某重型柴油机气门失效机理研究

第一章 绪论
1.1柴油机发展现状
1.1.1柴油机发展趋势
自1897年柴油机问世至今，在一百多年的发展过程中，从20世纪20年代中期以德国BOSCH公司为代表推出的机械式喷油系统取代蓄压式供油系统，是柴油机在汽车上的应用成为可能。大量研究成果表明，柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型。现代的高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机少，作为汽车动力应用日益广泛。柴油发动机存在的主要问题就是氮氧化物和黑色的碳烟。柴油机在燃烧时的压力和温度都高于汽油机,吸入燃烧室里的空气也较多,燃烧室内剩余空气中的氧气和氮气很容易在高温、高压的条件下发生反应,而生成氮氧化物。燃烧区域中油滴周围的含氧量相对柴油汽较低,影响了柴油的充分燃烧,这将导致碳烟(燃油中未燃烧的碳)的排放,也就是颗粒物。 不过,随着柴油机技术的进步,其环保性能已大有改善。自1998年以来,新型公路用柴油机的颗粒物排放量已降低了83%,氮氧化物的排放量也已降低了63%,达到欧洲排放标准的柴油发动机已经基本消除了黑烟。这主要得益于90年代以来柴油机技术的不断创新发展,燃油供给、燃烧室设计和涡轮增压方面的改良。
　 随着科技的进步，特别是当共轨技术成功运用于柴油发动机上后，柴油发动机燃油经济性的优势立马体现出来，而冒黑烟之类的弊病也不再存在。越来越多的车辆都开始使用柴油动力，在欧洲，几乎一半的车辆都已经开始使用柴油动力。而在国内，随着大众TDI，双龙XDi等一大批先进柴油发动机的进入，也让国内的消费者们切切实实的体验到了先进柴油动力带来的驾驶感受。
近20年来，现代乘用车柴油机广泛采用了增压中冷、电控共轨燃油喷射、废气再循环、排气后处理等先进技术。在这些技术的耦合作用下，现代柴油机与20世纪90年代前的传统柴油机有了质的差别：一是现代柴油机的污染物排放大为减少，由于现代柴油机在减少污染物排放上取得的巨大进步，国际上将现代柴油机称为清洁 (cleandiesel)或绿色柴油机(green diesel)；二是现代柴油机解决了噪音、振动以及小型化的问题，使得现代柴油机动力技术不仅能够用于大型的商用车上，而且也能用于乘用车(包括轿车)上。现代柴油机技术使传统柴油机功率密度低、冒黑烟、噪声大和冷起动困难的缺点得以克服，并使节能环保的现代柴油动力乘用车作为未来乘用车发展趋势成为现实。
1.1.2配气技术概况
配气机构是柴油机两大机构之一，它的功能是按照柴油机的工作顺序和工作循环的要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新气进入气缸，废气排出气缸。随着化石燃料的枯竭和排放法规的愈趋严格。柴油机朝着高功率密度、低污染、低排放、低噪声、高可靠性方向发展，这些都给配气机构带来了新的挑战
柴油机四气门技术
气门数多有利于发动机在高转速时的进排气效率，但影响低转速的扭矩；进排气的效率是决定发动机性能好坏的重要因素。每缸四气门的设计将得到更大的气门开启面积，提高充气效率，从而产生更大的额定功率。四气门的布置是一个中央喷嘴加周围两个进气门，两个排气门。喷嘴在中央垂直位置，再加上适当的活塞凹腔。燃油就会均匀的进入燃烧室。进气道的形状和布置有助于进气并可使吸入的空气在燃烧室形成涡流，保证燃油与空气充分混合，从而使燃烧更充分，减少尾气排放。采用四气门技术，柴油机充气效率得到大大提高的同时，为功率进一步提升奠定了坚实基础。为了满足越来越严格的柴油机排放法规要求，各国生产商和研究机构都致力于将柴油机四气门技术应用到柴油机上。
发动机配气机构可控技术．是随发动机转速、负荷的变化，能够自动改变配气相位及气门升程，以提高气缸的充气量并选择合适的气门重叠角。使发动机能在较大的转速范围内获得最大的扭矩和最为经济的油耗指标的技术。目前可变气门正时与升程技术已被广泛地应用于汽车发动机产品。可以通过进气相位、排气相位的独立或联合调节，以及气门升程、正时及持续期的改变。实现排放、燃油经济性、扭
矩、功率以及怠速稳定性的优化。发动机配气机构的可控技术大致可通过柔性控制与凸轮控制两种手段予以实现。
无凸轮配气机构取消了传统驱动机构中的凸轮轴，而以液压、电磁等方式来驱动气门动作。无凸轮电液驱动配气机构在所有工况下都能连续地独立地控制气门运动，使发动机获得低排放、低能耗、高扭矩和高功率输出等特点。取消传统凸轮配气机构的无凸轮发动机是汽车发动机技术领域研究的重点之一，其配气相位的调节与优化有更大的自由度。
1.2气门失效的国内外研究
1.2.1 典型的气门失效模式及失效机理
气门是发动机配气机构中的重要的执行元件，是保证发动机具备良好的的动力性、经济性、可靠性及耐久性等关键性能指标的重要零件之一。
发动机在运行过程中气门会长期受到高温、高爆压、高频冲击载荷及有害气体的冲刷和腐蚀的作用，其工作环境十分恶劣，因而发动机在运行过一段时间后，其气门就可能会出现不同程度和不同形式的失效现象，从而影响发动机的正常工作，轻则导致发动机功率的损失，重则导致发动机报废甚至产生严重的事故。因此，研究发动机气门的失效模式及其失效机理进而对发动机气门的设计、制造、使用及维护等做出相应的优化对于提高发动机的可靠性等性能指标具有非常重要的意义的。

