郭强
天津雷沃斗山发动机有限公司 天津市 300402
摘要：随着排放升级和柴油机强化程度的提高，气门座圈的工作环境更加严酷，更加清洁的燃烧导致座圈与气门之间的润滑下降，更高的爆发压力和燃烧温度使气门座圈承受的机械应力与热应力大大提高。因此，气门座圈的材料不仅要导热性良好与耐热耐磨，而且设计时需考虑与进排气门摩擦副的匹配，减少摩擦副的异常磨损，若气门与座圈磨损过大，将使气门间隙变小，严重时可能导致气门无法形成有效密封，缸内高温燃烧后泄漏，导致排放超标、动力性下降、后处理堵塞等故障发生。
关键词：气门座圈;异常磨损;设计改进
引言
气门座圈磨损一直是各主机厂在发动机开发过程中重点研究对象，但人们往往更加关注气门座圈与气门的材料选择上，进行了多种座圈材料和气门材料的匹配磨损试验来分析其材料特性，而忽视了气门座圈本身的尺寸设计和加工误差对气门座圈的磨损机理。
1磨损机理分析
常见气门座圈磨损包括黏结磨损、疲劳磨损、磨粒磨损，也有剪切变形和氧化磨损等综合磨损。黏结磨损是指在滑动摩擦时，气门和气门座圈的局部接触面发生金属黏着，在随后的气门运动过程中黏着处损坏，金属碎屑颗粒从零件表面被剥离下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。气门运动时，这种磨损不断重复，掉落的碎屑颗粒不断对2个零件的接触面进行磨削，从而发生磨粒磨损。研究磨损首先应对座圈磨损的机理进行分析。
2加工技术要求
发动机工作时，气门不断地周期性开启和关闭，在气门导管中往复运动并反复冲击气门座圈，因此气门、气门导管、气门座圈三者是发动机中工作条件最恶劣的摩擦副之一。柴油发动机由于采用压燃，压缩比远高于汽油机，使气门座圈承受更高的热负荷和机械负荷冲击。这就要求气门座圈密封锥面具有良好的密封性，否则会导致气门密封不严，燃烧室气密性受到破坏，排气温度上升，发动机功率下降。
随着当今发动机结构紧凑化程度不断提升，气门、气门导管与气门座圈附近更不易散热，并长期处于600～800℃的高温状态。如果此时气门杆的中心有偏移，会造成有害的热传导及气门杆与气门导管的快速磨损，导致气门导管上部装配的油封密封不良，机油消耗增加。因此，柴油发动机不仅对气缸盖上的气门座圈密封锥面中心与气门导管孔中心有较高的同心度要求，即气门座圈密封锥面对气门导管中心的跳动要求，而且对气门座圈密封锥面的角度也有一定的要求。
3气门座圈磨损的原因分析
3.1气门座圈磨损机理分析
气门座圈磨损主要分为黏结磨损和磨蚀磨损。黏结磨损是指在滑动摩擦时，气门和气门座圈的局部接触面发生金属黏着，在随后的气门运动过程中黏着处被破坏，金属碎屑颗粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。气门运动时这种磨损不断重复，掉落的碎屑颗粒不断对2个零件的接触面进行磨削从而发生磨蚀磨损。黏结磨损可以通过选取合适的材料来预防，即工作时气门和气门座圈在摩擦副表面形成一层坚固且附着力强、具有润滑性的薄氧化膜，隔离摩擦副的两表面从而起到减磨的作用。气门与气门座圈接触表面的“干”摩擦是气体机的气门座圈比柴油机气门座圈磨损严重的一个重要原因。因此，气体机的气门座圈尤其需要具有自润滑性的材料。
3.2气门座圈磨损微观形貌及成分分析
