內(nèi)燃機(jī)氣缸磨損原因和預(yù)防分析

張寧

摘要：內(nèi)燃機(jī)氣缸是高度耐磨損的部件，折合成活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)能達(dá)到數(shù)十億次之多。盡管內(nèi)燃機(jī)氣缸的磨損是不可避免的，但是通過總結(jié)其規(guī)律，分析其原因，能夠最大程度上減小磨損，延長壽命。但是氣缸的磨損規(guī)律高度復(fù)雜，工作環(huán)境多變復(fù)雜，活塞連桿機(jī)構(gòu)在氣缸里長期進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，磨損程度受到多種因素的影響，因此必須要對(duì)其磨損原因進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的解決策略。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);發(fā)動(dòng)機(jī);氣缸磨損

0 ?引言

內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜，這使之能夠在高溫、高速、摩擦、受力、震動(dòng)等惡劣環(huán)境下持續(xù)作業(yè)。一般的發(fā)動(dòng)機(jī)即使在大修之前也能跑50萬公里，這說明其磨損非常之小，甚至可以忽略不計(jì)，但是只要有摩擦就會(huì)產(chǎn)生損耗，為了進(jìn)一步降低損耗，延長發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，就要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損的原因進(jìn)行分析。當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)模塊化還沒有發(fā)展到一定水平，內(nèi)燃機(jī)的拆解可能面臨著更多的隱患，因此其大保養(yǎng)還存在很大的技術(shù)難題，所以在目前，改善設(shè)計(jì)的水平，提高加工的精度和改善機(jī)油的品質(zhì)。

1 ?氣缸磨損規(guī)律的探析

1.1 氣缸磨損的原理分析

內(nèi)燃機(jī)活塞并不與氣缸壁直接接觸，通過多道活塞環(huán)與氣缸壁密封，摩擦面積減少，磨損的幾率就大大降低。同樣，活塞環(huán)也不與氣缸壁直接接觸，通過潤滑油實(shí)現(xiàn)減少摩擦的作用。因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)中，氣缸壁和活塞環(huán)都不能絕對(duì)光滑，所以在摩擦過程中，一部分不光滑的部分率先磨平。實(shí)際工作中，發(fā)動(dòng)機(jī)不可能完全燃燒，比如火花塞受損，發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化受到影響，燃燒就不充分，如果發(fā)動(dòng)機(jī)故障傳感器進(jìn)一步受損，那么這種情況就會(huì)長期存在而不被發(fā)現(xiàn)，這樣就大大損害發(fā)動(dòng)機(jī)。究其根本，內(nèi)燃機(jī)氣缸之所以磨損非常小，因?yàn)闈櫥桶l(fā)揮了良好的作用。所以對(duì)于機(jī)車來說，定期更換機(jī)油，同時(shí)使用高質(zhì)量的機(jī)油至關(guān)重要。目前圍繞缸壁進(jìn)行的處理主要是涂層和真圓處理，通過這些方式確保潤滑油的使用效率，如果這些措施還不行，那么就需要檢驗(yàn)活塞環(huán)，氣門油封等，這屬于內(nèi)燃機(jī)大修的范圍，在拆除和處理的過程中也容易出現(xiàn)問題，如果處理不當(dāng)磨損同樣會(huì)增加。需要注意的是燃燒控制是一個(gè)不確定的過程，無論搭配進(jìn)氣提前角和延后角或者點(diǎn)火提前角等方式，實(shí)質(zhì)上都不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。盡管燃燒過程是循環(huán)的，其波動(dòng)周期有規(guī)律可循，但是在循環(huán)過程中有諸多因素需要考慮，比如燃控當(dāng)量比、EGR、循環(huán)質(zhì)量產(chǎn)生的因素等。

