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顾善愚1 张宏飞1 王 健2 李建平2 纪 波2 (东风汽车有限公司商用车技术中心1 东风汽车有限公司工艺研究所2) 【摘要】本文研究了单一CNG发动机气门与阀座的摩擦匹配，提出了结构和材料的改善方案，为单一CNG发动机产业化提供依据和参考。 关键词： CNG发动机 气门 阀座 匹配 Researches on valve seats and valves of CNG engine Wang Jian Li Jianping Ji Bo (Dong Feng Motor LTD Manufacture Technology Institute) Gu Shanyu Zhang Hongfei (Dong Feng Motor LTD Commercial Vehicle Technical Center) Abstract: Researches on valve seats and valves of CNG engine are discussed in this article.The autors give some methods to improve it. Key Words: CNG engine valves valve seats matching 1．前言 汽车排放废气对环境污染日趋严重，因此寻求应用低污染的洁净燃料越来越重要，天然气作为一种洁净燃料已逐步获得应用。我国天然气资源丰富，推广应用已成必然趋势。然而，国内外的天然气发动机应用实践表明，发动机油改气后，气门—阀座这对摩擦付的工作条件急剧恶化，处于干摩擦状态，易严重磨损失效。因此开发高使用性能并与气门具有良好摩擦匹配性的阀座材料，是天然气发动机能否成功推广应用的关键技术之一。 2．气门和阀座的工作环境 实现气门与阀座的合理匹配，是一个系统问题，必需整体考虑。通常阀座的失效机制主要为粘着磨损、磨粒磨损、次表层接触疲劳开裂及氧化腐蚀等，磨损的内在影响因数有抗滑动磨损能力、塑性变形能力、热硬度、抗氧化性及热导率等。气门磨损的主要因素有：工作温度、接触区面积、锥面角度、发动机的压缩负荷、气门落座速度及气门头部结构设计（包括重量和厚度）等。由此可见，气门和阀座的磨损较为复杂，尤其对于天然气发动机而言，由于在燃烧过程中不像汽油机产生如铅化合物那样的润滑物质，其摩擦完全处于干摩擦状态，并且压缩比较高，工作温度达800℃以上，同时在天然气中还含有腐蚀成份，如S、V2O5等。 因此，对于天然气发动机而言，为满足使用性能，必需寻求开发综合性能良好的高性能阀座材料。 3．阀座材料选择主要考虑的因素 对于天然气发动机，由于CNG属干燃料，本身没有润滑性，其燃烧产物也无润滑性，这使得气阀与阀座之间接触面没有润滑而引起两者表面摩擦力加大，从而导致气阀和阀座接触面的剪切应变加大。如果两者材料的抗塑性变形能力差，则在高温高压下气阀落座时，因与阀座表面产生相对滑移而会出现起皱现象。当气阀与阀座面接触时，起皱的凸起部位上接触面积小，产生更大压力或应力，当起皱部位的应力超过材料的强度时就会引起粘着磨损和磨粒磨损。因此对于干燃料发动机而言，阀座材料选择应从以下几方面考虑： （1） 耐磨性：要能抵抗各种形式的磨耗，尤其是抗塑性变形能力； （2） 高温下材料的稳定性：当发动机在高温下工作，阀座可能发生物理和冶金性质 的改变。如果阀座尺寸改变将引起压缩燃料气体的漏出而降低发动机功率，或因压力产生裂纹或松动等严重破坏。若金相组织改变，则可能导致材料软化，使得磨损大幅增加或屈服强度降低及产生掉落现象。故阀座材料须能维持高温工作时的稳定性，方能提供稳定的输出马力。 （3）抗腐蚀性：抵抗高温废气腐蚀是阀座需具备的另一性质，随着不同燃料的使用，许多合金元素无法使用于某些燃料。腐蚀磨损是由于炽热排气对阀座面的冲击和腐蚀的结果。由于高温排气对阀座面的腐蚀冲击，使材料的疲劳强度降低，最初阀头周边发生径向裂纹，然后由于腐蚀的加剧而形成沟槽、缺口。