，呂祥，李杰

1.濰柴動力揚州柴油機有限責任公司 技術(shù)中心，江蘇 揚州 225009；2.濰柴動力股份有限公司 發(fā)動機技術(shù)研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機氣門座圈與進排氣門是保證發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、可靠性的重要零部件之一，是缸內(nèi)高溫高壓氣體的重要密封邊界。在高溫條件下氣門座圈承受進排氣門落座時慣性力引起的沖擊性交變載荷及缸內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的氣體沖擊載荷[1-2]。隨著排放升級和柴油機強化程度的提高，氣門座圈的工作環(huán)境更加嚴酷，更加清潔的燃燒導致座圈與氣門之間的潤滑下降，更高的爆發(fā)壓力和燃燒溫度使氣門座圈承受的機械應力與熱應力大大提高。因此，氣門座圈的材料不僅要導熱性良好與耐熱耐磨，而且設計時需考慮與進排氣門摩擦副的匹配，減少摩擦副的異常磨損[3-6]，若氣門與座圈磨損過大，將使氣門間隙變小，嚴重時可能導致氣門無法形成有效密封，缸內(nèi)高溫燃燒后泄漏，導致排放超標、動力性下降、后處理堵塞等故障發(fā)生[7-10]。

本文中針對某重型柴油機在耐久試驗中出現(xiàn)的氣門座圈磨損故障進行分析，通過對氣門座圈磨損機理、故障氣門與座圈的形貌分析、金相分析，明確故障原因，對氣門座圈進行設計改進，并對改進后的氣門座圈進行200 h耐久試驗。

1 問題描述

某重型車用柴油機在耐久試驗進行至200 h時出現(xiàn)功率下降現(xiàn)象，檢查發(fā)動機發(fā)現(xiàn)氣門間隙消失，隨后對發(fā)動機進行拆檢。拆檢發(fā)現(xiàn)排氣門座圈磨損嚴重，進氣門座圈磨損正常。排氣門座圈磨損測量值見表1。

表1 排氣門座圈磨損測量值 mm

2 磨損機理分析

常見氣門座圈磨損包括黏結(jié)磨損、疲勞磨損、磨粒磨損，也有剪切變形和氧化磨損等綜合磨損。黏結(jié)磨損是指在滑動摩擦時，氣門和氣門座圈的局部接觸面發(fā)生金屬黏著，在隨后的氣門運動過程中黏著處損壞，金屬碎屑顆粒從零件表面被剝離下來或零件表面被擦傷的一種磨損形式。氣門運動時，這種磨損不斷重復，掉落的碎屑顆粒不斷對2個零件的接觸面進行磨削，從而發(fā)生磨粒磨損[11-16]。研究磨損首先應對座圈磨損的機理進行分析。

圖1 氣門座圈錐面受力圖

2.1 氣門座圈受力分析

氣門座圈錐面受力如圖1所示，氣門座圈錐面工作時受到垂直于密封面的法向力F和因氣門微動產(chǎn)生沿密封面的摩擦力Fμ。氣門座圈錐面所受法向力與氣門受到的爆發(fā)力FN之間的關系[1]為:

F=FN(cosα+μsinα),

(1)

式中：α為氣門錐角，μ為氣門與座圈之間的摩擦因數(shù)。

2.2 氣門與氣門座圈成分分析

此次耐久試驗使用的氣門座圈采用鐵基合金粉末冶金材料，氣門盤部采用合金鋼材料。氣門座圈與氣門的材料成分中除鐵外，其余主要成分的質(zhì)量分數(shù)見表2。

表2 氣門與氣門座圈主要成分(除鐵外)的質(zhì)量分數(shù) %

2.3 氣門座圈與氣門磨損形貌分析

2.3.1 氣門

通過掃描電鏡對氣門和氣門座圈進行觀察發(fā)現(xiàn)，二者密封面都出現(xiàn)了明顯的磨損形貌，氣門錐面磨損形貌如圖2所示。由圖2可知，氣門錐面的局部存在微觀凹坑。

氣門錐面進行能譜分析如圖3所示。由圖3可知，排氣門盤面覆蓋了一層氧化物，而凹坑的底部(圖2能譜1區(qū)域)存在較多的Cu。氣門錐面表層的氧化層因柴油機高溫廢氣而導致，屬于正?，F(xiàn)象。氣門錐面凹坑中大量的Cu表明凹坑為氣門座圈中脫落的硬質(zhì)顆粒磨損導致。

