汽車柴油機(jī)耐久試驗(yàn)方法與活塞典型失效模式淺析

李忠

(江鈴汽車股份有限公司動(dòng)力總成開發(fā)部，江西南昌 330000)

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汽車柴油機(jī)耐久試驗(yàn)方法與活塞典型失效模式淺析

李忠

(江鈴汽車股份有限公司動(dòng)力總成開發(fā)部，江西南昌 330000)

當(dāng)今柴油機(jī)不僅具有動(dòng)力性強(qiáng)、省油的特點(diǎn)，而且排放和振動(dòng)噪聲水平也得到極大的提升，越來越多的車型已搭載柴油機(jī)作為動(dòng)力源，并且這種趨勢(shì)正在逐漸擴(kuò)大，因此對(duì)汽車用柴油機(jī)的可靠性和耐久性提出了更高的要求。結(jié)合實(shí)際工作情況，介紹柴油機(jī)耐久試驗(yàn)方法，簡(jiǎn)要分析活塞的典型失效模式。

柴油機(jī)；耐久性試驗(yàn)；活塞；典型失效模式

0 引言

隨著高壓共軌、渦輪增壓、缸內(nèi)直噴等技術(shù)不斷應(yīng)用在柴油機(jī)上，柴油機(jī)不僅在商用車(特別是輕卡、皮卡、重卡)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，而且，越來越多的乘用車如SUV、部分轎車都開始搭載柴油機(jī)動(dòng)力，市場(chǎng)對(duì)柴油機(jī)的大需求、高要求也日益凸顯，這就要求各生產(chǎn)企業(yè)能夠在更短的研發(fā)周期里開發(fā)出具有更高可靠性和耐久性的產(chǎn)品。作者結(jié)合自身公司的開發(fā)實(shí)際，淺析了某公司柴油機(jī)耐久試驗(yàn)方法和活塞的典型失效模式。

1 可靠性試驗(yàn)方法

1.1 可靠性試驗(yàn)分類

柴油機(jī)的考核指標(biāo)通常分為性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)，可靠性指標(biāo)反映了柴油機(jī)保持其性能指標(biāo)的能力[1]。通過開發(fā)階段的可靠性試驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的柴油機(jī)的可靠性，暴露其薄弱之處，制定改進(jìn)措施消除薄弱環(huán)節(jié)，從而使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求和客戶的使用要求。當(dāng)前，柴油機(jī)可靠性試驗(yàn)分為零部件可靠性試驗(yàn)和整機(jī)可靠性試驗(yàn)。

整機(jī)可靠性試驗(yàn)是以整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)為考核對(duì)象驗(yàn)證其可靠性的試驗(yàn)，通常包括：高負(fù)荷耐久試驗(yàn)、高速怠速試驗(yàn)、最大扭矩試驗(yàn)、深度熱沖擊試驗(yàn)等。這些試驗(yàn)通過采用非常規(guī)的交變負(fù)荷、熱負(fù)荷、最大機(jī)械負(fù)荷工況，驗(yàn)證各零部件及子系統(tǒng)之間相互作用的可靠性。

零部件可靠性試驗(yàn)室是以零部件為考核對(duì)象、專門制定工況驗(yàn)證其可靠性的專項(xiàng)試驗(yàn)，通常包括：活塞熱循環(huán)試驗(yàn)、活塞熱伸長(zhǎng)試驗(yàn)、活塞開裂試驗(yàn)、排氣歧管開裂試驗(yàn)、前端輪系振動(dòng)試驗(yàn)、缸墊熱沖擊試驗(yàn)、EGR氣道污染試驗(yàn)、考核起動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)怠速停機(jī)試驗(yàn)、考核管路支架類零件的振動(dòng)失效試驗(yàn)等。這些試驗(yàn)往往采取極端惡劣的交變負(fù)荷或熱負(fù)荷進(jìn)行考核，能在短時(shí)間內(nèi)驗(yàn)證零部件材料、制造工藝、裝配公差等的合理性。

