楊新橋，張 智

（武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430063）

隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高，構(gòu)成燃燒室的關(guān)鍵零件——活塞以及氣缸套的溫度和溫度梯度大幅度提高，從而產(chǎn)生較大的熱變形和熱應(yīng)力。如何有效地解決柴油機(jī)的熱負(fù)荷問(wèn)題，提高內(nèi)燃機(jī)受熱零件的可靠性以及使用壽命就變得日益迫切。

內(nèi)燃機(jī)受熱零部件的溫度測(cè)量方法有好幾種，本文采用硬度塞法以及熱電偶法來(lái)測(cè)量2135G柴油機(jī)受熱零部件的溫度。用熱電偶測(cè)量時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套上部布置熱電偶，通過(guò)引線貫穿機(jī)體直接連接數(shù)字萬(wàn)用表，測(cè)量氣缸套布置點(diǎn)的溫度。

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作

1.1 測(cè)溫硬度塞的加工制作

硬度塞材料必須有良好的淬透性，材料的金相顯微組織和化學(xué)成份必須均勻；材料淬火后的硬度要高，一般Rc≥65，同時(shí)淬火后硬度要長(zhǎng)期保持均勻和穩(wěn)定；材料的回火溫度和硬度變化最好成直線關(guān)系或近似線性關(guān)系，同時(shí)要求材料在同一回火溫度值十分穩(wěn)定；通過(guò)各種材料進(jìn)行的分析對(duì)比，選GCr15作為硬度塞材料。

為使用方便，硬度塞按標(biāo)準(zhǔn)件平端緊定螺釘（GB73-66）進(jìn)行加工，使用證明，尺寸選用M3×0.5×4是合適的。螺釘?shù)募庸すに囀菍ⅵ?的GCr15鋼絲拉成標(biāo)準(zhǔn)直徑φ＝2.63±0.01mm，螺紋用搓絲板搓成。

硬度塞的淬火處理在自備的氣體保護(hù)電爐中進(jìn)行，淬火溫度選用840±5℃。在爐中840℃下保溫30min。并且在氣體保護(hù)的情況（防止氧化脫碳）迅速投入在溫度為50℃的機(jī)油中冷卻，油冷后再取出空冷。對(duì)淬火后的硬度塞均進(jìn)行檢查，維氏硬度值均在945～980范圍內(nèi)（滿足RC≥65的要求），測(cè)溫精度為±5℃。

1.2 HV-T標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

當(dāng)回火溫度低于100℃時(shí)，材料硬度變化極小，難以測(cè)準(zhǔn)。同時(shí)活塞各點(diǎn)溫度均高于100℃，故可避開(kāi)這一低溫區(qū)域?；鼗鹪囼?yàn)從100℃開(kāi)始，每隔50℃一次，一直到650℃。

回火時(shí)，每次將5只硬度塞放在鋼絲籃里，掛在油浴爐或鹽浴爐的回火爐里，進(jìn)行恒溫回火。取出后將其端面拋光，用光學(xué)維氏硬度計(jì)打出各組硬度塞的硬度，并求其平均值，標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖1。

圖1 HV-T標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

1.3 硬度塞的安裝及使用注意事項(xiàng)

1）用φ2.5mm鉆頭鉆孔，孔深5.0～5.5mm，將絲錐的錐尖磨平，盡量使螺孔的底平整，防止存在氣囊而產(chǎn)生測(cè)量誤差；

2）為消除傳熱中因螺紋間隙造成的誤差，要求硬度塞較好地與螺孔相配，為此均采用攻絲錐攻孔；

3）硬度塞擰入測(cè)點(diǎn)孔后，要求硬度塞頂平面與被測(cè)平面相平齊。被測(cè)件是鋼件時(shí)，由于熱膨脹系數(shù)基本一致，硬度塞不會(huì)飛掉。而被測(cè)件是鋁合金件時(shí)，硬度塞就應(yīng)被鉚一下，防止運(yùn)行時(shí)脫落。切忌鉚得太緊，防止以后硬度塞取不出來(lái)。

4）在停車后不久就應(yīng)取出硬度塞。因?yàn)樵囼?yàn)件還處于熱態(tài)，這時(shí)硬度塞還未被結(jié)膠粘牢。

5）用專用夾具將硬度塞端面拋光，用同一臺(tái)硬度計(jì)，同一人測(cè)量出所有硬度，盡量減少測(cè)讀誤差。

6）一定要從低負(fù)荷向上開(kāi)車，到達(dá)預(yù)定工況后穩(wěn)定運(yùn)行到計(jì)定時(shí)間（15min），然后停車?yán)鋮s，再取出硬度塞。

7）為防止硬度塞端面在高溫燃?xì)獾臍夥障卵趸撎?，安裝前將硬度塞用H2SO4清洗，而后用NaOH中和，再用蒸餾水清洗，最后將硬度塞投放到CuSO4溶液中浸泡10min。

1.4 熱電偶溫度測(cè)量

利用熱電偶法測(cè)溫的原理是，各種金屬材料具有不同的熱電特性，兩種不同的金屬材料在同一節(jié)點(diǎn)溫度下將產(chǎn)生熱電勢(shì)差，通過(guò)各節(jié)點(diǎn)的熱電勢(shì)差求得溫度。熱電偶法測(cè)量的關(guān)鍵是，熱接點(diǎn)的形成技術(shù)和熱電偶導(dǎo)線的引出與電量的輸出。在熱接點(diǎn)形成之后，需要小心地將電偶導(dǎo)線絕緣、固定和引出。在固定和引出熱電偶導(dǎo)線時(shí)，根據(jù)所測(cè)部位的溫度范圍，選擇適當(dāng)?shù)慕^緣粘結(jié)劑。引出熱電偶導(dǎo)線的孔徑應(yīng)盡量小，并用絕緣材料填實(shí)，以防止改變熱流，影響測(cè)量精度。