圖2 氣門錐面磨損形貌 圖3 氣門盤錐面能譜分析

圖4 氣門橫截面掃描電鏡圖片

對排氣門進行橫向切割，通過掃描電鏡對氣門錐面的橫截面進行觀測，氣門橫截面掃描電鏡圖如圖4所示。由圖4可知，錐面外層的晶粒沿氣門所受摩擦力方向明顯拉長，表明該氣門錐面在工作時承受了較大的摩擦力。

2.3.2 氣門座圈

氣門座圈橫截面金相圖如圖5所示。由圖5可知，氣門座圈錐面磨損均勻，金相組織中硬質(zhì)顆粒與銅均勻填充，在密封面上沒有觀察到明顯的銅脫出。圖6為掃描電鏡下氣門座圈錐面的表面形貌。由圖6可知，座圈錐面存在大量細小的疲勞剝落凹坑。

圖5 排氣門座圈截面金相圖 圖6 氣門座圈密封面形貌

綜合以上分析可知，排氣門座圈磨損為疲勞磨損與粘結(jié)磨損導致的綜合磨損。

3 氣門座圈磨損原因分析

氣門座圈磨損會導致氣門間隙減小和密封性下降，最終導致氣門關閉不嚴及爆發(fā)壓力損失。影響氣門座圈磨損的主要因素有：1)與發(fā)動機性能相關的因素，爆發(fā)壓力、氣門座圈工作溫度、氣門落座速度、氣門旋轉(zhuǎn)、燃料等；2)與氣門座圈相關的因素，密封帶面積、氣門座圈錐角、材料的耐熱性、耐腐蝕性、自潤滑性、硬度等；3)與氣門相關的因素，氣門落座速度、盤部剛度、材料硬度等。

該柴油機是在原柴油機基礎上進行排放升級開發(fā)，功率、扭矩等動力性參數(shù)不變，發(fā)動機排溫相當，氣門座圈、氣門等零部件與原機型相同，且在原機型耐久試驗和市場應用中未反饋異常磨損現(xiàn)象。因此，故障原因分析中重點檢查排放升級的變動情況。

3.1 爆壓壓力提高

為降低原機排放，該柴油機的爆發(fā)壓力由14 MPa提升至15 MPa。爆發(fā)壓力提升直接導致氣門與氣門座圈的接觸應力及摩擦力增加。

3.2 顆粒物排放降低

按照文獻[17]的要求，車用柴油機的顆粒物排放限值為0.02 g/(kW·h)，較原柴油機顆粒物排放限值0.1 g/(kW·h)下降了80%。排放升級后柴油機燃燒更徹底，發(fā)動機本體排放的顆粒含量可以滿足排放標準的要求。雖然碳煙、可溶性有機物等顆粒物會對環(huán)境造成污染，但在發(fā)動機排氣沖程中顆粒物附著在氣門座圈和氣門的表面，防止座圈與氣門之間金屬直接接觸，可以改善二者的潤滑。發(fā)動機排放的顆粒物顯著減少后，降低了對氣門座圈的保護作用，氣門與氣門座圈之間金屬直接接觸且摩擦因數(shù)增大。

通過以上分析可知，爆發(fā)壓力提升及潤滑條件變差，使氣門座圈所受到法向力和摩擦力均明顯增大，導致氣門座圈的異常磨損。

4 設計改進及驗證

4.1 設計改進

柴油機排氣門座圈錐角α=45°，在排放較低的發(fā)動機中，增大α可以使氣門與氣門座圈之間的燃燒附著物(積碳等)更容易被碾碎，但增大α將導致法向力和座圈接觸應力升高，特別是在排放清潔缺少潤滑時，會加快氣門與座圈的磨損。因此，改進設計的氣門座圈將α減小至30°，并增加氣門與座圈密封帶的面積。由式(1)可知，改進設計方案的氣門座圈法向壓力較原方案下降16%。α減小后，氣門與座圈間相對運動趨勢下降，摩擦力將大大減小。

4.2 試驗驗證

采用相同試驗工況，對改進氣門座圈進行200 h耐久考核試驗。改進前后氣門座圈磨損量對比見圖7。由圖7可知，改進后氣門座圈磨損量較原氣門座圈下降82%以上，滿足氣門座圈的使用要求。

圖7 改進前后座圈磨損量

5 結(jié)語

通過對某柴油機開發(fā)中出現(xiàn)的氣門座圈異常磨損問題的研究，分析氣門座圈的磨損機理及磨損原因，設計氣門座圈優(yōu)化方案并進行驗證。

1)清潔燃燒導致氣門座圈與氣門之間金屬直接接觸且摩擦因數(shù)增加，再加上爆發(fā)壓力提升共同導致了氣門座圈的異常磨損。

2)減小氣門座圈錐角、增大密封面接觸面積的氣門座圈優(yōu)化方案可以有效降低氣門座圈磨損。