0 引　言

排气门是内燃机燃烧室的重要零部件，长期处于高温、废气腐蚀和高强度冲击的工作环境下，并且排气门阀盘和部分阀杆冷却条件极差积存的热量难以及时传导，而材料的各项性能会随温度发生变化，导致机械性能下降，同时排气门落座将承受由惯性力引起的交变载荷及弹簧所施加的交变载荷，在频繁的起落过程中排气门极易发生失效，直接影响了内燃机的稳定工作和安全性^[1]。

对排气门失效分析的主要依据一般从材料的角度考虑，通过试验确定Ni80A合金材料在不同温度下的膨胀系数和弹性模量等，结合某型船用柴油机各项参数确定了排气门热边界条件和材料物性条件，进行了热-固耦合分析。研究结果对排气门失效分析及根据柴油机工况对气门选型预测提供了有效的研究数据。

1 排气门换热分区

内燃机工作时，在稳定工况下排气门的表面承受着高温燃气的周期性加热，可以用热边界层描述其受热情况，分析排气门燃烧过程所受热负荷虽然瞬时变化，但是这种瞬时变化只存在于热边界层上^[2]，燃烧室组件的温度往往是固定值，因此可以将气阀的受热看作是稳态传热过程。排气阀工作过程分为落座和开启状态，根据气阀工作特征可将受热条件划分为5个部分^[3]，如图1所示。

A区为排气门阀面底盘，工作过程中与缸内燃气进行对流换热；B区为排气门与阀座接触部分，在落座时与阀座进行导热换热，气门开启时与缸内燃气进行对流换热；C区为排气门颈部，主要与排气道内废气进行对流换热；D区为排气门开启时阀杆进入排气道部分，与废气进行对流换热，气门落座时与导管发生热传导；E区主要与导管进行热传导。

2 排气门热边界条件

采用的某型船用柴油机发动机基本技术参数如表1所示。

柴油机燃烧室内的传热过程实质上是导热、对流、辐射等耦合作用，现有的计算模型难以详尽描述排气门的受热条件，但是在稳定工况下柴油机的每个工作循环其放热特性都是周期性变化的，燃烧室内部件温度随时间变化的幅度很小，可以对一个周期内进行瞬时放热系数的计算与处理，采用第三类边界条件计算排气门的稳态温度场，即给定外围介质温度和换热系数^[4]。

采用Eichelberg公式进行燃气瞬时放热系数的计算：

$ {\alpha _{\text{g}}} = k \cdot \sqrt[3]{{{C_m}}} \cdot \sqrt {{{p}}T} 。$

(1)

式中：α_g为瞬时放热系数；C_m为活塞平均速度；p为瞬时绝对压力；T为瞬时热力学温度；k为热量通用系数。

式(1)已将辐射项的影响考虑其中，因此无需再对辐射项进行特定的处理。为了将换热条件转换成特定的稳态持续换热过程，需要对放热系数和温度做时均化处理。气体对壁面的平均放热系数α_m与燃气平均温度T_m按下式计算：

$ {\alpha _m} = \dfrac{1}{{{\tau _0}}}\displaystyle\int_0^{{\tau _0}} {{\alpha _g}} {{\rm{d}}_\tau }，$

(2)

$ {T_m} = \dfrac{{\dfrac{1}{{4\text{π} }}\displaystyle\int_0^{4\text{π} } {{\alpha _g}{T_g}{{\rm{d}}_\theta }} }}{{{\alpha _m}}}。$

(3)

本文排气门外界介质流体温度及换热系数由式（2）和式（3）计算所得。

将某型船用柴油机的设计参数代入AVL boost计算得到额定工况下缸内瞬时平均温度和瞬时平均压力随曲轴转角的变化规律如图2所示^[5]。

结合式（1）～式（3）与缸内瞬时温度和瞬时压力，可计算得到模型发动机排气门落座时阀面底盘的a_m和T_m的值分别为395.15 W/(m²·K)和942.56 K。

排气门锥面、颈部和部分阀杆受热条件是随气门的落座和开启发生变化的，在气门开启时这3个部位受到高温废气冲刷，此时热边界条件根据文献[6]计算：

$ Nu = 3.27\left( {1 - 0.797\frac{{{h_\nu }}}{{{d_i}}}} \right){{Re} ^{0.5}}。$

(4)

式中：h_v为气门升程；d_i为气阀座直径。

由 ${Re} = \dfrac{{\nu \rho l}}{\eta } = \dfrac{{\nu \rho ld}}{{\eta d}} = \dfrac{m}{{\eta d}}$ 可得气门颈部处平均换热系数关系式：

$ \begin{split} \alpha = & Nu\frac{{{\lambda _0}}}{{{d_A}}} = 3.27\left( {1 - 0.797\frac{{{h_\nu }}}{{{d_i}}}} \right){{Re} ^{0.5}}\frac{{{\lambda _0}}}{{{d_A}}} =\\ &3.27\left( {1 - 0.797\frac{{{h_\nu }}}{{{d_A}}}} \right){\left( {\frac{m}{{\eta d}}} \right)^{0.5}}\frac{{{\lambda _0}}}{{{d_A}}} 。\end{split} $

(5)

式中：λ₀为燃气导热系数；m为质量流率，d_A相当于阀座截面和出口截面的算术平均直径。

结合图2可获得排气阀颈部处换热系数α=934.56 W/m²·K。

本文对于排气门落座时考虑气门锥面与阀座的接触导热，以较大的对流换热系数表征。阀杆处的温度较低对阀盘处受热影响很小，对其进行简化处理，因受导管的热阻限制，给定较小的换热系数。综上所述，柴油机处于不同工作状态时刻5个传热区域对应的换热边界条件如表2所示^[7]。

