气门温度的测量方法.docx
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气门温度的测量方法
《内燃机热负荷与热强度》读书报告
气门温度的测量方法
学校：
江苏大学
学院：
汽车与交通工程学院
班级：
动力机械0802
学号：
3080404049
姓名：
刘通
指导教师：
孙平
目录
摘要
关键词
1.引言
2.气门
3.气门温度测量方法
3.1硬度塞法
3.1.1硬度塞对材料的要求
3.1.2硬度塞的加工
3.1.3材料的淬火处理
3.1.4材料的回火处理
3.1.5硬度塞的安装及使用注意事项
3.1.6精度问题
3.1.7排气门温度分布规律
3.1.8实验方法与技术路线
3.1.9小结
3.2热电偶法
3.2.1热电偶工作原理
3.2.2热电偶的特点
3.2.3热电偶的标定
3.2.4测量方法
3.2.5测量中的误差问题
4.结论
5.读书感想
6.参考文献
气门温度的测量方法
摘要
气门是内燃机完成工作循环,实现换气和密封功能的零件。
在形成密闭燃烧室空间的零件中,它是承受热负荷最高的零件之一。
本文通过查阅资料主要阐述了硬度塞测温法和热电偶测温法的原理、硬度塞的加工和标定;分析测量温度的精度问题及在安装和操作时应注意的事项。
关键词
气门实验测量硬度塞热电偶温度
Abstract:
Valueisapartofinternalcombustionenginewhichcancompletetheworkcycleandachievetheventilationandsealingfunction.Theauthorsdiscussedaboutthemeasurementprecisionandsomeitemsthatshouldbenoticedwhileinstallingandoperatingbycheckingsomebooks.
Keyworlds:
Valuemeasurementtestthehardnessplugthermocoupletemperature
1.引言
柴油机气门在发动机中处于高温、腐蚀性的介质中，在工作中不仅承受着高频冲击,交变的拉压及热应力的作用，还承受着高温腐蚀和高速燃气的冲刷。
在此恶劣的工作环境下，气门容易产生漏气、异常磨损、气门菌部损坏等。
特别是在使用低质油的柴油机上，还受钒的侵袭，因而引起排气门的故障。
造成个别气门发生失效，轻者需修理,重者要更换整机，不仅严重的损害了用户的利益，也给制造厂带来经济和信誉上的损失。
因此，了解排气门的温度,是提高发动机可靠性的重要因素。
在气门热负荷的研究中，通过对气门的温度测量，考察温度是否在所使用材料性能的容许范围内，为气门结构设计提供科学的理论依据，使气门工作时达到最佳使用状态；同时通过了解气门的热均匀程度，进一步来确定其可靠性和寿命，并且也将为热负荷的改善指出途径或找出解决的方法，对精确设计提供保障。
2.气门
气门是发动机的重要部件，分为进气门和排气门。
在传统的柴油机中，一般每缸只有一个进气门和一个排气门。
这种发动机的设计制造简单，维修方便，低速性能好，但是功率很难提高，性能较弱。
为了提高进排气效率，现在多采用多气门技术，常见的是布置有四个气门，即两个进气门，两个排气门，进气门直径略大于排气门，这样为了保重混合气体的充分进入。
进气门一般用中碳合金钢制造，如铬刚、铬钼钢和镍镉钢等等。
排气门多采用耐热合金钢制造，如硅铬钢，硅铬钼钢等。
3.气门温度的测量方法
气门温度的测量，最简单的方法就是采用硬度塞法和易容塞法，但是平时采用的较多的是热电偶法测量，因此本文着重介绍易容塞法和热电偶法。
3.1硬度塞法
如上文所述，在实际工作中硬度塞测温发是测量发动机气门温度场比较简单实用的方法之一。
所谓硬度塞法，就是利用金属的硬度变化来测量温度的方法，即利用某些淬火后的金属材料在受热后会产生永久性的硬度变化来测量温度的方法。
3.1.1硬度塞对材料的要求
硬度塞法测温精度与材料的性能有着密切的关系,因此,对硬度塞材料有如下要求:
1）材料必须有良好的淬透性,材料的金相显微组织和化学成分必须均匀。
2）材料淬火后的硬度要高,一般Rc≥65,同时淬火后硬度要长期保持均匀和稳定,不允许有软点和硬点出现。
