压缩天然气发动机用气门和气门座圈的开发

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1、国外内燃机2016年第6期零部件压缩天然气发动机用气门和气门座圈的开发【印度】J．ShrivasG．KhairnarS．PandeY．HussainiA．Chaudhari摘要：气门座圈和气门对内燃机的性能、排放和可靠性起着重要作用。这些零件失效会导致内燃机性能恶化。由于压缩天然气(CNG)发动机的燃烧环境干燥，工作温度较高，会对气门座圈和气f1的寿命产生不利的影响。(~reavescotton公司开发了1台由柴油机改制的单缸水冷气道喷射CNG发动机。开发中遇到的主要挑战是气门座圈和气门的磨损。为了避免故障．在座圈材料适应性、座面锥角、座

2、面宽度、气门头部刚度、座圈与气门的同轴度和气门落座速度几方面进行了设计改进。通过修改设计成功地解决了气门和气门座圈的磨损问题，并通过发动机台架试验和车辆试验得到了验证。关键词：内燃机压缩天然气气门座圈气门磨损0前言运输业}_j前产生的j能耗相关的(、()!排放量约占23。根据能源科技透视2O1O(ETI2O1O)基本状况(IEA．2O10a)报道．到2050年．与运输业相关的()：排放量将超过以前的2倍。天然气车辆((V)和加气站的数量在过去卜年里强劲增长，并会继续保持这一念势．如果轻型乍辆用缩天然气(CNG)替代汽jf{1运行．从油田到

3、车轮整个过程的角度来判断C()：的排放量平均能降低2。然而。以CNG替代柴油汽油作为燃料时，气门于燃烧温度和压力较高儿燃烧环境燥，冈而会阐1气¨座幽和气¨的布置发动机耐久性方而ffJ现一些技术问题。为此。研究人员川l台}fJ柴油机开发而成的压缩天然气表l气门座圈和气门材料的组合发动机对此进行了研究。新开发的【、NG发动机零件材料功率为l3．5hp，原有柴油机的功率为11．0hp。气门鏖网IIJMV33而且CN(发动机也采用闭环系统(基本ECU系气门蚁金属(EN52—21一IN统)，试保持在理想化学配比下运行，以产生较高的燃烧热量。采川以』

4、二材料组合的发动机存额定功率下进行鉴于f述CNG发动机的T作条件，重点关注了了运转。拆机后，观察了导致气¨晦面凹陷的进、排气门和气门座圈磨损问题(图1)．分析了磨损现象，气门和座圈的磨损情况。从材料、座锥角、座衙宽度、气门头部刚度、同轴度这种磨损的根本原因是rh于燃烧温度升高时材和气¨刚度等方面进行’设计‘改进。料热硬度降低的缘故。此外，陔发动机被设汁成在高缩比情况下专门燃烧用的CNG燃料。1磨损分析和解决方案m于燃烧时的高温对排气门的不利影响更大，1．1气门座圈和气门一材料的适应性【大l此，决定对排气¨的温度进行评fI。将柴汕机改成原N

5、(发动机时，起初该N(借助于能测量温度的SUH3材料制成的气门测发动机采用了以下的材料组合(表1)。定_，气¨的温度分布}ffI线(图2)。试验表明，排气门①为了符合昧嚣‘本意．本文仍沿ttJ原著巾的非法定单位编注2016年第6期国外内燃机的温度大约在一680℃。气门顶部g边鲁牺匣侧气门甓下缘一网2排气门温度分布曲线解决该问题的措施是选用能保持良好热硬度的材料(表2)。试验选用的钻基钨铬钴合金一12具有良好的热硬度保持能力和便于制造的町焊接性。表2改进后的座圈和气门材料组合零件材料气门座圈钨铬钻合金一12气fJ杆身ff身21一l—．气¨头

6、部头部一EN52．阀座一钨铬铺合金12覆层1．2座面锥角座而锥角对气门座圈的磨损有重要影响。原本没训‘的锥角为45。。如果锥角较大，则座圈与气门之间的密封力(楔固作用力)较大，还会加剧座圈的磨损。为了将磨损降至最低．将陔锥角减为3O。。在减少该锥角的同时，必须保证足够的密封力，以减少气门座面上的积炭和避免产q二力漏失。密封压力与锥角成正比。F—PA“(cosa)(1)式(1)中：F为密封压力；P为燃烧压力；A为气门面面积；“为座面面积；a为座面锥角。1．3气门座圈的座面宽度同座面锥角一样，座面宽度在减小接触压力方面也具有重要作用。进排气门

7、的座面宽度范围原先为1．O～1．4mm之间，现将进气门的座面宽度增加到了1．6～1．8mm，排气门的座面宽度增加到了1．8～2．0mm，通过将座圈厚度从2．5mm增加到3．0mm，并通过取消座圈内径处的10。的导向角来实现。由于座面锥角和座面宽度的改变，进气门接触力减小了24。排气门接触力减小了64。接触压力减小的情况和CAE计算结果见图3～6。国外内燃机2016年第6期1．4气门头部刚度气门座圈和气门座而的磨损和座圈与气门庸接合而l的法向负荷和总滑移的乘积成正比。气¨头部的气体负荷被传递刮接触面积较小的座l．s它就成为座而压力或法向力。

8、假设以“C”、“I)”代表座圈，以“A”、“B”代表气¨I面的接触点。以“E”代登表气体负荷点。在气体负衙竹：用下．气门头部会产薹。一4设计O2卞翘曲变形．使“A”点}_j座“”的接触点实际移