3 排气门物性参数及分析计算

采用耐高温合金材料Ni80A，对其进行高温拉伸试验，确定在不同温度环境下该材料的各项物性参数，试验数据如表3所示^[8]。

使用SolidWorks建立三维的排气门模型，导入Ansys中进行网格划分，对排气门阀盘、弧面和颈部等受热条件复杂区域做网格细化，最终得到50177个网格节点，32032个网格单元。基于给出的各部位热边界条件计算求解模型，可得额定工况下某型船用柴油机排气门的温度场分布，所得整体与盘底切面温度场示意图如图3和图4所示。

从结果中可以发现，排气门的集中热点处于盘底中心和颈部。盘底中心长期处于与高温燃气的换热造成热点集中，向外盘底边缘温度有所下降，考虑了在排气门锥面落座时与阀座的接触导热，由冷却水带走大量的热使得锥面相较于盘底中心温度会小很多；第2热点是气阀的颈部，此处处于排气道内在气门开启时受到高温废气冲刷造成的热集中，上端阀杆温度逐渐降低。

排气阀的服役环境恶劣，燃油中还含有一定量的硫，在燃烧过程中与碳元素生成燃灰盐类沉积物，另外在高温下阀盘面会被腐蚀形成氧化物和硫化物，排气阀受到机械负荷和热负荷共同作用下其表面氧化层破碎，从而加速了氧化和热腐蚀的进程，在表面形成腐蚀坑而造成局部的应力集中，再加上阀盘的硬度略低于正常值容易形成空穴，叠加高温燃气的腐蚀作用，阀面上产生局部凹坑，称为麻点。当麻点集聚到一定大小和深度就会造成漏气，再次加剧排气门烧蚀形成裂纹。

排气门颈部弯曲现象由于颈部受到高温冲刷，材料属性发生变化，在落座时气门锥面常受到各向不等的撞击力从而发生失效形式；气门底盘长期处于高温燃气环境，燃烧产生的废气高温腐蚀现象明显。由图5可见试样晶界清晰，晶粒分布较均匀，其裂纹两侧明显的腐蚀拓展还有对应的麻点分布，是典型的高温腐蚀现象。

排气门采用材料为Ni80A耐高温合金，随着温度的升高其热膨胀率也会增大，材料层之间温度存在差异会导致变形滑移的不一致，使得疲劳裂纹的增生与扩张更加容易快速。可以通过已有的排气门温度场进行热固耦合分析，得出热应力分布和气门膨胀示意图如图6和图7所示，更加直观准确地观测到气门失效变形的集中点。

可见结果中气门锥面处热应力最大，达到44 MPa。此处温差较大，盘底持续与高温燃气对流换热，锥面60%时间与温度较低的阀座接触导热开启时与高温废气对流换热造成热应力集中现象。在锥面处排气门还受到落座的冲击载荷，气门头部在高温下容易发生蠕变产生掉块和裂纹，从而导致气门密封性不足使得发动机无法正常运转。图7所示盘底变形最大可达到1.3 mm的变形，在排气门运作过程中气门的盘部长期处于高温燃气中，热量顺阀杆向上传导，排气门变形度呈阶梯型。分析失效气门，头部裂纹、掉块、烧蚀等问题占到气门失效比例的70%。

4 试验验证

使用整体硬度法测温验证气门温度场的准确度。整体硬度法是将已固熔的气门在一定范围内，用不同的时效温度对其进行处理。随着温度逐渐升高气门硬度会单调递减，可以做出气门材料的温度-硬度“标准曲线”^[9]。

取相同工艺处理之后淬硬的Ni80A型排气门23个，其热处理工艺为：固熔温度1020℃时长为1.5 h，时效温度700℃时长16 h之后将其时效温度从320℃～760℃范围内分为22级，每级温差为20℃保温时间为10 h^[10]。将试件从四角切出4个硬度测试试件，选取试件颈部、弧面、锥面、盘底各位置3处测点，每个试件的硬度测点如图8所示。

对4个式样在不同位置都进行硬度测试，取硬度值的平均值可得出Ni80A的时效温度-硬度“标准曲线”如图9所示。

在某型柴油机额定工况下采用相同工艺固溶时效的排气门，进行台架试验。在运转一段时间后取出排气门，并且在圆周切出4个试件并且在颈部、弧面、锥面和盘底各取3个硬度测试点，得出相应的硬度与标准曲线作比较，试样所得硬度值如表4所示。

由结果可知，本文仿真温度场与整体硬度法温度场结果相近，进一步验证了本文的有限元温度场分析切实可行。

5 结　语

1）针对排气门受热过程的复杂性，本文使用分区分析热边界条件将柴油机一个周期内瞬态温度变化转换成稳态计算，得到了切合实际的温度场分布。

2）排气门热点主要集中在气门颈部和盘底中心位置，最高温度达到700℃，对排气门运动过程进行分析，颈部热点由于高温废气集中冲刷且换热条件相比其他部位更差；盘底长期处于高温环境中，热量难以很好的传导。最低温度在气门杆处，此处热量来源于气门头部的热传导，在冷却水和导管的热交换条件下，热量散失很快。

3）对Ni80A材料进行拉伸试验，得出与温度相关的物性参数，代入有限元计算中，保证有限元计算的精确性。结合温度场对排气门进行热固耦合分析，得出气门热应力分布和气门变形度。可见热应力集中在气门锥面处而变形呈梯度，盘底变形最大。

4）利用整体硬度法对排气门温度场进行验证，实验所得数据显示模拟结果真实可效。可以利用模拟参数对排气门生命周期进行预测分析。