对受腐蚀损坏的气阀检测结果表明，氧化作用和硫化作用是座面腐蚀的原因。 （4）减摩性：如果使阀座材料本身具有减摩特性，从而减小气阀与阀座之间的摩擦力，剪切力也随之降低。 4．影响磨损的设计因素 座面角度：座面角度的减小可降低作用在气阀和气阀座圈座面上的负荷，从而减小气阀对座圈的滑动距离。当重载柴油机变型为天然气发动机时，将座面角度减小，这是降低磨损的一种经济而有效的方法。但作这样的更改，还应考虑对气流流动和排放的影响。 阀座面带宽：较宽的座面带宽可以降低座面上的每单位面积的负荷，从而有利于提高气阀和座圈的使用寿命。 5．阀座材料设计 从以上分析可看出，天然气发动机的工况更加恶劣，材料设计除了考虑热硬度、抗磨性和抗塑性变形外，还应重点考虑自润滑性。设计主要从以下几方面考虑： 1）采用固溶强化元素和碳化物形成元素，如：Cr、Ni、Mo、W、Co等； 2）基体强化，其化学成份以Fe+1%C为基体，单独或复合添加一定量的Cu、Cr、Ni、Co等； 3）添加适量的硬质颗粒，使其弥散分布在强化型的基体中，并成球形或多角形，如Cr-Mo-W、Cr-Mo-Co-Ni、Fe-Mo和Fe-Cr-C等，主要提高材料的耐磨性； 4）熔浸铜15~25%，提高材料的强度、抗氧化性、导热性和减摩性； 5）添加固体高温润滑剂，使其具备自润滑性，如CaF2、低熔点含铅玻璃等。 所开发的阀座材料类型见表1。 表1 阀座材料类型 材料 | 化学成份 | 润滑相 | 渗Cu量 | 硬质颗粒加入量 | 基体成份 | 硬质颗粒 | 密度 | 硬度 | A | Fe-Cr--Ni | Fe-Cr-C | 7.7-7.8 | HRC40-45 | 含铅玻璃 | 15-25% | 5-15% | B | Fe-Co | Cr-W-Co | 7.8-8.0 | HRC38-45 | 含铅玻璃+氟化钙 | C | Fe-Co-Ni | Cr-Mo-Co Fe-Mo | 7.6-7.8 | HRC45-52 | 氟化钙 | D | Fe-Co-Mo | Fe-Mo | 7.5-7.7 | HRC40-45 | 含铅玻璃 | E | 钛铝合金 | - | 4.2 | - | - | - | - |
7 工艺试验 将各种原料粉按配比在混料机中混合均匀后进行压制，密度控制在6.6-6.9g/cm3，在真空炉或分解氨气氛炉中于1150-1200℃下进行烧结，然后在1100℃左右熔浸铜。为了进一步提高材料的力学性能，在850-970℃下进行热处理，经两次回火，再进行深冷处理，调整组织。钛铝合金阀座用特殊工艺制作。 7 气门材料选择及结构改进 气门类型及材料见表2 表2 气门材料及主要参数 编号 | 气门材料 | 锥面角度 | 锥面堆焊材料 | 1 | 进气门 4Cr9Si2 排气门 23-8N/4Cr9Si2 | 200 | Stellite6 | 2 | 进气门 4Cr9Si2 排气门 23-8N/4Cr9Si2 | 300 | Stellite6 | 3 | 进气门 4Cr9Si2 排气门 23-8N/4Cr9Si2 | 300 | StelliteF | 4 | 进气门 4Cr9Si2 排气门 23-8N/4Cr9Si2 | 300 | 未堆焊 |
锥面角度的减小可降低作用在气阀和气阀座圈座面上的负荷，从而减小气阀对座圈的滑动距离。当重载柴油机变型为天然气发动机时，将座面角度减小，可提高材料的抗塑性流动能力。采用了锥面角度30°进行了试验。 阀座面带宽由原来的1.5mm改为2.0-2.3mm，较宽的座面可以降低座面上的每单位面积的负荷，从而有利于提高气阀和座圈的使用寿命。 9 模拟台架试验 研制的阀座材料性能如何，需通过台架试验来考核。由于在材料筛选过程中如果通过发动机台试来考核，其费用昂贵，周期太长，不利于材料开发。因此需通过模拟台试来进行评价。 我们与武汉理工大学联合开发研制了一台气门-阀座磨损模拟试验机，其工况接近于实际发动机的工况条件。