高原環(huán)境下某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)氣門(mén)挺柱斷裂故障分析

陸軍裝備部駐泰安地區(qū)軍事代表室 于德澤，譚東東，張 超，劉 浩

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，往返于高原地區(qū)的運(yùn)輸車輛越來(lái)越多。為減少或避免高原地區(qū)運(yùn)輸車輛發(fā)動(dòng)機(jī)故障，本文通過(guò)采用故障樹(shù)分析法全面分析了高原環(huán)境下某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)氣門(mén)挺柱斷裂故障原因，并針對(duì)故障原因介紹了可采取的應(yīng)對(duì)措施，對(duì)降低高原地區(qū)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)故障率具有一定的指導(dǎo)意義。

發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)是進(jìn)、排氣管道的控制結(jié)構(gòu)，大多為氣門(mén)式配氣機(jī)構(gòu)，主要由氣門(mén)組和氣門(mén)傳動(dòng)組組成。根據(jù)氣門(mén)安裝位置的不同，配氣機(jī)構(gòu)可分為氣門(mén)頂置式配氣機(jī)構(gòu)和氣門(mén)側(cè)置式配氣機(jī)構(gòu)。本文所分析的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)為氣門(mén)頂置式，主要由凸輪、氣門(mén)挺柱、推桿、搖臂、氣門(mén)和氣門(mén)彈簧等組成。

1 故障現(xiàn)象

一輛搭載某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)輸車，累計(jì)行駛里程約為5 900 km，在高原環(huán)境下出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)異響問(wèn)題。故障發(fā)生地點(diǎn)位于海拔3 680 m，當(dāng)日最低氣溫為-28 ℃，最高氣溫為-12 ℃。經(jīng)拆解檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的氣門(mén)挺柱發(fā)生斷裂（圖1）。

圖1 斷裂的氣門(mén)挺柱

2 故障分析

采用故障樹(shù)分析法，以氣門(mén)挺柱斷裂為頂事件建立故障樹(shù)（圖2），并對(duì)各項(xiàng)事件逐一展開(kāi)分析排查。

圖2 以氣門(mén)挺柱斷裂為頂事件建立故障樹(shù)

2.1 材料、硬度不符

零部件材料和硬度不符合要求，可能導(dǎo)致零部件早期變形。依托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)氣門(mén)挺柱化學(xué)成分和硬度進(jìn)行檢測(cè)，化學(xué)成分為珠光體、鐵素體和石墨，表面HRC為22.6，芯部HRBW為94.7，符合要求。對(duì)氣門(mén)挺柱進(jìn)行斷口分析，斷口為脆性過(guò)載斷裂斷口，因此可以判斷氣門(mén)挺柱受到凸輪沖擊時(shí)產(chǎn)生異常受力，導(dǎo)致?lián)p壞。因此故障件的材料和硬度因素可以排除。

2.2 潤(rùn)滑不良

如果氣門(mén)挺柱座和氣門(mén)挺柱間潤(rùn)滑不良，可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)副卡滯，造成氣門(mén)挺柱斷裂。經(jīng)分析，具體分為2種原因。

（1）機(jī)油不符合要求。按照車輛使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)中要求，車輛在-30 ℃～30 ℃環(huán)境溫度中工作時(shí)，應(yīng)使用5W-30型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油。經(jīng)查，故障發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際加注使用的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油與技術(shù)要求相符。經(jīng)拆解檢查，氣門(mén)挺柱座和氣門(mén)挺柱各運(yùn)動(dòng)副之間均無(wú)卡滯現(xiàn)象。因此機(jī)油不符合要求這一因素可以排除。

（2）油路堵塞。經(jīng)拆解檢查，氣門(mén)挺柱和氣門(mén)挺柱座間的各油道暢通，無(wú)堵塞，因此該因素可以排除。

2.3 氣門(mén)積炭

氣門(mén)積炭會(huì)造成氣門(mén)卡滯，配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)組件運(yùn)行受阻，進(jìn)而可能導(dǎo)致氣門(mén)挺柱受力過(guò)大發(fā)生斷裂。經(jīng)分析，可能存在兩種原因使氣門(mén)產(chǎn)生積炭。

（1）高原、低溫環(huán)境影響。在高原環(huán)境下，空氣稀薄，氧氣含量減少，而發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量恒定，空燃比下降，造成燃油燃燒不充分。在排氣過(guò)程中，部分未燃燒的柴油遇氧氣再次燃燒形成后燃現(xiàn)象，造成氣缸體溫度過(guò)高，高溫環(huán)境導(dǎo)致機(jī)油和未燃燒的柴油裂化，形成積炭及膠狀物。

（2）怠速運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。在實(shí)際使用中，為保障車輛發(fā)動(dòng)機(jī)處于熱機(jī)狀態(tài)，使用人員每天早晚會(huì)各起動(dòng)一次車輛，具體操作為：起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行怠速（轉(zhuǎn)速為650 r/min）預(yù)熱，直至排氣管不再冒白煙。同時(shí)也會(huì)檢查底盤(pán)取力裝置是否能夠正常使用，具體操作流程為：在空擋怠速狀態(tài)下，踩下離合器踏板→按下取力開(kāi)關(guān)接通取力器→接合離合器→將離合器踏板踩到底，徹底分離離合器→按下取力器開(kāi)關(guān)，取力器斷開(kāi)→緩慢松開(kāi)離合器踏板。

