汽油機高壓燃油系統滾子挺筒失效案例分析

俞 京，李曉明，邢 政，徐茂生，許軍軍

（奇瑞汽車股份有限公司動力總成集成院，安徽 蕪湖 241000）

1 前言

隨著排放法規(guī)的加嚴及消費者對汽車動力性、經濟性需求的提升，缸內直噴技術已得到廣泛應用，并將成為提升汽油發(fā)動機性能的主流技術［1］。高壓燃油系統是缸內直噴發(fā)動機的核心系統，系統壓力由高壓油泵驅動機構保證。該機構機械部分包括驅動凸輪、滾子挺筒和高壓油泵。滾子挺筒是該機構的關鍵零件之一，主要功能是將驅動凸輪的驅動力傳遞給高壓油泵柱塞壓縮燃油，以達到系統所需的燃油壓力。滾子挺筒出現故障，可能會導致軌壓不穩(wěn)、燃燒異常，甚至熄火。分析滾子挺筒的失效模式和失效機理，并對現有設計不斷優(yōu)化具有重要意義。目前對缸內直噴發(fā)動機滾子挺筒的失效研究還不足，同類零件的失效研究主要集中在柴油機的油泵滾輪，失效形式主要為異常磨損［2］、滾輪碎裂［3］。

本文對某汽油機滾子挺筒嚴重磨損、燒蝕、碎裂故障，作了排查、分析、論證和改進。該案例失效原因和損壞程度較為罕見。由于滾子挺筒一般布置在缸蓋內部，加大了失效排查難度，本文對該案例的分析和驗證方法可供參考借鑒。

2 故障描述

某汽油機在臺架試驗早期，發(fā)現多例發(fā)動機性能異常下降、軌壓波動大，最后甚至不能建立高壓。拆機檢查發(fā)現滾子挺筒出現不同程度損壞，滾子挺筒故障統計見表1。

3 故障分析

從失效件的不同損壞程度來看，該失效過程可以分為疲勞剝落、塑性變形和止動磨損3個階段。故障件磨損位置附近，均出現明顯的回火色，表現為大面積黃色，局部藍紫色，見圖1。通過回火色判斷，磨損處溫度已經在275℃以上。當滾針軸承工作溫度超過120℃時，其硬度即開始快速下降，軸承外圈會出現材料剝落、軸向變寬徑向變薄，直至損毀。溫度達到275℃時，滾針軸承額定壽命降低到設計壽命 （1000h）的1／5以下，即200h以內。實際失效時間也發(fā)生在10～180h之間。

圖1 失效件回火色

可以判斷滾子挺筒損壞是由于溫度過高引起滾針軸承硬度下降而導致的疲勞失效。

4 原因分析

4.1 熱量的產生與傳遞

發(fā)動機工作時，油泵驅動機構高速運轉，各摩擦副間產生熱量 （圖2）。尤其是滾子挺筒，最大轉速可達9000r／min，產生大量熱量。為使產熱和散熱達到平衡，需要給滾子挺筒提供潤滑和冷卻。原潤滑方式為飛濺潤滑，由潤滑噴嘴將潤滑油噴射到驅動凸輪形成油膜，對驅動凸輪和滾針軸承外圈潤滑，同時高速旋轉的凸輪會將潤滑油飛濺到銷軸、挺筒，以實現對滾針軸承內部、挺筒與導孔之間的潤滑。

滾針軸承的熱量主要通過潤滑油液傳遞帶走，驅動凸輪、挺筒也可傳遞部分熱量。挺筒與缸蓋導孔產生的熱量主要通過缸蓋和潤滑油液散發(fā)。

表1 滾子挺筒故障統計

圖2 熱量產生位置和傳遞路徑示意圖

4.2 失效原因鎖定

對驅動力、關鍵尺寸、裝配過程等維度排查，無異常。經對發(fā)動機倒拖發(fā)現潤滑噴嘴處的潤滑油呈半球狀冒出，不能形成油柱噴射到驅動凸輪上，見圖3。且油量逐漸減少，約半分鐘后停止出油。進一步拆機發(fā)現噴嘴內側有金屬顆粒物。

檢查同一批發(fā)動機耐久試驗后未失效樣件，軸承外圈、滾針、軸承銷的表面顆粒物壓痕處材料去除均在1μm以內，滿足要求，見圖4。排除金屬顆粒直接導致滾子挺筒失效，將滾子挺筒溫度過高的原因鎖定為潤滑冷卻不良。

圖3 潤滑油噴射狀態(tài)

圖4 試驗后正常件狀態(tài)

4.3 潤滑冷卻不良的原因分析

潤滑噴嘴取油點在油道末端，裝配過程中以及油道上相關零件運行過程中產生的金屬顆粒容易堆積在此，造成噴嘴堵塞，使得潤滑油射程和流量不足，驅動機構摩擦副間不能形成有效的潤滑油膜，導致熱量急劇產生。同時，由于沒有足量流動的油液，摩擦產生的熱量不能及時有效往外傳遞，造成滾針軸承高熱，從而被燒蝕損壞。而此時挺筒的熱量可往缸蓋及時傳導，所以僅靠近軸承區(qū)域燒蝕嚴重。

5 優(yōu)化方案

增大噴嘴喉徑可降低堵塞風險，但在保證油壓和射流高度前提下，噴嘴喉徑不能過大，無法從根本上規(guī)避風險。

經過分析比較其他潤滑形式，決定采用側油孔壓力潤滑方案，并取消噴嘴，見圖5。通過挺筒上下運動送油，降低潤滑機構對顆粒物的敏感度。

經600h等多輪耐久試驗后，滾子挺筒無燒蝕、異常磨損失效，軸承及挺筒磨損量滿足要求。

圖5 優(yōu)化方案示意圖

6 結論及建議

6.1 結論

1）導致該發(fā)動機滾子挺筒失效的原因是高溫燒蝕，而非摩擦副間進入金屬顆粒。

2）導致高溫的原因是噴嘴堵塞引起的潤滑冷卻不良。

3）使用側油孔壓力潤滑方案有效解決了該失效問題。

6.2 建議

1）GDI發(fā)動機滾子挺筒由于負荷較大，產生的高熱必須及時散發(fā)，僅靠油霧潤滑仍存在失效風險，建議為其提供獨立潤滑機構。

2）設計時需充分考慮潤滑的可靠性，取油點建議設在油道上流速較大的位置。

3）建議將驅動機構布置在遠離熱源的位置，如布置到進氣側，同時優(yōu)化熱管理系統，將機油溫度控制在120℃以下，以提高滾子挺筒壽命。