3）材料的回火温度和硬度变化最好成直线关系或近似线形关系,同时要求材料在同一回火温度下硬度值十分稳定。
要冶炼一种同时能满足上述要求的材料尚存在一定的困难。
目前一般选用性能接近上述要求的碳素钢作为硬度塞材料。
通过各种材料进行的分析对比,选用GCr6。
3.1.2硬度塞的加工
为使用方便,硬度塞按标准件平端紧定螺钉（GB73266）的形状进行加工。
使用证明,尺寸选用M3×0.5mm×4.0mm是合适的。
螺钉的加工工艺是将5的GCr15钢丝拉成标准直径=2.63+0.01mm,螺纹用搓丝板搓成。
平端紧定螺钉为（GB73266）M3×0.5mm×4.0mm。
3.1.3材料的淬火处理
淬火处理:
硬度塞的淬火处理是在自备的气体保护电炉中进行。
电子保护炉中的温度控制在为840±5℃,每篮装50只硬度塞,在炉中840℃下保温30min。
并且在气体保护情况下防止氧化脱碳,然后再迅速投入温度为50℃的机油中冷却;油冷后取出放置在空气中冷却。
我们对淬火后硬度塞均进行检查,维氏硬度均在945~980℃范围内。
满足HRC≥65的要求。
硬度塞HV2T标准曲线的制作：
当回火温度低于100℃时,材料硬度变化极小,难于测准。
同时活塞各点温度高于100℃,故可避开这一低温区域。
回火试验从100℃开始,每隔50℃一次,一直到650℃。
回火时,每次将5只硬度塞放在钢丝篮里,挂在油浴炉或盐浴炉的回火剂里,进行恒温回火。
取出后将其断面抛光,用光学维氏硬度计打出各组硬度塞的硬度,并其平均值。
以维氏硬度值为纵坐标,回火温度为横坐标,作出标准曲线：
GCr6回火后硬度与回火温度的关系
3.1.4材料的回火处理
材料在回火处理时分成3个区域,并在不同的设备中进行。
1）100~250℃的回火是在油浴炉中进行。
如图所示,该油浴炉采用人工搅拌,以水银温度计（0~300℃,每刻度为2℃）和电接点温度计测量控制温度,烧杯内液体温度波动不大于±2℃为准,记录下油浴温度值。
油浴介质的选择与所需工作温度相适应。
这里选用10号机油。
回火装置示意图
2）300~500℃的回火在坩埚电炉中进行。
采用50%NaNO3+50%NaNO2作为回火介质,介质的熔点为208℃,工作温度为600℃。
3）550~700℃的回火在坩埚电炉中进行。
采用21%NaCl+31BaCl2+48%CaCl2作为回火介质,介质的熔点435℃,工作温度为480~780℃。
为了提高标准曲线的精确性,采用614-B型交流稳压器,并用人工调节调压变压器,使炉温波动控制在±2℃内。
考虑到炉膛内盐浴温度不均匀所带来的不良影响,坩埚电炉内盐浴液采用人工搅拌。
考虑到炉膛内盐浴温度不均匀,因此将电解点水银温度计、K装热电偶、硬度塞一同放在钢丝网蓝内,三者处于同一位置。
这样即可大致避免因炉温不均所带来的不良影响。
3.1.5硬度塞的安装及使用注意事项
1）在测温部位用2.5mm的钻头钻孔,其深度控制在5~5.5mm,太深即降低被测零件的强度,会影响热流的传递;太浅会使硬度塞尾部露出被测零件的表面,即影响测量精度也容易脱落。
2）被测零件攻丝时,应将丝锥的锥尖磨平,尽量使螺孔的底部平整,防止存在气囊而产生误差,为了消除传热中因螺纹间隙造成的误差,要求硬度塞与螺孔有较紧配合,为此均采用手工丝锥攻孔。
3）硬度塞拧入测点孔后,要求硬度塞顶平面与被测平面相平齐。
被测件是钢件时,由于膨胀系数基本一致,硬度塞不会飞掉;而被测件是铝合金件时,硬度塞就应被铆一下,防止运行时脱落,切忌铆得太紧,否则硬度塞很难取出来。
4）测温时发动机的工况必须按照从低负荷向高负荷方向过渡,达到待测工况后,稳定运行2h,停车检测硬度。
一旦超过待测工况的负荷时,测得的硬度值便不是待测工况下的硬度。
5）在测点较多时,在硬度塞拧入被测部位之前需编号,拆下时应逐一装入相应编号的纸袋中,且莫弄错。
6）测定硬度通常须在每一硬度塞尾部端面打5点硬度,取其平均值。
为减少误差应指定专人测量
7）为防止硬度塞端面在高温燃气的气氛下氧化脱碳,安装前将硬度塞用硫酸清洗,而后用NaOH中和,再用蒸馏水清洗,最后将硬度塞投放到CuSO4溶液中浸泡10min。
3.1.6精度问题
1）材料的材质不均匀及回火温度波动都会对HV-t曲线产生误差,而且很难估计更无法计算。
