一起發(fā)動機(jī)積炭清洗不當(dāng)引發(fā)的搗缸事故分析

杭州愛卡汽車維修服務(wù)有限公司 李軍總

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鄭堯軍

1 案由

某地發(fā)生一起奔馳C180L轎車發(fā)動機(jī)搗缸事故，車輛的基本信息如下：該車是2017年1月生產(chǎn)的，搭載274 910發(fā)動機(jī)，整車型號為BJ7164GL。根據(jù)維修檔案記錄，2019年11月3日，車主將該車送到某汽車修理廠進(jìn)行保養(yǎng)，保養(yǎng)過程中更換了4個火花塞，做過氣路、油路清洗。11月11日，車主駕駛車輛出車庫時發(fā)生了發(fā)動機(jī)搗缸事故。因案情需要對該奔馳車發(fā)動機(jī)搗缸原因進(jìn)行質(zhì)量鑒定。

2 車輛發(fā)動機(jī)的現(xiàn)狀

（1）發(fā)動機(jī)上部外觀正常，外圍部件無破損情況。檢查空氣濾清器、節(jié)氣門體、中冷器、連接中冷器的進(jìn)氣管等，均正常。

（2）拆解下發(fā)動機(jī)氣缸蓋，發(fā)現(xiàn)第1缸燃燒室積炭較多，進(jìn)氣門邊緣有撞擊的痕跡（圖1）。其他3個缸良好。

圖1 第1缸進(jìn)氣門邊緣有撞擊的痕跡

（3）檢查氣缸體，對比第4缸活塞發(fā)現(xiàn)第1缸活塞沒有在上止點(diǎn)位置，第1缸活塞頂部垂直于活塞銷方向已開裂。另外，第1缸活塞已逆時針旋轉(zhuǎn)了90°（圖2），活塞頂部有碰撞的痕跡，與進(jìn)、排氣門上的痕跡能夠?qū)?yīng)上。

圖2 第1缸活塞已逆時針旋轉(zhuǎn)了90°

（4）如圖3、圖4所示，測得第1缸氣缸壁上第1道氣環(huán)上止點(diǎn)工作痕跡與氣缸體上平面之間的距離為6.5 mm，在氣缸壁朝前側(cè)，測得積炭下邊緣與氣缸體上平面之間的距離為11.5 mm，第1道氣環(huán)上止點(diǎn)工作痕跡部分已被積炭覆蓋。測得第2、3、4缸氣缸壁上積炭下邊緣與氣缸體上平面之間的距離均為6.5 mm，測得第1道氣環(huán)上止點(diǎn)工作痕跡與氣缸體上平面之間的距離也為6.5 mm。

圖3 第1道氣環(huán)上止點(diǎn)工作痕跡與氣缸體上平面之間的距離

圖4 積炭下邊緣與氣缸體上平面之間的距離

（5）檢查發(fā)動機(jī)底部，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)油底殼前端破損嚴(yán)重，機(jī)油泵集濾器表面干凈（圖5），無任何雜質(zhì)。如圖6所示，發(fā)動機(jī)氣缸體左側(cè)有2個打破的洞，右側(cè)打破的洞比較長。

圖5 機(jī)油泵集濾器表面干凈

圖6 發(fā)動機(jī)氣缸體左、右側(cè)被打破

（6）拆檢各氣缸的連桿活塞（圖7），發(fā)現(xiàn)第1缸連桿在中間位置斷裂，活塞裙部部分碎裂。而第2、3、4缸連桿活塞均正常。檢查各缸連桿瓦，未發(fā)現(xiàn)連桿瓦存在異常磨損情況。此外，曲軸上的連桿軸頸和主軸頸表面也都正常。

圖7 拆檢各氣缸的連桿活塞

（7）將斷裂的第1缸連桿送專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢驗(yàn)。

1）斷口觀察。如圖8所示，連桿斷口上有放射狀條紋，裂紋源位于連桿一側(cè)表面處，未發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞條紋，瞬斷區(qū)不平整，約占斷口橫截面的1/2。

圖8 連桿斷口

2）掃描電鏡檢查。由于連桿大頭側(cè)斷口與氣缸體多次擦碰并卡在了缸體上，故選擇連桿小頭側(cè)斷口處截取試樣進(jìn)行掃描電鏡分析。掃描電鏡結(jié)果顯示連桿斷口裂紋源部位無疲勞輝紋，存在磨損現(xiàn)象（圖9）；連桿瞬斷區(qū)部位無疲勞特征，也存在磨損現(xiàn)象（圖10）。

圖9 連桿斷口裂紋源形貌

圖10 連桿斷口瞬斷區(qū)形貌

3）硬度及化學(xué)成分分析。對連桿的硬度及化學(xué)成分進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表1所列。