該試驗(yàn)熱電偶選取鎧裝式熱電偶，鎧裝式熱電偶具有細(xì)長(zhǎng)、容易彎曲、熱響應(yīng)時(shí)間快、耐振動(dòng)、耐溫、抗壓和堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。它可用作直接測(cè)量，也可以作為裝配式熱電偶的內(nèi)芯元件，以取代傳統(tǒng)的瓷珠串套式元件。尤其適宜安裝在管道之間狹窄、彎曲和要求快速反應(yīng)，微型化和特殊測(cè)溫場(chǎng)合。鎧裝熱電偶通常由鎧裝偶元件、安裝固定裝置和接線裝置等主要部件組成。鎧裝式熱電偶具有測(cè)量精度高、反應(yīng)靈敏、熱響應(yīng)速度快（最快達(dá)0.5s）、不銹鋼外套和一次性拉撥成形等優(yōu)點(diǎn)。該熱電偶耐腐蝕，使用壽命長(zhǎng)，管徑細(xì)有韌性，易彎曲，耐震動(dòng)，能在狹窄、曲折位置安裝。作為裝配式熱電偶的測(cè)量元件使用時(shí)，能起到更換快捷，雙層保護(hù)作用。

1.5 測(cè)點(diǎn)布置分布圖

通過(guò)對(duì)2135柴油機(jī)的調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)以及測(cè)量，在第一缸活塞頂部、第一活塞環(huán)以及活塞裙部進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)量1～13，見(jiàn)圖2。在缸套頂部布置熱電偶A、B，見(jiàn)圖3。

圖2 活塞上硬度塞布置圖

圖3 缸套熱電偶布置圖

2 2135G柴油機(jī)溫度測(cè)量試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 活塞及缸套溫度測(cè)量

溫度測(cè)量所選用機(jī)型為2135G；標(biāo)定轉(zhuǎn)速1 500r／min；標(biāo) 定 功 率 29.4kW；缸 徑 行 程135mm×140mm；排量4L；形式為2缸、4沖程、直噴式、水冷。

測(cè)量步驟如下：

1）在100% 額定功率額定運(yùn)轉(zhuǎn)情況下對(duì)活塞的溫度進(jìn)行測(cè)量，首先對(duì)柴油機(jī)2135活塞的溫度場(chǎng)進(jìn)行全方位的測(cè)量，在活塞的第1缸上下左右布滿11個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)，在100%額定功率下穩(wěn)定運(yùn)行30min，進(jìn)水溫度為53℃，出水溫度約58℃左右；排氣溫度約462℃。實(shí)驗(yàn)完畢后，拆下活塞，取出硬度塞，打硬度，對(duì)比硬度曲線，得到測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 活塞溫度測(cè)試數(shù)值

2）在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，分5個(gè)工況測(cè)試壁面的溫度。布置在缸套上有2個(gè)熱電偶，分別測(cè)試負(fù)荷特性下壁面溫度值，每個(gè)工況需要柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行5分鐘后開(kāi)始測(cè)量，每次測(cè)量三組數(shù)值，最后取平均值。

2.2 柴油機(jī)溫度測(cè)量結(jié)果分析

1）缸套測(cè)量溫度結(jié)果見(jiàn)圖4，A比B點(diǎn)高大約20℃，缸套溫度梯度較大，這與測(cè)試點(diǎn)有關(guān)，A點(diǎn)距離排氣門很近，受熱后溫度偏高，B點(diǎn)距進(jìn)氣門較近，并且B點(diǎn)距離燃燒室較遠(yuǎn)，A、B兩點(diǎn)的溫度值不是很高，隨著負(fù)荷的增加，溫度變化很大，但是仍在缸套材料允許范圍內(nèi)。

圖4 缸套溫度測(cè)試數(shù)值圖

2）活塞的溫度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1，為了減少測(cè)量誤差，活塞分兩次測(cè)量，比較兩次測(cè)量結(jié)果，差別不是很大變化，活塞的最高溫度接近300℃。在活塞上表面與燃燒室表面溫度比較大，而在活塞表面接近排氣門溫度比進(jìn)氣門溫度又存在較大的溫差，第一道氣環(huán)溫度比較高，承受比較大的熱負(fù)荷，裙部溫度較低，活塞總體受熱比較均勻。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2135G柴油機(jī)活塞及缸套局部壁面的溫度測(cè)量，了解活塞以及缸套熱負(fù)荷狀態(tài)，同時(shí)得到了額定轉(zhuǎn)速、額定功率下活塞的相關(guān)點(diǎn)溫度，活塞表面的溫度值沒(méi)有超過(guò)材料允許范圍。在標(biāo)定轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷情況下，缸套頂部溫度（直接接觸燃燒室部位）測(cè)試溫度顯示正常。說(shuō)明該機(jī)型還有很大的工作提升能力，同時(shí)，溫度測(cè)量結(jié)果也為下一步的溫度場(chǎng)數(shù)值仿真奠定基礎(chǔ)。

［1］錢作勤，楊新橋，周祥軍.YC6108柴油機(jī)活塞溫度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2004，28（6），814-816.

［2］過(guò)文卿.G6135受熱負(fù)荷零件的溫度場(chǎng)測(cè)試研究［J］.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2001，96（3）：44-47.

［3］張敬國(guó).船舶柴油機(jī)氣缸套溫度測(cè)試研究［J］.武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，22（3）：266-271.

［4］葉曉明.柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究及三維有限元分析［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，30（3）：46-48.