但在实际工作中应采用同一批材料,温度控制在±2℃之内,我们先后作了5次曲线,虽不完全重复但误差也不超过2%。
实践证明在使用维氏硬度计打硬度时,人的视觉产生误差较大,因此应以专人来打硬度。
2）对比试验:
我们在恒温炉中进行铂铑热电偶和硬度塞的对比试验,温度控制以水银温度计为准。
（1）当恒温炉温度为310±2℃时,铂铑热电偶为310℃,而硬度塞为307.5℃。
（2）当恒温炉温度为350±2℃时,铂铑热电偶为350℃,而硬度塞为352℃。
3.1.7排气门温度分布规律
常排气门的温度分布规律见图。
最高温度是排气门的中心A处,直接与高温排气接触,其次是气门杆C处及气门的菌部与气门座接触的B处。
1）最高温度在气门头中心,这是高温燃气所引起在气门头中心的热集中。
2）在气门头和气门杆过渡的颈部,沿过渡区温度先是逐步升高,然后再降低,这是由于高速废气冲刷气门杆的结果,其最高温度约位于圆弧半径的中点处。
3）排气门的温度分布是不对称的,靠近汽缸套侧的温度低,靠近喷油嘴侧的温度高,二者之间的温度差和热负荷的高低与设计及发动机运转因有关。
4）排气门所受到的热量是从两方面走的,位于气门头和气门杆过渡颈部的中点以上的热量全由气门杆经导管传走,位于过渡颈部的中点以下部分热量经由气门锥面和气门座传走,气门锥面是时而和气体接触,时而和气门座接触,在自由气阶段中,排气门受到从气缸中流出并具有超临界速度的气流冲刷,这时气门所受到的热量只能通过气门杆散出,而不通过气门锥面散热。
在大缸径柴油机上,排气门的热量大部分是从气门锥面上传走的。
气门温度分布气门工作热循环
3.1.8 实验方法与技术路线
硬度塞测温的简要过程是将淬火后的硬度塞（通常为M320.524）拧入被测量点处,在实际工况下至少稳定受热2h,然后经抛光,用光学维氏硬度计打出准确的硬度值,在事先作出的HV2T℃标准曲线上查出对应的温度,即为被测量点的温度值。
在柴油机气门的温度测量中,首先把气门从柴油机中拆卸下来,在预先安排好的部位用2.5mm钻头钻孔,孔深为5.0~5.5mm,把硬度塞拧入被测量点处;然后装机还原,分别在100%,110%额定负荷下至少稳定受热2h;再停机把气门从柴油机中拆卸下来,取出硬度塞,抛光,用光学维氏硬度计打出准确的硬度值,再在事先作出的HV2T℃标准曲线上查出对应的温度,即为被测量点的温度值。
硬度塞在气门上的具体测点布置见图。
气门测点分布图
3.1.9小结
应用硬度塞法测量发动机温度场是一种方便实用的方法,硬度塞加工容易、安装简便、成本较低。
硬度塞可在发动机燃烧室内多点布置,安全可靠;具有一定的测量精度,能满足测温的要求。
3.2热电偶法
3.2.1热电偶工作原理
两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。
热点偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。
3.2.2热电偶的特点
1）装配简单，更换方便；
2）压簧式感温元件，抗震性能好；
3）测量范围大（－200℃～1300℃,特殊情况下－270℃～2800℃）；
4）机械强度高，耐压性能好；
5）耐高温可达2800度。
3.2.3热电偶的标定
热电偶确定热电极材料后，热电势仅与两接点温差有关。
若参考端温度恒定，则热电偶产生的热电势仅随测量端的温度变化而变化。
若参考端恒定为0℃时，则热电偶产生的热电势值，即为直接反映被测物表面实际温度对应的热电势。
因此，定标时，是把热电偶测量端放人装标准变压器油的保温瓶中（图中未示出），热电偶参考端置于有冰水混合的保温瓶中。
随着测量端油温的增加或减少，电位计的热电势值也在增加或减少。
每个热电偶便可获得一定标曲线或热电势系数。
这样，便标定了各个热电偶在多少温度时相当多少热电势。
这种温度的热电势的大小，决定于组成热电偶的材料和两接合点温差的大小。
一般在温差不大的范围内，热电势正比于被测温度，即：
Vi（Ti，T。
）=Q（Ti一T。
）
式中：
vi—第i测点热电偶的热电势;Qi—第i测点定标热电偶电势系数;
Ti—第i测温点实际温度值;T。
—参考点温度，即0℃冰水混合物。
定标时，由已知T。
=0（℃），确定Qi热电势系数，据测温时获得的Vi值，由公式可计算出实际被测物表面的温度Ti。
