2135柴油機活塞及缸套溫度測量試驗

楊新橋，張 智

（武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢430063）

隨著柴油機強化程度的不斷提高，構成燃燒室的關鍵零件——活塞以及氣缸套的溫度和溫度梯度大幅度提高，從而產生較大的熱變形和熱應力。如何有效地解決柴油機的熱負荷問題，提高內燃機受熱零件的可靠性以及使用壽命就變得日益迫切。

內燃機受熱零部件的溫度測量方法有好幾種，本文采用硬度塞法以及熱電偶法來測量2135G柴油機受熱零部件的溫度。用熱電偶測量時，在發動機氣缸套上部布置熱電偶，通過引線貫穿機體直接連接數字萬用表，測量氣缸套布置點的溫度。

1 試驗方法與試驗前期準備工作

1.1 測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成份必須均勻；材料淬火后的硬度要高，一般Rc≥65，同時淬火后硬度要長期保持均勻和穩定；材料的回火溫度和硬度變化最好成直線關系或近似線性關系，同時要求材料在同一回火溫度值十分穩定；通過各種材料進行的分析對比，選GCr15作為硬度塞材料。

為使用方便，硬度塞按標準件平端緊定螺釘（GB73-66）進行加工，使用證明，尺寸選用M3×0.5×4是合適的。螺釘的加工工藝是將φ5的GCr15鋼絲拉成標準直徑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電爐中進行，淬火溫度選用840±5℃。在爐中840℃下保溫30min。并且在氣體保護的情況（防止氧化脫碳）迅速投入在溫度為50℃的機油中冷卻，油冷后再取出空冷。對淬火后的硬度塞均進行檢查，維氏硬度值均在945～980范圍內（滿足RC≥65的要求），測溫精度為±5℃。

1.2 HV-T標準曲線的制作

當回火溫度低于100℃時，材料硬度變化極小，難以測準。同時活塞各點溫度均高于100℃，故可避開這一低溫區域。回火試驗從100℃開始，每隔50℃一次，一直到650℃。

回火時，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，進行恒溫回火。取出后將其端面拋光，用光學維氏硬度計打出各組硬度塞的硬度，并求其平均值，標準曲線見圖1。

圖1 HV-T標準曲線圖

1.3 硬度塞的安裝及使用注意事項

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，防止存在氣囊而產生測量誤差；

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）硬度塞擰入測點孔后，要求硬度塞頂平面與被測平面相平齊。被測件是鋼件時，由于熱膨脹系數基本一致，硬度塞不會飛掉。而被測件是鋁合金件時，硬度塞就應被鉚一下，防止運行時脫落。切忌鉚得太緊，防止以后硬度塞取不出來。

4）在停車后不久就應取出硬度塞。因為試驗件還處于熱態，這時硬度塞還未被結膠粘牢。

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

6）一定要從低負荷向上開車，到達預定工況后穩定運行到計定時間（15min），然后停車冷卻，再取出硬度塞。

7）為防止硬度塞端面在高溫燃氣的氣氛下氧化脫碳，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 熱電偶溫度測量

利用熱電偶法測溫的原理是，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點溫度下將產生熱電勢差，通過各節點的熱電勢差求得溫度。熱電偶法測量的關鍵是，熱接點的形成技術和熱電偶導線的引出與電量的輸出。在熱接點形成之后，需要小心地將電偶導線絕緣、固定和引出。在固定和引出熱電偶導線時，根據所測部位的溫度范圍，選擇適當的絕緣粘結劑。引出熱電偶導線的孔徑應盡量小，并用絕緣材料填實，以防止改變熱流，影響測量精度。

該試驗熱電偶選取鎧裝式熱電偶，鎧裝式熱電偶具有細長、容易彎曲、熱響應時間快、耐振動、耐溫、抗壓和堅固耐用等優點。它可用作直接測量，也可以作為裝配式熱電偶的內芯元件，以取代傳統的瓷珠串套式元件。尤其適宜安裝在管道之間狹窄、彎曲和要求快速反應，微型化和特殊測溫場合。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量精度高、反應靈敏、熱響應速度快（最快達0.5s）、不銹鋼外套和一次性拉撥成形等優點。該熱電偶耐腐蝕，使用壽命長，管徑細有韌性，易彎曲，耐震動，能在狹窄、曲折位置安裝。作為裝配式熱電偶的測量元件使用時，能起到更換快捷，雙層保護作用。

1.5 測點布置分布圖

通過對2135柴油機的調試和試運轉以及測量，在第一缸活塞頂部、第一活塞環以及活塞裙部進行布點測量1～13，見圖2。在缸套頂部布置熱電偶A、B，見圖3。

圖2 活塞上硬度塞布置圖

圖3 缸套熱電偶布置圖

2 2135G柴油機溫度測量試驗及試驗結果分析

2.1 活塞及缸套溫度測量

溫度測量所選用機型為2135G；標定轉速1 500r／min；標 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。

測量步驟如下：

1）在100% 額定功率額定運轉情況下對活塞的溫度進行測量，首先對柴油機2135活塞的溫度場進行全方位的測量，在活塞的第1缸上下左右布滿11個點進行測量。測量時，在100%額定功率下穩定運行30min，進水溫度為53℃，出水溫度約58℃左右；排氣溫度約462℃。實驗完畢后，拆下活塞，取出硬度塞，打硬度，對比硬度曲線，得到測量數據見表1。

表1 活塞溫度測試數值

2）在標定轉速下，分5個工況測試壁面的溫度。布置在缸套上有2個熱電偶，分別測試負荷特性下壁面溫度值，每個工況需要柴油機穩定運行5分鐘后開始測量，每次測量三組數值，最后取平均值。

2.2 柴油機溫度測量結果分析

1）缸套測量溫度結果見圖4，A比B點高大約20℃，缸套溫度梯度較大，這與測試點有關，A點距離排氣門很近，受熱后溫度偏高，B點距進氣門較近，并且B點距離燃燒室較遠，A、B兩點的溫度值不是很高，隨著負荷的增加，溫度變化很大，但是仍在缸套材料允許范圍內。

圖4 缸套溫度測試數值圖

2）活塞的溫度測量結果見表1，為了減少測量誤差，活塞分兩次測量，比較兩次測量結果，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氣門溫度又存在較大的溫差，第一道氣環溫度比較高，承受比較大的熱負荷，裙部溫度較低，活塞總體受熱比較均勻。

3 結束語

通過對2135G柴油機活塞及缸套局部壁面的溫度測量，了解活塞以及缸套熱負荷狀態，同時得到了額定轉速、額定功率下活塞的相關點溫度，活塞表面的溫度值沒有超過材料允許范圍。在標定轉速、不同負荷情況下，缸套頂部溫度（直接接觸燃燒室部位）測試溫度顯示正常。說明該機型還有很大的工作提升能力，同時，溫度測量結果也為下一步的溫度場數值仿真奠定基礎。

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