汽油機(jī)活塞表面溫度測(cè)量研究

熊慶榮，李 楊

（中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川 江油 621703）

活塞是在氣缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把功率不斷輸出的重要零件。活塞直接接觸高溫燃?xì)猓邷厥够钊軣崤蛎浂a(chǎn)生熱變形和熱應(yīng)力，熱應(yīng)力和熱變形將影響活塞與缸套的正常潤(rùn)滑，活塞與氣缸產(chǎn)生摩擦發(fā)熱使冷卻潤(rùn)滑油劣化，導(dǎo)致活塞環(huán)發(fā)生粘著和燒結(jié)、活塞與氣缸咬合以及拉缸等。而活塞的熱應(yīng)力首先取決于活塞溫度和溫度梯度的分布，因此對(duì)活塞表面溫度和溫度梯度的準(zhǔn)確測(cè)量尤為重要。活塞溫度測(cè)量方法主要有兩大類：電測(cè)法（熱電偶、非接觸互感器測(cè)量方法和紅外遙測(cè)法）和非電測(cè)法（硬度塞法和易熔合金法）［1－2］。電測(cè)法要在活塞上布置熱電偶或熱敏電阻傳感器；非電測(cè)法中的易熔合金法測(cè)試時(shí)要在活塞上開(kāi)孔，將不同熔點(diǎn)的合金嵌入孔中；硬度塞測(cè)法是將熱塞材料制成圓柱釘或螺釘，然后將圓柱釘過(guò)盈配合嵌入活塞測(cè)溫部位或?qū)⒙葆斝牖钊麥y(cè)溫部位。電測(cè)法中熱電偶、熱敏電阻傳感器、紅外探頭的安裝和信號(hào)的引出工作量大，不易操作；非電測(cè)法中的易熔合金法和硬度塞法會(huì)破壞活塞結(jié)構(gòu)，工作量大，也不易操作。上述方法測(cè)量的都是點(diǎn)的溫度，而采用示溫涂料測(cè)量，工作量小，操作簡(jiǎn)單，并且不受測(cè)試位置的限制，不破壞被測(cè)試件表面，測(cè)試結(jié)果可直觀反映整個(gè)活塞表面溫度和溫度梯度，與電測(cè)法和非電測(cè)法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 示溫涂料選擇和校準(zhǔn)

1.1 示溫涂料選擇

活塞材料為鋁合金，鋁合金完全退火溫度一般為390～420℃，熱模鍛溫度為420～475℃［3］，因此選擇一種單變色示溫涂料和一種多變色示溫涂料，單變色示溫涂料等溫線變色溫度為400℃［4］，多變色示溫涂料等溫線變色溫度為130～430℃范圍內(nèi)共7個(gè)變色溫度［5］。活塞表面實(shí)際溫度的取得來(lái)源于示溫涂料的校準(zhǔn)。

1.2 示溫涂料等溫線溫度校準(zhǔn)

校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)試片由厚度為δ＝2.0mm的不銹鋼板制成。校準(zhǔn)標(biāo)定電偶為鎧裝GH3030Ⅰ級(jí)Φ0.5的K型熱電偶。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試片表面進(jìn)行吹砂清洗處理，在標(biāo)準(zhǔn)試片的一面噴涂示溫涂料，在另一面上布熱電偶，10min內(nèi)升溫到所需的最高溫度，恒溫3min后降溫。校準(zhǔn)系統(tǒng)由PID調(diào)節(jié)儀、晶閘管模塊和大功率加熱設(shè)備組成可調(diào)電源，將標(biāo)準(zhǔn)試片當(dāng)作電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓控制標(biāo)準(zhǔn)試片上的溫度。標(biāo)準(zhǔn)試片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與校準(zhǔn)系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。

1.3 校準(zhǔn)設(shè)備

1）示溫漆校準(zhǔn)標(biāo)定系統(tǒng)：常溫至1 500℃，綜合誤差小于±0.6%；

2）高精度溫度采集系統(tǒng)：誤差小于0.1%；

3）熱電偶：誤差為±0.4%。

單變色與多變色示溫涂料等溫線溫度校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

首次試驗(yàn)前對(duì)活塞表面進(jìn)行吹砂、清洗和加溫烘烤干燥。考慮活塞試件為鋁合金，其表面最高溫度極限為351.5℃［6］，因此首次試驗(yàn)時(shí)選擇變色溫度為400℃的單變色示溫涂料，觀測(cè)活塞表面溫度是否高于400℃，以便確定下一步測(cè)試方案。由于活塞環(huán)槽部位要安裝活塞環(huán)，該部位未噴涂示溫涂料。第2次試驗(yàn)時(shí)未對(duì)活塞表面進(jìn)行吹砂處理和烘烤干燥。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)見(jiàn)表1。冷卻風(fēng)機(jī)吹風(fēng)風(fēng)向與發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)位置見(jiàn)圖3。