1.2 試驗(yàn)方法

以考核整機(jī)可靠性的高負(fù)荷可靠性試驗(yàn)為例，參看圖1。

圖1 循環(huán)工況分布圖

試驗(yàn)循環(huán)中負(fù)荷為最大負(fù)荷的80%～100%，轉(zhuǎn)速主要分布在2 000～4 000 r/min，尤其以(3 250±500) r/min占的比例較大，因?yàn)樵撛囼?yàn)的柴油機(jī)的額定功率轉(zhuǎn)速為3 250 r/min，額定扭矩轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。整個(gè)循環(huán)歷時(shí)6.86 h，整個(gè)試驗(yàn)共運(yùn)行176個(gè)循環(huán)，持續(xù)時(shí)間為1 202 h[2]。

1.3 檢查和保養(yǎng)

對(duì)于柴油機(jī)臺(tái)架可靠性試驗(yàn)來說，檢查和保養(yǎng)是很重要的環(huán)節(jié)。檢查可以分為試驗(yàn)前檢查、試驗(yàn)過程中檢查、試驗(yàn)后檢查3個(gè)階段。試驗(yàn)前檢查主要包括：標(biāo)定數(shù)據(jù)版本、風(fēng)扇皮帶張力、機(jī)油液位、冷卻液液位、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)任何形式的泄漏和零件失效、額定功率工況排氣背壓和增壓器表面溫度穩(wěn)定性、發(fā)動(dòng)機(jī)外特性性能、竄氣量和竄油量水平、怠速及額定功率轉(zhuǎn)速下的冷卻液流量等；試驗(yàn)過程中檢查主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)任何形式的泄漏和零件失效、機(jī)油液位、機(jī)油碳煙、試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)各性能參數(shù)(特別是最大靜功率、最大靜扭矩、油耗、排氣溫度等)；試驗(yàn)后檢查主要包括：機(jī)油消耗量、氣缸壓縮壓力、竄氣量等。保養(yǎng)主要包括：更換機(jī)油、機(jī)油濾清器、空氣濾清器、柴油濾清器等[3]。

2 活塞失效模式及分析

活塞是柴油機(jī)中最重要的零件之一，一旦它出現(xiàn)失效，輕者影響性能，重者造成柴油機(jī)喪失工作能力。某公司的一款2.2 L柴油機(jī)在開發(fā)階段可靠性試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)多起活塞失效，其失效形式如下：

2.1 熔頂

活塞熔頂失效主要是因?yàn)榛钊敳烤植窟^熱引起溫度超過活塞材料的熔點(diǎn)而導(dǎo)致的。如圖2所示，該活塞熔頂失效發(fā)生在該公司2.2 L柴油機(jī)在運(yùn)行1 202 h高負(fù)荷可靠性試驗(yàn)至86 h發(fā)生的。從圖中可以看到:活塞頂部已出現(xiàn)嚴(yán)重缺失和變形。經(jīng)排查分析，該失效是因?yàn)榛钊鋮s噴管被松脫的連桿螺栓撞擊破裂，引起活塞冷卻不暢，從而溫度過高導(dǎo)致的。

圖2 活塞熔頂失效

關(guān)于柴油機(jī)活塞熔頂失效，大致梳理了以下幾點(diǎn)原因：

(1)機(jī)油冷卻噴管堵塞或斷裂，引起活塞冷卻不暢；

(2)活塞含有氣孔、夾渣、疏松、微裂紋等鑄造缺陷；

(3)噴油器出現(xiàn)霧化不好、滴油等工作不良現(xiàn)象，造成活塞局部溫度過高；

(4)水流量不夠?qū)е律岵涣迹钊L(zhǎng)時(shí)間處在高溫狀態(tài)。

2.2 開裂

在該款柴油機(jī)耐久試驗(yàn)過程中，活塞開裂失效也出現(xiàn)多起。經(jīng)分析，此類失效主要原因有如下兩個(gè)：

原因一：活塞鑄造含有缺陷，氧化皮的厚度超過了允許值。如圖3所示，裂紋沿活塞在銷軸方向貫穿整個(gè)活塞頂部并擴(kuò)展至燃燒室和環(huán)槽，燃燒室出現(xiàn)了較大的穿孔。通過對(duì)裂紋進(jìn)行電鏡放大觀察，很明顯地觀察到一個(gè)寬0.7 mm、深0.23 mm的氧化皮，經(jīng)查明這是導(dǎo)致活塞開裂的主要原因。