1.2 氣缸磨損的規(guī)律分析

盡管燃燒過程是不確定的，但是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸磨損存在規(guī)律，正常磨損是不均勻的，如果出現(xiàn)均勻磨損或者固定位置磨損，那么可能是出現(xiàn)某一部件的故障。一般來說，在活塞環(huán)區(qū)域會(huì)出現(xiàn)一個(gè)錐形磨損軌跡。氣缸磨損最嚴(yán)重的位置在上止點(diǎn)第一道活塞環(huán)的氣缸壁。在氣缸徑向截面內(nèi)，呈現(xiàn)不規(guī)則橢圓形的磨損，一般來說，進(jìn)氣門對(duì)面的磨損最嚴(yán)重。如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的前后兩缸磨損最大，這是因?yàn)槠淅鋮s強(qiáng)度大，長期在低溫下工作造成的?？傮w來說，氣缸軸向截面的磨損呈現(xiàn)出圓錐形，形成缸肩，徑向界面呈不規(guī)則的橢圓形，增大氣缸的圓度偏差。對(duì)于水冷內(nèi)燃機(jī)來說，第一缸前壁和最后一缸的后壁磨損作為嚴(yán)重。

從氣缸磨損規(guī)律中可以大致分析出內(nèi)燃機(jī)的工作狀態(tài)，如果表面有拉傷痕跡，說明內(nèi)燃機(jī)可能處于高溫狀態(tài)，或者是長時(shí)間處于超負(fù)荷狀態(tài)。如果測(cè)量結(jié)果顯示磨損量較大，那么可能是內(nèi)燃機(jī)的保養(yǎng)不到位，還可能是機(jī)油不達(dá)標(biāo)，保養(yǎng)工作不及時(shí)，或者是內(nèi)燃機(jī)使用時(shí)間過長。如果氣缸圓度誤差過大，那說明活塞受力過大，內(nèi)燃機(jī)可能爆震燃燒的頻率較高。如果呈現(xiàn)中間大兩頭小的磨損規(guī)律，那么可能是工作環(huán)境灰塵大或者機(jī)濾受到損害等原因造成的。

2 ?內(nèi)燃機(jī)磨損的原因分析

2.1 基于氣缸工作原理帶來的機(jī)械磨損

機(jī)械磨損是不可避免的，其磨損程度和背壓力、側(cè)壓力、活塞環(huán)自身的彈力、材質(zhì)、加工精度和配合間隙等因素有關(guān)。典型代表包括背壓力給氣缸造成的錐形磨損，導(dǎo)致潤滑條件變差，形成干摩擦，隨著背壓力的逐漸減小，呈現(xiàn)出錐形模型。在側(cè)壓力下，高壓氣體通過活塞向量測(cè)產(chǎn)生壓力，氣缸壁左右兩側(cè)磨損較大，產(chǎn)生偏磨現(xiàn)象，因此產(chǎn)生橢圓形的磨損。由于精度、材質(zhì)和配合間隙等問題，氣缸磨損間隙增加，導(dǎo)致上部磨損較大。同樣，這也和內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸有關(guān)，內(nèi)燃機(jī)在設(shè)計(jì)過程中會(huì)考慮熱變形，這是一種復(fù)雜的非線性作業(yè)狀態(tài)，因?yàn)闅飧自诠ぷ鬟^程中不同的材料、機(jī)油、冷卻液在不確定條件下相互作用，缸套、缸體、活塞會(huì)產(chǎn)生各自的變形，設(shè)計(jì)上不能完善的考慮這些尺寸，因?yàn)橛捎谶@些機(jī)械原因而產(chǎn)生的變形是不確定的。因此，如果在設(shè)計(jì)中伸縮性過小，那么由于熱變形等應(yīng)力變化就容易磨損現(xiàn)象。比如，在高溫高速強(qiáng)負(fù)荷的零件表面，當(dāng)出現(xiàn)潤滑不良、冷卻不足且負(fù)荷較大的狀況時(shí)，局部高溫會(huì)導(dǎo)致熔融粘著或剝落，甚至?xí)茐臍飧自械膸缀涡螤?，?yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致氣缸報(bào)廢，因此在內(nèi)燃機(jī)大修等狀況下，非常容易產(chǎn)生這類風(fēng)險(xiǎn)。從微觀上來看，氣缸壁上有細(xì)微的小孔，構(gòu)成了蓄水池，受到活塞橫向高頻振動(dòng)的影響，產(chǎn)生起泡和爆炸，形成壓力波，導(dǎo)致金屬表面發(fā)生小塊剝落，形成穴蝕孔洞?；钊h(huán)斷裂也會(huì)對(duì)氣缸造成影響，從而加劇氣缸的機(jī)械磨損。

