柴油機(jī)掉缸故障檢測(cè)及排除

張悅，史文獻(xiàn),2，吳士軍,2，周帥，周明勝,2

1.濰柴動(dòng)力揚(yáng)州柴油機(jī)有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；3.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機(jī)掉缸是指柴油機(jī)正常工作時(shí)突然出現(xiàn)一個(gè)或者一個(gè)以上的氣缸不能正常工作，通常表現(xiàn)為柴油機(jī)工作異常或動(dòng)力不足，高、中、低轉(zhuǎn)速時(shí)各缸工作不均勻并且有節(jié)奏地抖動(dòng)。出現(xiàn)掉缸現(xiàn)象可導(dǎo)致汽車油耗增大，動(dòng)力下降，加速無(wú)力，行車噪聲加大，嚴(yán)重影響行車安全[1-2]。

本文中針對(duì)某輕型柴油機(jī)在使用一段時(shí)間后發(fā)生的掉缸故障，采用臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試、道路振動(dòng)測(cè)試、振動(dòng)疲勞試驗(yàn)以及端子保持力測(cè)試等分析方法[3-5]，對(duì)噴油器接插件失效模式進(jìn)行分析，確定掉缸故障原因并提出改進(jìn)措施，通過(guò)市場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證改進(jìn)措施有效。

1 故障原因分析

1.1 掉缸故障描述

某四缸直列輕型柴油機(jī)在使用過(guò)程中突然出現(xiàn)動(dòng)力不足，并且觸發(fā)跛行回家功能，明顯感覺(jué)到柴油機(jī)工作不穩(wěn)定，整機(jī)振動(dòng)大、噪聲異常。服務(wù)站工作人員進(jìn)行故障初步排查，對(duì)噴油器接插件進(jìn)行插拔試驗(yàn)，確認(rèn)存在柴油機(jī)掉缸現(xiàn)象，對(duì)故障接插件稍作處理重新插接后柴油機(jī)恢復(fù)正常，但是運(yùn)行一段時(shí)間后故障重現(xiàn)。

噴油器端子側(cè)有2個(gè)針腳，線束端子側(cè)有2個(gè)母接頭，兩者對(duì)接后通過(guò)鎖扣固定。為了排查噴油器掉缸原因，對(duì)故障接插件進(jìn)行物理解剖，發(fā)現(xiàn)噴油器針腳狀態(tài)良好，表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的磨損和燒蝕；但線束接頭端子頭部發(fā)暗，存在嚴(yán)重的磨損和燒蝕現(xiàn)象。

初步分析表明，噴油器端子與線束端子之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致噴油器針腳與線束內(nèi)側(cè)接頭瞬間分開(kāi)，再次接觸時(shí)產(chǎn)生火花，火花將線束端子接頭灼傷，導(dǎo)致噴油器接插件出現(xiàn)開(kāi)路，柴油機(jī)出現(xiàn)掉缸、限扭現(xiàn)象[6-8]。

1.2 臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試

在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行柴油機(jī)噴油器振動(dòng)測(cè)試[9-10]，依據(jù)噴油器振動(dòng)時(shí)域加速度限值、頻域加速度峰值保持(peak-hold)限值2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)估噴油器本體振動(dòng)情況。加速度傳感器布置在各缸噴油器本體上，如圖1所示。噴油器振動(dòng)測(cè)試工況為柴油機(jī)整個(gè)外特性工況，在3 min內(nèi)，柴油機(jī)沿外特性工況從最高空車轉(zhuǎn)速勻速降低到最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，記錄噴油器振動(dòng)情況，信號(hào)采樣頻率為12.8 kHz，頻率分辨率為6.1 Hz。加速度方向定義如下：柴油機(jī)后端指向前端為+x向，豎直向上為+z向，由右手定則確定+y向。

圖1 傳感器在噴油器布置示意圖

噴油器振動(dòng)加速度時(shí)域最大限值為1200 m/s2；噴油器頻域軸向振動(dòng)加速度限值如表1所示，橫向振動(dòng)加速度峰值保持限值如表2所示。

表1 噴油器軸(z)向振動(dòng)頻域加速度限值

表2 噴油器橫(x、y)向振動(dòng)頻域加速度峰值保持限值

噴油器臺(tái)架振動(dòng)時(shí)域測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，x、y、z3個(gè)方向加速度均小于1200 m/s2。

a)x、y向 b)z向

噴油器臺(tái)架振動(dòng)頻域加速度曲線如圖3所示。由圖3可知，x、y、z3個(gè)方向加速度均未超過(guò)噴油器振動(dòng)限值。

a)x、y向 b)z向

臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明，柴油機(jī)本體振動(dòng)不是掉缸故障的直接原因。