圖3 鑄造缺陷導(dǎo)致活塞開裂失效

原因二：外部顆粒進(jìn)入缸內(nèi)，造成活塞頂面凹陷，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中引起裂紋。該機(jī)在運(yùn)行臺(tái)架可靠性試驗(yàn)至669 h時(shí)，出現(xiàn)沿活塞銷軸方向的裂紋，整個(gè)裂紋貫穿燃燒室和活塞頂部并向活塞環(huán)擴(kuò)散。通過對(duì)裂紋斷面進(jìn)行電鏡放大觀察(如圖4所示)，可以發(fā)現(xiàn)在裂紋初始方向上有一個(gè)0.5 mm×0.5 mm的凹坑，凹坑斷面處活塞已產(chǎn)生了塑性變形，該變形引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致活塞在高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)裂紋。

圖4 應(yīng)力集中導(dǎo)致活塞開裂失效

2.3 頂面凹坑麻點(diǎn)

從圖5可見，在活塞的頂部有很多深淺不一的大小凹坑，部分凹坑中還鑲嵌著金屬類顆粒。通常異物可能來自于以下幾方面：

圖5 活塞頂面凹坑麻點(diǎn)失效

(1)隨氣流經(jīng)氣道進(jìn)入燃燒室；

(2)氣門碎片落入燃燒室。

為了避免異物進(jìn)入缸內(nèi)，應(yīng)該嚴(yán)格控制進(jìn)排氣歧管、缸蓋氣道等零件的清潔度；按保養(yǎng)要求更換空氣濾清器濾芯。

2.4 氣門打頂

如圖6所示，在活塞的頂部表面可以看到清晰的活塞撞擊留下的壓痕，該失效形式一般為活塞的早期失效，產(chǎn)生的主要原因一般如下：

(1)正時(shí)相位發(fā)生變化，導(dǎo)致氣門開啟時(shí)間變化；

(2)氣門間隙發(fā)生變化；

(3)軸瓦磨損嚴(yán)重導(dǎo)致活塞行程變化，活塞運(yùn)行至上止點(diǎn)時(shí)突出量變大；

(4)凸輪軸與軸座間隙過大，導(dǎo)致氣門升程變大。

圖6 活塞打頂失效

3 結(jié)論

結(jié)合作者工作實(shí)際，介紹了汽車柴油機(jī)可靠性試驗(yàn)分類、方法、過程中檢查和保養(yǎng)，并結(jié)合1 202 h高負(fù)荷可靠性試驗(yàn)具體說明；與此同時(shí)，以某公司一款2.2 L柴油機(jī)為例，淺析了柴油機(jī)活塞典型失效模式，以供參考。

[1]黃海燕.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)學(xué)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2]CETP: 03.00-L-3xx(34)(I) 1202hr High Load System Durability Test[S].2005.

[3]GB/T 19055-2003汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法[S].

Analysis on Durability Test Methods of Diesel Engine and Classic Failure Model of Piston

LI Zhong

(Powertrain Engineering Department of Jiangling Motor Co., Ltd., Nanchang Jiangxi 330000, China)

Not only diesel engine has the characteristic of stronger power and saving fuel, but also the emission and NVH are improved greatly.Diesel engine is more and more taken as vehicles power, so higher requirements are raised for diesel engine’s reliability and durability. According to actual working condition, reliability testing methods for diesel engine and classic failure model analysis for piston were introduced.

Diesel engine; Durability testing; Piston; Classic failure model

2017-06-07

李忠，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)可靠性及耐久性。E-mail：liz_nc@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.019

U464.172

B

1674-1986(2017)07-072-03