2.2 操作不當(dāng)帶來的腐蝕和磨料磨損

冷啟動(dòng)時(shí)，由于潤滑油的粘度高，在啟動(dòng)過程中由于油多在底殼，因此會(huì)產(chǎn)生干磨，天氣越冷或者駕駛越激烈就會(huì)導(dǎo)致摩擦越為嚴(yán)重。對(duì)于有啟停技術(shù)的車輛，熱車機(jī)油變稀，熄火后機(jī)油流到底殼，再次發(fā)動(dòng)時(shí)就會(huì)造成較大的磨損。如果在燃油中有雜質(zhì)或者空氣中有顆粒同樣會(huì)造成磨損現(xiàn)象，因此越是使用高標(biāo)號(hào)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命越長。任何臟東西都會(huì)造成缸壁的磨損，尤其是我國一些小加油站，燃油品質(zhì)不過關(guān)，發(fā)生磨損的幾率就很大。另一個(gè)問題是發(fā)動(dòng)機(jī)積碳，積碳的發(fā)動(dòng)機(jī)不但燃燒質(zhì)量下降從而引起磨損，而且活塞環(huán)位移、失圓、卡滯等問題也會(huì)產(chǎn)生摩擦。一般情況下，在熱車過程中暴力駕駛，潤滑油沒有充分發(fā)揮作用，就會(huì)造成磨損現(xiàn)象。但是在冬季極低溫度下，如果熱車時(shí)間過長，又會(huì)造成積碳現(xiàn)象。短途駕車也會(huì)導(dǎo)致磨損現(xiàn)象的發(fā)生，比如非常短的距離，水溫還沒上來，在冷車狀態(tài)下運(yùn)行，金屬間隙存在差異，機(jī)油粘度分布也不均勻，長期這樣開車對(duì)缸體損傷較大。

活塞潤滑冷卻噴嘴一般的直徑在1mm以下，在高粘度狀態(tài)下流速較慢，其目的是用于高負(fù)荷狀態(tài)下冷卻活塞。由于活塞和氣缸壁之間的間隙很小，間隙間會(huì)留有油膜，但是只存在于側(cè)向力的兩個(gè)方向，而不是覆蓋整個(gè)一圈，這就導(dǎo)致在冷機(jī)狀態(tài)下會(huì)有水凝結(jié)，在暴力駕駛過程中容易造成前側(cè)磨損，從而導(dǎo)致常見的拉缸現(xiàn)象。如果機(jī)油長時(shí)間不更換發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)就會(huì)有積碳，同時(shí)雜質(zhì)積累會(huì)出發(fā)自我保護(hù)機(jī)制，從而使與過濾的機(jī)油流入潤滑系統(tǒng)，這就對(duì)于活塞工作產(chǎn)生影響，從而造成磨損現(xiàn)象。