图1.1
经过长期的实践研究发现，气门失效模式主要有以下几种：烧蚀、气门阀体的断裂、头部径向开裂、气门盘部的掉块、气门锁夹环槽断裂、翅曲变形、气门锥面的磨损及气门 杆部的失效等。因为气门的失效模式及其机理是多方面的，且情况较为复杂，这里不能逐一叙述，现就几种典型的气门失效模式故障进行探讨。
① 气门盘部的掉块
如上图所示是气门盘部烧蚀和掉快的失效现象，显然，气门的锥面是与气门座圈接触的，在正常条件下，气门的硬度和强度都是较强的，一般的冲击作用不会导致这样的失效，因此，我们推断产生这样的失效现象必定是在高温和强冲击力的综合作用下造成的。
经试验发现，气门在工作过程中所受到的热量，约有75％通过气门盘部与座圈的接触而传导出去，其余约25％的热量则通过杆部与导管接触而散走，因此，气门盘部所受到的高温的侵蚀作用是最严重的，如果气门锥面与气门座圈在某一点接触，则盘部部分无法通过阀座散热而会导致气门的温度急剧升高，时间一长就会使气门盘部熔化，另外再加上气门锥面与座圈密封不良，高温燃气从此冲刷而导致盘部部分烧熔而产生上图1.3所示的月牙形的烧蚀或者掉块。
② 气门阀体断裂

根据经验，产生这种严重的气门失效现象很可能是由于发动机过载诱发的气门疲劳破坏而造成的，因为发动机的过载运行一般会加剧发动机的温度的大幅提升，当气门的实际工作温度高于设计时的发动机气门上限工作温度时，就会造成气门疲劳强度的下降，腐蚀燃气产生及活化，特别是当气门工作温度较高的地方超过允许上限时，气门材料的内部组织就会发生变化，例如马氏体材料的局部退火金相组织转变，导致气门硬度和强度下降；而奥氏体材料，其正常组织是奥氏体加均匀分布的颗粒状化结构，这种材料塑性比较好，当温度升高，晶体组织发生质的变化时，如奥氏体基体上出现比较多的层状析出物，或是析出并聚集长大成带尖角与锋棱且相当部分沿奥氏体晶界分布的粗片碳化物，它将会把塑性好的基体分割开来，并产生大量的这种组织并且潜在基体的微裂纹萌生处，从而使气门的应力疲劳强度减小，最终导致气门颈部的早期疲劳断裂。
③ 气门锥面及气门座合面的磨损

如上图所示，是气门盘部锥面和座合面的烧蚀和磨损的失效现象，经过分析我们发现，座合面密封不良导致漏气是引起气门锥面烧熔烧伤的直接原因。此外，与上面提到的发动机过热或者气门导热不良而引起的气门变形，或者更换气门时与气门座圈的配合不良，装配时预留的气门间隙过小，气门弹簧使用时间太长导致弹力不足，过多的积碳使气门无法与气门座圈闭合，造成座合面的密封不良。
如果气门导管与气门杆的间隙过大，除了会造成气门在导管的运动过程中产生摆动，造成气门导管间隙内积碳，进而使得杆部的产生异常磨损外，还会导致气门落座不正，气门盘部受力不均匀，从而导致气门漏气，高温高压气体长期冲刷气门锥面。
④ 气门杆部失效