操作完成后立即熄火結(jié)束，整體時(shí)長(zhǎng)約為1 h。在此過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)始終以怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，渦輪增壓器提供給發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力較小，加之高原低溫環(huán)境，空燃比下降幅度較大，噴油量恒定，加劇了燃油不充分燃燒，產(chǎn)生較多的積炭和膠狀物，最終會(huì)導(dǎo)致氣門(mén)挺柱運(yùn)動(dòng)不暢，配氣機(jī)構(gòu)中的氣門(mén)挺柱受異常沖擊，發(fā)生斷裂。

經(jīng)拆解檢查，發(fā)現(xiàn)氣門(mén)上的積炭和膠狀物較多（圖3），因此氣門(mén)積炭這個(gè)因素不能排除。

圖3 進(jìn)、排氣門(mén)有較多的積炭

2.4 氣門(mén)間隙大

氣門(mén)間隙變大，可能會(huì)導(dǎo)致配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生沖擊，當(dāng)氣門(mén)間隙超出一定范圍，沖擊力超出氣門(mén)挺柱、挺桿的承受范圍，造成斷裂。檢查發(fā)動(dòng)機(jī)各氣門(mén)間隙，均滿足技術(shù)要求（進(jìn)氣門(mén)間隙為0.2 mm，排氣門(mén)間隙為0.3 mm）。因此，該因素可以排除。

經(jīng)對(duì)故障樹(shù)所列可能因素逐一排查分析，認(rèn)為造成發(fā)動(dòng)機(jī)故障的主要原因?yàn)椋涸诟咴蜏丨h(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，氣門(mén)處產(chǎn)生積炭和膠狀物，導(dǎo)致氣門(mén)傳動(dòng)組運(yùn)動(dòng)不暢，氣門(mén)挺柱受到異常沖擊，發(fā)生斷裂。

3 原因分析

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)將柴油噴射到高溫、高壓的燃燒室內(nèi)進(jìn)行壓燃工作。若要保證燃油混合氣按預(yù)期著火，必須保證燃燒室在壓縮終點(diǎn)達(dá)到一定的壓力和溫度，并且在燃料和空氣的配比方面必須要有較大的過(guò)量空氣系數(shù)才能保證完全燃燒。在海拔4 000 m的高原，氣壓為61.6 kPa，僅為海平面的60.8%，大氣的含氧量下降約為33%，加之長(zhǎng)期怠速，由此造成柴油機(jī)燃燒室的充氣密度降低，過(guò)量空氣系數(shù)降低，燃燒不充分，功率下降，著火延遲，過(guò)量的燃油不能在氣缸內(nèi)完全燃燒。在排氣過(guò)程中部分未燃燒的柴油遇氧氣再次燃燒，造成氣缸體及渦輪增壓器溫度過(guò)高，高溫導(dǎo)致機(jī)油和未燃燒的柴油裂化，形成積炭及膠狀物。

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中排氣門(mén)打開(kāi)，在高原、低溫和怠速環(huán)境中形成的氣缸燃燒室內(nèi)積炭和膠狀物大部分從排氣管排出，有極少部分會(huì)沉積在氣門(mén)和氣門(mén)導(dǎo)管縫隙中。因后燃原因，氣門(mén)處溫度較高，膠狀物較軟，運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)發(fā)生卡滯。停機(jī)后，氣門(mén)和氣門(mén)導(dǎo)管恢復(fù)至大氣溫度，膠狀物會(huì)因低溫變得堅(jiān)硬，將排氣門(mén)和氣門(mén)導(dǎo)管黏連并造成卡滯，氣門(mén)挺柱運(yùn)動(dòng)不暢，從而使氣門(mén)挺柱、挺桿等氣門(mén)傳動(dòng)組零件受到異常沖擊力，出現(xiàn)氣門(mén)挺柱斷裂、挺桿彎曲等現(xiàn)象。

查看維修手冊(cè)發(fā)現(xiàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門(mén)桿與氣門(mén)導(dǎo)管的標(biāo)準(zhǔn)間隙為0.08 mm～0.11 mm；進(jìn)氣門(mén)與氣門(mén)導(dǎo)管的標(biāo)準(zhǔn)間隙為0.06 mm～0.095 mm。將故障發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸的進(jìn)、排氣門(mén)和進(jìn)、排氣門(mén)導(dǎo)管直徑進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣門(mén)積炭嚴(yán)重，進(jìn)排氣門(mén)與進(jìn)、排氣門(mén)導(dǎo)管間的間隙不合格。

4 結(jié)論

車輛在高原環(huán)境下使用，特別是怠速時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易造成燃油在氣缸內(nèi)不能完全燃燒，產(chǎn)生積炭，導(dǎo)致排氣門(mén)和氣門(mén)導(dǎo)管黏連卡滯，氣門(mén)挺柱運(yùn)動(dòng)不暢，從而使氣門(mén)挺柱、挺桿等零件異常受力沖擊，出現(xiàn)氣門(mén)挺柱斷裂等問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，可采取以下措施。

（1）拆卸氣缸蓋，定期清理氣門(mén)積炭和膠狀物，更換發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣門(mén)油封。

（2）調(diào)整噴油泵噴油量。為使柴油和空氣的配比合適，以保證完全燃燒，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)噴油泵的噴油量，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境中使用。

（3）完善使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)。在高原環(huán)境下（海拔高于1 000 m），氣門(mén)間隙應(yīng)每250 h調(diào)整1次，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油每6個(gè)月更換1次。