2.3 保養(yǎng)不當(dāng)帶來的腐蝕和磨料磨損

上部磨損，構(gòu)造引起的磨損，因?yàn)闇囟雀?、潤滑條件差，受到空氣和燃料的沖刷和稀釋，導(dǎo)致氣缸上部處于半摩擦等狀態(tài)，長期下去導(dǎo)致嚴(yán)重磨損。氣缸套表面脫落，在一些內(nèi)燃機(jī)氣缸的燃燒過程中，會(huì)產(chǎn)生水蒸氣和酸性物質(zhì)，燃燒過程中還會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸，這樣氣缸就長期處于酸性環(huán)境中，由此造成了腐蝕，在摩擦過程中容易將活塞環(huán)刮掉，從而造成氣缸套變形等現(xiàn)象發(fā)生。中部磨損，同時(shí)由于密封性不足或者工作中的其他問題，導(dǎo)致一些灰塵和雜質(zhì)進(jìn)入到氣缸當(dāng)中，這也會(huì)導(dǎo)致氣缸磨損，在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，由于中部位置的運(yùn)動(dòng)速度最大，所以中部造成的磨損最嚴(yán)重。

由于空氣濾清器效率低等因素，灰塵沙粒等進(jìn)入到氣缸中，氣缸內(nèi)部零件的磨損就會(huì)增加，如果空氣濾缺乏保養(yǎng)，那么氣缸套的磨損就會(huì)增加。根據(jù)實(shí)驗(yàn)顯示，如果內(nèi)燃機(jī)不安裝空氣濾，那么磨損可能超過8倍以上。內(nèi)燃機(jī)長期低溫運(yùn)作也是一個(gè)重要因素，在冬季，內(nèi)燃機(jī)燃燒不良，非常容易造成積碳現(xiàn)象，這也會(huì)導(dǎo)致氣缸套的磨損。在低溫下，同樣會(huì)引起電化學(xué)腐蝕磨損，由于混合氣沒有充分燃燒，導(dǎo)致部分燃油和廢氣粘附在內(nèi)壁，所形成的酸性物質(zhì)對(duì)內(nèi)壁造成長期腐蝕。機(jī)油長期使用會(huì)產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，如果不能及時(shí)更換機(jī)油，那么其潤滑效果就會(huì)顯著下滑。機(jī)油濾和空氣濾的效果不佳也會(huì)造成雜質(zhì)進(jìn)入過多，降低機(jī)油的純度，從而嚴(yán)重磨損氣缸套。

維修問題同樣會(huì)造成氣缸套磨損，如果氣缸套的位置安裝不當(dāng)，比如中心線和曲軸軸線沒有垂直等問題，在安裝中還可能存在其它誤差，這些誤差和不精確都會(huì)造成非常正常磨損現(xiàn)象。很多時(shí)候，維修人員都沒有非常系統(tǒng)的知識(shí)，他們一般是依靠在修理過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，使用簡單設(shè)備輔助，因?yàn)椴僮髁鞒毯驮O(shè)備等問題就容易造成誤差。比如在連桿銅套孔偏斜的過程中，如果鉸刀傾斜就會(huì)造成活塞銷中心線與連桿小頭中心線不平行。在這種情況下，活塞會(huì)像氣缸套的某一方向傾斜，這樣氣缸套會(huì)就發(fā)生磨損。

磨損腐蝕會(huì)對(duì)破壞氣缸表面的原有的油膜，如果引起化學(xué)反應(yīng)，零件的表面就會(huì)發(fā)生腐蝕，甚至?xí)斐闪慵砻娴男螤钭兓驮缙谀p。氣缸壁內(nèi)產(chǎn)生酸性物質(zhì)會(huì)使氣缸壁表面組織松散，會(huì)被活塞環(huán)刮掉，尤其在高溫條件下磨損嚴(yán)重。新鮮混合氣進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)對(duì)氣缸壁造成冷卻，這導(dǎo)致進(jìn)氣門腐蝕磨損大，造成橫向界面不均勻。