如上图1所示是气门杆部严重磨损和扭曲断裂的失效现象，导致这种失效现象的原因有很多，例如在气门安装时，如果锁夹类型不匹配、安装不到位或者受到强烈地震动冲击等，都会造成锁夹的脱落或失效，气门将掉入缸内被活塞顶弯，其表现形式为气门锁夹槽部位完好，而气门杆部弯曲；除此之外，如果锁夹的内凸筋若与气门锁夹槽形不匹配，将会啮伤锁夹槽；或者是摇臂与气门接触位置不正确，气门杆端将会受到较大的侧向推力从而造成气门锁夹槽部的断裂，其表现形式为锁夹槽部明显的咬啮伤痕或是气门杆端面出现明显的受到侧向推力的磨痕。气门与气门导管不同心或与座圈不同心，轻则造成气门杆部弯曲，重则造成气门颈部的断裂，如图2所示。由以上几点典型的分析我们可以发现，气门失效是一种高温诱导失效，在力学、材料、工艺、环境等因素的综合作用下，呈现出的不同的失效形式。因此，只有认真深入地分析气门失效的机理，做到最优设计、最精制造、最佳装配，并提出良好的维护保养方案，才能有效地降低发动机气门失效的现象发生率，才能使发动机免于遭受更大的损害！
1.2.2气门失效研究现状
关于气门失效的现象及机理，国内外都做过长时间的大量细致的统计和分析，以下就是以往的一些主要的研究内容和研究方法的介绍。
研究表明，当发动机正常工作时，其排气门的工作温度范围可以达到600～900℃，通过采用动态磨损强化模拟试验的方法探讨温度对排气门磨损的影响，对排气门锥面采用Stellite6合金焊层的气门进行了单因素控制的强化磨损模拟试验。其中，用CrMo合金铸铁作为排气门座材料，在载荷为1000～2500N(施加于气门与气门座接触锥面上)，冲击频率为850次／min，温度为100℃～800℃范围内，探讨了温度对排气门耐磨性的影响，并采用微观分析方法进行了研究。众所周知，气门材料的硬度值随温度升高而逐渐降低、气门材料的屈服极限值也随温度升高而降低，这表明，在低、高温区内温度变化对气门耐磨性的影响较中温区敏感；高温对金属蠕变的影响较大，当气门在650″C左右工作时，材料被软化，在载荷作用下，弹塑性变形区内易产生金属滑移，气门在800℃左右工作时，除使材料变形区内金属滑移加快外，还产生金属蠕变滑动，加速摩擦表面的磨损。当温度超过650X3后，随着温度的升高，2卜4N钢抗蠕变能力降低并明显的使会属在交变应力下的蠕变到滑动过程加快，磨损加剧；气门受交交循环冲击载荷，锥面产生弹、塑性变形和疲劳点蚀磨损，随温度升高，塑性变形滑移加快，材料层间膨胀与收缩的差异增大，促进疲劳裂纹的增生与扩张。他们采用高温空气介质下的冲击磨损试验，以21-4N钢作为气门试样材料，分别以高铬铸铁、铬钼铜铸铁及铁基粉末冶金材料为气门座材料，进行了冲击接触磨损试验。研究结论指出：排气门与排气门座的主要失效机理是在高温与废气环境介质下的冲击磨损。
目前，对气门失效所采用的研究方法有实车现场取样分析和实验室模拟试验两种。其中，采用传统的实车现场取样分析，要耗费大量的时间，也要耗费大量的人力、物力和财力。现在，由于计算机技术的飞速发展，已经可以用计算机来仿真和模拟，可以有效地降低实验分析的成本，缩短开发周期。有限元的发展，特别是大型有限元分析软件的出现，对我们对气门的设计和研究产生了很大的影响，国内外很多制造单位都选择采用有限元分析软件进行设计、模拟和分析，它将取代大部分试验而成为重要的研究手段。
然而，现在对气门的研究主要集中在正常工况下的强度、寿命性能等方面，但是对气门产生工作失效后的研究并不够深入，因此我就本人在工作中遇到的某重型柴油机的气门失效进行分析和研究，并对相应的失效形式提出有效地改进方案。
1.3本文主要内容
本文以某六缸重型柴油机气门为研究对象，该型柴油机在使用过程中出现了气门盘部开裂掉块的失效模式。本文针对其进排气门故障件进行外观和金相组织观察后，分析了可能产生该模式的原因，包括落座速度的大小，气门应力的计算以及温度场的分布，并且给出了相应的改进方案。

2 配气机构工作原理及气门的结构
2.1 发动机配气机构的工作原理
发动机的配气机构应使发动机在各种工况下工作时都能够获得最合适的进气量，从而保证发动机在各种工况下工作时具有最佳的性能。当发动机在最大载荷下工作时，需要输出最大的功率和扭矩，则要求在此种工况下，配气机构必须保证发动机获得最大的进气充量。新鲜空气或可燃混合气被吸进汽缸的质量越多，发动机发出的功率就越大。新鲜空气或可燃混合气充满汽缸的程度，可以用充气效率来表示。所谓的充气效率就是在进气行程中，实际进入汽缸内的新鲜气体质量与在进气状态下充满汽缸工作容积的新鲜气体质量之比。充气效率高越高，进入汽缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量就会越多，可燃混合气燃烧时可放出的热量越大，发动机发出的功率也越大。对于工作容积一定的发动机而言，充气效率的大小与进气终了时汽缸内的压力和温度有关。此时如果压力愈高，温度愈低，则一定容积的气体质量就愈大，因而充气效率愈高。
但是，由于进气系统对气流的阻力造成了进气终了时缸内气体压力降低，此外由于上一个冲程中残留在气缸内的高温废气，以及燃烧室、活塞顶、气门等高温零件对进入汽缸的新气的加热作用，导致进气终了时气体的温度升高，因此实际充入汽缸的新鲜混合气体的质量总是小于在进气状态下充满汽缸工作容积的新鲜气体的质量。所以，发动机的充气效率总是小于1的，一般为0.80—0.90。
影响发动机充气效率的因素很多，所以提高充气效率可以从多方面入手。就配气机构而言，主要是要求其结构有利于减小进气和排气的阻力，而且进、排气门的开启时刻和持续开启的时间比较适当使吸气和排气都尽可能充分。