其中a和a'是初期磨损区域，耐磨损性因子主要是硬质粒子和高合金相，b是正常磨损区域，耐磨损性因子主要是氧化皮膜、硬质粒子和高合金相。改进前气门座圈经过1000h耐久考核，考核后进、排气门座圈均出现磨损。失效形貌主要有两种:表面附着物质和大小不一的剥落坑。表面附着物分析成分组成，证实其主要成分为铁的氧化物(质量分数约为80%)，另外含有较高的Zn元素和S元素，来自S的腐蚀产物和机油的燃烧产物。对气门座圈表面的剥落坑进行分析，Cu元素含量较高，应为气门座圈运行过程中硬质颗粒剥落造成的。
3.3颗粒物排放降低
车用柴油机的颗粒物排放限值为0．02g/(kW·h)，较原柴油机颗粒物排放限值0．1g/(kW·h)下降了80%。排放升级后柴油机燃烧更彻底，发动机本体排放的颗粒含量可以满足排放标准的要求。虽然碳烟、可溶性有机物等颗粒物会对环境造成污染，但在发动机排气冲程中颗粒物附着在气门座圈和气门的表面，防止座圈与气门之间金属直接接触，可以改善二者的润滑。发动机排放的颗粒物显著减少后，降低了对气门座圈的保护作用，气门与气门座圈之间金属直接接触且摩擦因数增大。通过以上分析可知，爆发压力提升及润滑条件变差，使气门座圈所受到法向力和摩擦力均明显增大，导致气门座圈的异常磨损。
4气门座圈设计改进方案
4.1气门座圈材料提升
气门座圈磨损的根本原因是燃烧温度升高时材料热硬度降低。为此需提高座圈材料中耐热金属的含量，即提高耐热金属Mo、Co、V的含量。改进前后气门圈座材料化学成分质量分数，其中4080是改进前气门座圈材料，AP722和AP723是改进后气门座圈材料。分别使用4080、AP722和AP723材料气门座圈与X60和Ni30材料气门进行磨损磨耗试验，其中X60为改进前气门材料，Ni30为改进后气门材料。
4.2设计改进
柴油机排气门座圈锥角α=45°，在排放较低的发动机中，增大α可以使气门与气门座圈之间的燃烧附着物(积碳等)更容易被碾碎，但增大α将导致法向力和座圈接触应力升高，特别是在排放清洁缺少润滑时，会加快气门与座圈的磨损。因此，改进设计的气门座圈将α减小至30°，并增加气门与座圈密封带的面积。改进设计方案的气门座圈法向压力较原方案下降16%。α减小后，气门与座圈间相对运动趋势下降，摩擦力将大大减小。
4.3气门座圈锥角改进
气门座圈锥角对气门座圈的磨损有重要影响。气体机的排气门座圈的磨损尤为严重。密封锥角越大，则气门与气门座圈之间的密封力越大，气门座圈磨损的风险越大。原设计排气门座圈锥角为γ，为将磨损降至最低，将该锥角减小为δ，密封压力F减小约4．4%。在更改锥角的同时，必须保证足够的密封力，避免产生压力漏失。
4.4凸轮轴改进
气门关闭时，气门对气门座圈的冲击力导致气门座圈表面发生塑性变形，在密封锥角处气门也产生一系列的凹凸变形。如果气门落座速度过高，则导致气门座圈密封锥面碎裂和缺损。为减小气门座圈的磨损，减小凸轮轴关闭段斜坡的斜率以降低气门落座速度。
4.5试验验证
采用相同试验工况，对改进气门座圈进行200h耐久考核试验。改进前后气门座圈磨损量对比。改进后气门座圈磨损量较原气门座圈下降82%以上，满足气门座圈的使用要求。
结语
通过对某柴油机开发中出现的气门座圈异常磨损问题的研究，分析气门座圈的磨损机理及磨损原因，设计气门座圈优化方案并进行验证。
1)清洁燃烧导致气门座圈与气门之间金属直接接触且摩擦因数增加，再加上爆发压力提升共同导致了气门座圈的异常磨损。
2)减小气门座圈锥角、增大密封面接触面积的气门座圈优化方案可以有效降低气门座圈磨损。
参考文献
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