热电偶的标定示意图
3.2.4测量方法
用热电偶测量的缺点是在气门上能够安装的测点不多，因为全部热电偶线都必须经过直径较细的气门杆引出，尽管如此，目前热电偶方法用的还是比较多，这是考虑到虽然测量点数较少，但是可以得到更多的数据。
虽然气门上下往复运动，但是由于气门升程不大，热电偶线和测量仪表直接连接并不太困难，通常总是采用直接引线法，下图表示一种直接引线法，安装在气门测量表面的热电偶，其偶线从气门杆中心孔通过弹簧座锁片下的气门杆孔中引出并沿着摇臂引申至摆动支点而接出。
为了使导线不易折断，可将热偶导线绕成螺线形，为了防止气门转动，在弹簧座上用一制动销，固定弹簧座。
气门弹簧两端弯成直角，上端插入弹簧座边缘的铣槽中，下端插入缸盖平面的小孔。
热电偶引线接法
3.2.5测量中的误差问题
用热电偶测量零件温度时会产生如下几个方面的误差：
1）.热电偶以及连接导线之间的回路误差；
如前所述，在热电偶回路中间连接导线，接触点的材料和热电偶的热电势不同，会在测量回路中产生附加电势而产生测量误差，为尽量消除这种附加电势，应采取如下措施：
（1）接入回路的中间连接导线必须和热电偶的热电势相同，如果二者热电势不相同，如果通常用铜导线连接时，应保持连接点温度想同，通常把连接点放在冰水混合物中。
（2）在接触法测量温度过程中，触点材料必须和热电偶材料相同，或者二者之间的热电势想同。
（3）触点和热电偶之间的连接不宜采用锡焊，这样避免了第三种材料介入热电偶回路，以消除附加电动势。
2）.热接点的安装误差；
热接点安装深度越深，测量的温度差值越大，安装深度相同，零件材料的导热系数越小，零件的热负荷越大，测量的温度差值也越大。
3）.接触法测量系统中的误差；
（1）用示波器做检流计时的测量误差
采用示波器做检流计时，从理论上讲可以做到和常接法具有同样的精度，实际上由于测量时干扰电平的影响，以及调节平衡时对波形消失时判断的视觉误差，因而不可能达到和常接法具有同样的精度，这个误差数值是无法进行修正的。
（2）采用电容积累器的测量误差
采用电容积累器时，有电容器上电压积累和热电势的差值以及电容器漏电所引起的误差，前者引起的误差理论上大致可以确定，而后者是无法通过计算确定的，但可以从模拟实验台上得出，在选择漏电小的钽电容时，用电容积累器测量总的误差和常接法比较课控制在1%范围内。
4）.油膜引起的误差和实验误差等。
在接触法温度测量中，由于触点在曲轴箱中，润滑油必定会飞溅在触点上。
使触点之间存在一层油膜，这个油膜层必定会增加触点之间的接触电阻，从理论上讲，如果正负二级温度相同在使用电位差计的情况下，油膜层并不影响测量的数值，实际上触点二级之间的温度是不相同的，温差甚至可达30℃。
因而油膜对测量温度是有影响的，它所引起的误差往往无法正确估计，触点的接触性能好，油膜的影响就小。
在这些误差中大都是有规律的误差，可以进行正确修正，但也有一些误差没有一定的规律性，很难加以修正。
4.结论
在气门热负荷的研究中,通过对气门的温度测量,考察温度是否在所使用材料性能的容许范围内,为气门结构设计提供科学的理论依据,使气门工作时达到最佳使用状态;同时通过了解气门的热均匀程度,进一步来确定其可靠性和寿命;并且也将为热负荷的改善指出途径或找出解决的方法,对精确设计提供保障。
5.读书感想
经过几天的刻苦努力,我终于完成了这份读书报告,没有一种如释重负的快感,取而代之的是一种获得新知识的充实。
利用上完课这些天的时间，我把书大概看了一遍，然后结合自身的实际，着重看了第五章的第五节，选择了这个题目。
大四结束，我将要走出校门，迎来自己的第一份工作，我们大学生往往实际动手能力差些，而以后工作过程中，难免会遇到一些测量方面的问题，于是我就查阅资料，写了这篇论文，希望对自身的不足可以有一定的弥补。
最后，感谢孙老师的悉心指导和热情付出，我们听了您的课受益匪浅！
6.参考文献
《内燃机热负荷和热强度》西安交通大学肖永宁潘克煜韩国埏主编
机械工业出版社1988年版社；
《航海工程》罗奇江田野2003年第2期（总第153期）；
《航海工程》许勇静张智第36卷第4期2007年8月。
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