1.3 道路振動(dòng)測(cè)試

在國(guó)內(nèi)某試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行整車道路試驗(yàn)，評(píng)估噴油器在實(shí)際道路工況下振動(dòng)情況。加速度傳感器布置位置及噴油器振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試相同。測(cè)試道路為碎石路，路面狀況復(fù)雜惡劣，整車采用3擋行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在1000～1200 r/min，此時(shí)噴油器的大部分振動(dòng)由路面激勵(lì)通過(guò)整車懸置系統(tǒng)傳遞而來(lái)。噴油器道路振動(dòng)時(shí)域測(cè)試結(jié)果如圖4所示，由圖4可知，x、y、z3個(gè)方向加速度基本滿足噴油器振動(dòng)限值要求。

a)x、y向 b)z向

噴油器道路振動(dòng)頻域加速度測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，x、y、z3個(gè)方向加速度均小于噴油器振動(dòng)限值。

a)x、y向 b)z向

根據(jù)道路振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，排除道路振動(dòng)引起噴油器掉缸的可能。結(jié)合臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，可以確定振動(dòng)不是柴油機(jī)掉缸故障的直接原因。

1.4 振動(dòng)疲勞試驗(yàn)

噴油器接插件所受的振動(dòng)主要來(lái)自兩個(gè)方面：1)噴油器端本體振動(dòng)；2)線束支架或整車引起的線束強(qiáng)迫振動(dòng)。在振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)噴油器線束進(jìn)行振動(dòng)疲勞耐久試驗(yàn)，檢查噴油器接插件在振動(dòng)作用下是否出現(xiàn)開(kāi)路，以找到噴油器線束故障原因和改進(jìn)方向[11-13]。

為確認(rèn)造成噴油器線束故障的主要振動(dòng)因素，制定如表3所示的試驗(yàn)方案，考核方向根據(jù)噴油器實(shí)際安裝在柴油機(jī)上的狀態(tài)確定。

表3 噴油器線束振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方案

主線束自由狀態(tài)模擬噴油器本體振動(dòng)與主線束拉扯共同作用；主線束扎牢狀態(tài)只模擬噴油器端本體振動(dòng)作用，4種線束安裝狀態(tài)見(jiàn)圖6～9。

圖6 主線束自由狀態(tài) 圖7 主線束扎牢狀態(tài) 圖8 主線束自由、直角轉(zhuǎn)接拆除 圖9 主線束扎牢、直角轉(zhuǎn)接拆除

振動(dòng)疲勞計(jì)算邊界輸入?yún)⒖紘娪推髋_(tái)架振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，考慮產(chǎn)品性能和裝配一致性，預(yù)留安全系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在各頻率峰值基礎(chǔ)上放大1.2倍，如圖10所示(圖中g(shù)為自由落體加速度)。

圖10 噴油器臺(tái)架振動(dòng)疲勞計(jì)算邊界

噴油器線束振動(dòng)疲勞考核結(jié)果見(jiàn)表4，由表4可得以下結(jié)論。

表4 振動(dòng)疲勞考核結(jié)果

1)在z向振動(dòng)激勵(lì)作用下，主線束無(wú)論是自由狀態(tài)還是扎牢狀態(tài)，規(guī)定的24 h試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)均未發(fā)生接插件斷路故障，說(shuō)明z向線束拉扯和z向噴油器本身振動(dòng)均不易導(dǎo)致斷路故障。

2)在y向振動(dòng)激勵(lì)作用、主線束扎牢狀態(tài)下，規(guī)定的24 h試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)未出現(xiàn)斷路故障，表明噴油器本身y向振動(dòng)不易導(dǎo)致接插件斷路；在y向振動(dòng)激勵(lì)作用、主線束在自由狀態(tài)下，發(fā)生斷路故障，故障表現(xiàn)為接插件母頭外側(cè)面存在磨損，接線端子存在磨損并燒蝕，接插件出現(xiàn)斷路，說(shuō)明y向上的線束拉扯是導(dǎo)致接插件斷路故障的主要原因。