將活塞安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，在模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)從低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速時(shí)間為10min，在最高轉(zhuǎn)速下工作3min［7］，然后降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到停車(chē)，冷卻后分解進(jìn)行溫度判讀。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 活塞溫度測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)分2次完成。首次試驗(yàn)前活塞表面噴涂的單變色示溫涂料顏色見(jiàn)圖4a，試驗(yàn)后對(duì)照?qǐng)D2a單變色示溫涂料校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行判讀。活塞頂部表面被積炭污染（見(jiàn)圖4b），清除積炭后（見(jiàn)圖4c）從殘留的示溫涂料原始色可以看出其表面溫度小于400℃，活塞內(nèi)表面和活塞裙部表面溫度也小于400℃（見(jiàn)圖4d和圖4e），活塞裙部表面白色部分是汽油機(jī)活塞在高速運(yùn)動(dòng)中把示溫涂料沖刷掉，不能作為變色溫度判讀。由于活塞表面溫度小于400℃，因此選擇變色溫度低于400℃的多變色示溫涂料，變色溫度分別為130，165，215，295，325，385，430℃。

第2次試驗(yàn)活塞表面噴涂的多變色示溫涂料顏色見(jiàn)圖5a，試驗(yàn)后對(duì)照?qǐng)D2b標(biāo)準(zhǔn)試片，清除積碳后判讀出活塞頂部表面溫度低于295℃（見(jiàn)圖5b），活塞內(nèi)頂部表面溫度也低于295℃（見(jiàn)圖5c），活塞內(nèi)裙部、活塞銷(xiāo)內(nèi)外部位表面溫度低于215℃（有部分示溫涂料被沖刷掉），內(nèi)裙部迎冷卻風(fēng)機(jī)面溫度在165℃之下。圖5d中，活塞外裙部有部分示溫涂料被沖刷掉，從殘留的示溫涂料可以看出其表面溫度大部分低于165℃，另一側(cè)活塞外裙部示溫涂料測(cè)試結(jié)果低于215℃。圖5e中，活塞銷(xiāo)表面溫度低于215 ℃，另一側(cè)活塞銷(xiāo)表面溫度也低于215℃。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

本次試驗(yàn)用熱電偶完成示溫涂料標(biāo)準(zhǔn)試片的校準(zhǔn)標(biāo)定，判讀結(jié)果精度在±10℃以內(nèi)。由于材料的熱慣性和高速循環(huán)作用，在工況穩(wěn)定的條件下，除受燃?xì)鉀_刷的表面，其他部件的表面溫度基本上是處于穩(wěn)定狀態(tài)，活塞頂部吸入的熱量大部分由活塞外側(cè)表面經(jīng)過(guò)活塞環(huán)、油膜、缸套等傳到冷卻油進(jìn)行冷卻，所以活塞頂部溫度最高，其他部位溫度逐漸變低，測(cè)試結(jié)果符合傳熱規(guī)律。另外，有一側(cè)活塞裙部溫度較低（165℃以下），主要是外部冷卻風(fēng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻機(jī)油共同作用的結(jié)果。

從第1次試驗(yàn)與第2次試驗(yàn)可以看出，第1次試驗(yàn)除兩側(cè)裙部示溫涂料被沖刷掉外，其余部位示溫涂料均附著牢固，這是試驗(yàn)前活塞表面吹砂和烘烤干燥的結(jié)果。第2次試驗(yàn)活塞表面示溫涂料脫落較多，主要是試驗(yàn)前活塞表面未進(jìn)行吹砂處理和烘烤干燥，造成附著力較差，因此所有試驗(yàn)件表面都應(yīng)吹砂處理后再噴涂示溫涂料并加溫烘烤干燥，以提高示溫涂料的附著力。

4 結(jié)論

a）用示溫涂料可以完成整個(gè)活塞的表面溫度及溫度場(chǎng)分布測(cè)量，與其他測(cè)量方法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)；

b）試驗(yàn)前對(duì)活塞表面進(jìn)行吹砂處理后再噴涂示溫涂料并烘烤干燥，可顯著提高示溫涂料的附著力；

c）采用等溫線標(biāo)定判讀，測(cè)量精度高；

d）此方法對(duì)活塞不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，測(cè)量簡(jiǎn)單，效率高；

e）該汽油機(jī)若需更精確的測(cè)量，可選用295℃以下的其他品種的單變色或多變色示溫涂料。

［1］ 張志勇，黃榮華.發(fā)動(dòng)機(jī)活塞溫度測(cè)量方法綜述［J］.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2005（1）：19－23.

［2］ 楊 杰，張煜盛.二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)活塞溫度的測(cè)量研究［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007（3）：79－82.

［3］ 張守勇，魯立奇，鐘誠(chéng)道，等.中國(guó)航空材料手冊(cè)第三卷［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998：15－21.

［4］ 熊慶榮，石小江，侯敏杰，等.基于等溫線辨識(shí)的單變色不可逆示溫漆及制造涂層的方法：中國(guó)專利，200910124282.5［P］.2012－03－14.

［5］ 熊慶榮，石小江，侯敏杰，等.基于等溫線辨識(shí)的七變色不可逆示溫漆及制造涂層的方法：中國(guó)專利，200910124284.4［P］.2012－03－14.

［6］ 王金元，趙春婕.ω型柴油機(jī)活塞溫度特性計(jì)算機(jī)模擬［J］.內(nèi)燃機(jī)配件，2009（3）：6－8.

［7］ Barna G，Brumm D，Anderson C.An Infrared Telemetry Technique for Making Piston Temperature Measurement［C］.SAE Paper 910051，1991.