3 ?減少氣缸磨損的措施

要減少缸磨損，首先要正確啟動(dòng)車輛，避免因?yàn)闄C(jī)油粘度大導(dǎo)致啟動(dòng)瞬間不能良好潤滑的缺點(diǎn)，因此在啟動(dòng)車輛時(shí)，應(yīng)該讓發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)幾圈，這樣其表面能夠充分潤滑。在啟動(dòng)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該緩慢怠速，機(jī)油溫度逐漸上升到40℃以后再起步，低檔起步，逐漸正常升檔，直到油溫升高之后，再進(jìn)行正常行駛。同時(shí)確保發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度在80℃到90℃左右，在溫度過低的情況下，氣缸壁的磨損會(huì)加劇。當(dāng)水溫降低到50℃時(shí)，氣缸壁的磨損會(huì)增加4倍，因此，平時(shí)要看住水溫，避免因?yàn)楣?jié)溫器等器件損害造成大循環(huán)導(dǎo)致水溫降低，造成發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸磨損。當(dāng)溫度升高時(shí)，氣缸的抗磨損能力會(huì)明顯降低，在溫度極度升高時(shí)，甚至?xí)a(chǎn)生“脹缸”現(xiàn)象，因此水溫不宜過高。平時(shí)開車要減少暴力駕駛，結(jié)合操作的特點(diǎn)平穩(wěn)駕駛，減少因?yàn)轳{駛帶來的損耗。

嚴(yán)格按照技術(shù)流程維修內(nèi)燃機(jī)，強(qiáng)化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用在線診斷和智能檢測(cè)等技術(shù)，多采用傳感器監(jiān)控內(nèi)燃機(jī)的狀態(tài)。在對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行維修時(shí)，需要測(cè)量圓度誤差和圓柱度誤差來計(jì)算磨損量，使用設(shè)備為量缸表，以曲軸為坐標(biāo)，平行和垂直兩個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量，取上中下三個(gè)點(diǎn)位，上下第一個(gè)點(diǎn)位離氣缸上下段大約都在10mm左右。減少零件的裝配誤差，各種配件符合技術(shù)要求，連桿不能彎曲變形，避免發(fā)生偏磨現(xiàn)象。

要在設(shè)計(jì)上進(jìn)一步創(chuàng)新，使用新工藝、新材料和新技術(shù)，結(jié)合新的算法進(jìn)一步把握其故障特征。以材料方面為例采用鋁合金等材料比傳統(tǒng)鑄鐵材料熱脹冷縮效應(yīng)更加明顯，因此在可以設(shè)計(jì)上進(jìn)行創(chuàng)新，在活塞塔頂做隔熱，在活塞裙邊做涂層耐磨，提升其耐磨性。

重視內(nèi)燃機(jī)的保養(yǎng)，要定期對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行清洗，避免積碳現(xiàn)象，采用高效清洗劑等進(jìn)行清洗，保證內(nèi)燃機(jī)最佳工作狀態(tài)。對(duì)水箱進(jìn)行保養(yǎng)，清理水垢和銹跡，提升氣缸的散熱能力，減少因?yàn)樯岵缓脦淼哪p。要加強(qiáng)對(duì)零部件的表面強(qiáng)化處理，提升其抗磨能力，保留交互交叉的細(xì)微網(wǎng)紋，對(duì)鑄鐵氣缸表明進(jìn)行激光強(qiáng)化處理，提升表面硬度值，延長氣缸的使命壽命。在配缸過程中，嚴(yán)格按照技術(shù)要求，第一缸的間歇略大，最后一缸的間隙略小，保證各缸的磨損均勻?；钊h(huán)要保證其方向正確，“三隙”正常，特別要防止機(jī)油竄入燃燒室燃燒。

4 ?結(jié)語

只要?dú)飧自诠ぷ鬟^程中，活塞發(fā)生運(yùn)動(dòng)，磨損現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。內(nèi)燃機(jī)氣缸在高溫、高壓、腐蝕和各種負(fù)荷下工作，要延長其使用壽命，就要系統(tǒng)總結(jié)其磨損規(guī)律，分析其磨損原因，提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

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