3)針對(duì)在y向振動(dòng)激勵(lì)作用下容易出現(xiàn)接插件斷路現(xiàn)象，進(jìn)一步評(píng)估主線束在扎牢和自由狀態(tài)下拆除直角接頭對(duì)斷路的影響，均沒(méi)有發(fā)生斷路故障，表明直角接頭對(duì)y向線束拉扯起放大作用。對(duì)比其他同類噴油器布置的線束型式，直角接頭應(yīng)用較少，因此噴油器線束的直角接頭建議取消。

將噴油器線束安裝到噴油器上，分別在z向和y向晃動(dòng)主線束，可以明顯看到y(tǒng)向晃動(dòng)時(shí)線束接插件與噴油器端存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明接線端子和接線柱之間也存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而z向上基本看不出相對(duì)運(yùn)動(dòng)的跡象。

因此，從振動(dòng)疲勞角度分析，噴油器線束故障與線束y向拉扯有關(guān)，需要從設(shè)計(jì)層面對(duì)y向拉扯進(jìn)行約束。

1.5 端子保持力測(cè)試

在線束端子拉拔力測(cè)試機(jī)上，進(jìn)行接插件端子保持力測(cè)試[14]，考察接插件端子在使用過(guò)程中工作是否可靠。分別對(duì)全新接插件和故障接插件進(jìn)行線束端子與噴油器端子保持力測(cè)試。

保持力測(cè)試線束端子樣本數(shù)量為10件，其中，1～3號(hào)試樣為全新壓接端子，4～10號(hào)為故障線束壓接端子。保持力測(cè)試結(jié)果如表5所示，其中Fmax為最大保持力、dm為最大保持力時(shí)變形、Fbreak為拉脫保持力、db為拉脫時(shí)變形。由表5可知，全新端子拉脫時(shí)保持力為6.77～7.30 N，而故障線束壓接端子拉脫時(shí)保持力為1.04～2.45 N，故障線束壓接端子保持力遠(yuǎn)低于全新端子。

表5 端子保持力測(cè)試結(jié)果

導(dǎo)致端子保持力變小的原因是線束端連接器出現(xiàn)折彎，端子長(zhǎng)時(shí)間處于外界拉扯力作用下，導(dǎo)致端子間隙逐漸變大。

2 改進(jìn)措施

為消除柴油機(jī)掉缸風(fēng)險(xiǎn)，采取以下措施進(jìn)行改進(jìn)。

1)更改噴油器電磁閥安裝轉(zhuǎn)角。插接件直角結(jié)構(gòu)不合理是導(dǎo)致端子保持力劣化的主要原因，因此重新設(shè)計(jì)接插件走向，將噴油器電磁閥順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度，同時(shí)取消接插件直角設(shè)計(jì)。

2)優(yōu)化線束走向，重新設(shè)計(jì)大剛度的線束固定支架，并更換性能更穩(wěn)定的接插件端子。原發(fā)動(dòng)機(jī)線束過(guò)長(zhǎng)，線束約束程度不夠，導(dǎo)致線束對(duì)噴油器插接件容易形成拉扯力。重新設(shè)計(jì)線束走向，采用大剛度的固定支架，同時(shí)采用性能更加穩(wěn)定的接插件端子，可以有效避免拉扯力的產(chǎn)生，改善端子保持力劣化程度。

3)優(yōu)化高壓油管走向并增加固定管夾。重新優(yōu)化高壓油管走向，減少高壓油管與主線束的干涉，同時(shí)在合適的位置增加固定管夾，進(jìn)一步降低噴油器本體振動(dòng)，有利于改善噴油器接插件的工作環(huán)境。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間市場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，改善效果非常明顯，掉缸故障徹底消除。

3 結(jié)語(yǔ)

柴油機(jī)掉缸故障原因比較復(fù)雜，主要原因通常來(lái)自于點(diǎn)火系統(tǒng)和燃油噴射系統(tǒng)。本次柴油機(jī)掉缸故障根源在于噴油器接插件端子保持力可靠性不穩(wěn)定，在線束拉扯力和振動(dòng)相互作用下導(dǎo)致接觸件出現(xiàn)斷路故障。通過(guò)改進(jìn)噴油器接插件結(jié)構(gòu)型式，采用更穩(wěn)定的接插件端子，優(yōu)化線束走向，重新設(shè)計(jì)大剛度的固定支架，優(yōu)化高壓油管管型并增加固定管夾等措施，徹底消除掉缸故障。