该机的主要功能为： 1） 快速评价阀座和气门的耐磨性； 2） 评价气门-阀座这对摩擦副的匹配性； 3） 材料寿命试验； 4） 气门与阀座的磨损机理研究。 该机在试验时直接应用发动机气门、阀座成品零件及相关的凸轮挺杆进行磨损试验,试验中各因素（加热、加载、转速、冲击次数）独立可控。其试验方法及数据不仅可有效地评价气阀-阀座这对摩擦付的摩擦力学性能,而且可在较短的试验周期内对气门及阀座进行匹配性选材试验。 针对上述阀座及气门材料有选择地进行了试验。试验材料选择及试验条件如下： 气门：21-4N锥面堆焊Stellite6，锥角30°ْ 试验条件： 工作频率： 1450次/min 预紧力： 1000N 动加载力： 4000N 温度：500℃、800℃（石油液化气加热） 试验时间 50hr/每个样（相当于冲击5X870000次） 气门旋转 3-5转/min（估计） 试验前后分别检测气门下沉量及阀座带宽，于8个不同点进行测量。试验结果见表3。 表3：气阀下沉量及阀座带宽变化(平均值) 单位：μm 阀 座 | 气阀下沉量 | 阀座带宽变化 | A | 86 | 100 | B | 100 | 190 | C | 69 | 65 | D | 66 | 60 | 钛铝合金 | 30 | 20 |
从上表试验结果数据看出，钛铝合金阀座最耐磨，与气阀的匹配性也很好，气阀磨损相对很小，C和D综合性能相对于铸造材料来说，性能有了很大提高最好，气阀和阀座磨损均较小，A综合性能次之，B性能相对较差。 10 1000小时全速全负荷台架试验 气门及阀座优化后的单一CNG发动机在南充进行全速、全负荷1000小时可靠试验后，对气阀下沉量和气阀密封带宽度的变化进行了测量。测量结果见表4和表5。 表4：气阀下沉量 单位：mm | 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 进气阀 | 试验前 | 1.372 | 1.390 | 1.340 | 1.364 | 1.306 | 1.278 | 试验后 | 1.694 | 1.522 | 1.342 | 1.390 | 1.430 | 1.386 | 下沉量 | 0.322 | 0.132 | 0.002 | 0.026 | 0.124 | 0.108 | 排气阀 | 试验前 | 1.140 | 1.050 | 1.234 | 1.140 | 1.072 | 1.214 | 试验后 | 1.604 | 1.250 | 1.524 | 1.584 | 1.704 | 1.440 | 下沉量 | 0.464 | 0.200 | 0.29 | 0.444 | 0.632 | 0.226 |
表5：气阀密封带宽度变化量 单位：mm | 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 进气阀 | 试验前 | 1.96 | 1.70 | 2.00 | 1.66 | 1.80 | 1.66 | 试验后 | 2.20 | 2.00 | 2.34 | 2.20 | 2.30 | 2.50 | 变化量 | 0.24 | 0.30 | 0.34 | 0.54 | 0.50 | 0.84 | 排气阀 | 试验前 | 1.78 | 1.68 | 1.86 | 1.60 | 1.50 | 1.50 | 试验后 | 2.60 | 2.64 | 2.64 | 2.68 | 2.70 | 2.80 | 变化量 | 0.82 | 0.96 | 0.78 | 1.08 | 1.20 | 1.30 |
由以上结果可知，在气阀和阀座的材料及结构优化匹配后，它们之间的摩擦磨损大大改善，能够满足发动机产业化的要求。 11 结论 在以上工作的基础上，可以得出以下结论： 1）通过深入、细致研究可以解决单一CNG发动机气阀和阀座磨损较大的问题； 2）结构及材料必须同时优化才能解决这一难题； 3）模拟台架试验提供了快捷、有效的手段； 4）最终的结论须由发动机台架试验验证。 | 