表1 連桿硬度及化學(xué)成分的檢測結(jié)果

3 技術(shù)分析

3.1 發(fā)動機(jī)搗缸原因分析

通過現(xiàn)場勘驗(yàn)，可以判斷該車發(fā)動機(jī)受損是車輛行駛時，發(fā)動機(jī)第1缸連桿斷裂，打破左、右側(cè)氣缸體，造成曲軸卡死，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。第2、3、4缸氣缸壁上的積炭痕跡均衡等高，積炭下邊緣與氣缸體上平面之間的距離均為6.5 mm，與活塞火力岸的高度一致。而第1 缸氣缸壁朝前側(cè)的積炭痕跡位置明顯比其他缸低約5 mm，這說明第1缸活塞曾在低于上止點(diǎn)下方位置運(yùn)行了一段時間。而產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，第1缸的連桿在斷裂前已經(jīng)受到壓縮而發(fā)生了彎曲，連桿大、小頭之間的距離比正常狀態(tài)下縮短了約5 mm。

3.2 連桿彎曲變形的原因分析

通常，連桿發(fā)生彎曲變形有以下兩種情況：一是連桿受到了超過本身強(qiáng)度的極限壓力；二是連桿本身存在質(zhì)量問題，在正常工作壓力下就產(chǎn)生了變形。

對斷裂的連桿進(jìn)行檢測，連桿的硬度符合連桿圖零件說明要求，連桿的化學(xué)成分也符合牌號70MnVS4BY的要求。連桿斷口上有放射狀條紋，裂紋源位于連桿一側(cè)表面處，未見明顯的疲勞條紋；瞬斷區(qū)不平整，約占橫截面的1/2，這些說明連桿不存在高周疲勞且具有受到較大外力的特征。而且，如果是連桿本身質(zhì)量問題，彎曲變形的過程應(yīng)是漸進(jìn)的、連續(xù)的，第1道氣環(huán)不會在氣缸壁上留下清晰的上止點(diǎn)工作痕跡。因此，第1缸連桿的彎曲變形可以排除連桿本身的質(zhì)量問題所致。

現(xiàn)場勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第1缸氣缸壁上第1道氣環(huán)上止點(diǎn)工作痕跡與氣缸體上平面之間的距離為6.5 mm，在氣缸壁朝前側(cè)，積炭下邊緣與氣缸體上平面之間的距離為11.5 mm，原第1道氣環(huán)上止點(diǎn)工作痕跡部分被積炭覆蓋。這說明第1缸的連桿在彎曲的狀況下運(yùn)行時間不久，因此，只是在氣缸壁形成了積炭痕跡。若運(yùn)行時間更長的話，還會在低于上止點(diǎn)的位置形成第1道氣環(huán)的工作痕跡。根據(jù)維修檔案記錄，2019年11月3日使用清洗套裝進(jìn)行發(fā)動機(jī)氣路、油路清洗時的行駛里程為53 212 km，2019年11月11日發(fā)生搗缸時的行駛里程為53 375 km，期間只行駛了163 km，與上述分析相符，說明第1缸連桿彎曲變形是在這次保養(yǎng)過程中產(chǎn)生的。

根據(jù)提供的“發(fā)動機(jī)除炭施工指引”視頻，該套裝包含節(jié)氣門清潔劑、進(jìn)氣系統(tǒng)清洗劑、噴油器清洗劑、燃燒室泡沫清洗劑、三元催化還原修復(fù)劑等5款產(chǎn)品。清洗進(jìn)氣道時，需要在發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時進(jìn)行，使用專用設(shè)備將清洗劑從節(jié)氣門之前注入進(jìn)氣系統(tǒng)。當(dāng)調(diào)節(jié)不當(dāng)時，就會有多余的甚至大量的清洗劑積聚在進(jìn)氣歧管內(nèi)。清洗三元催化轉(zhuǎn)化器時，由于持續(xù)時間較長，且清洗劑的補(bǔ)充量較小，發(fā)生上述情況的可能性較小。當(dāng)清洗完畢后，需要將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提升至3 000 r/min以上進(jìn)行排煙。在怠速或低負(fù)荷運(yùn)行時，進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)的空氣流量較小，不會帶動積聚的清洗劑。當(dāng)突然加大加速踏板時，空氣流量會迅速增加，氣流就會帶動積聚的清洗劑從進(jìn)氣歧管進(jìn)入氣缸內(nèi)，在緊接著的壓縮行程中，進(jìn)、排氣門同時關(guān)閉，由于液體是不可壓縮的，從而造成壓縮行程后期氣缸內(nèi)的壓力異常升高，壓力升高值由液體量的多少和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速決定。當(dāng)進(jìn)入氣缸內(nèi)的液體量達(dá)到一定值時，排煙時的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高，就會迫使連桿發(fā)生彎曲變形，但發(fā)動機(jī)還能夠持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 連桿斷裂原因分析

由于發(fā)動機(jī)第1缸連桿的變形量約為5 mm，變形后的第1缸壓縮比約為6.7（發(fā)動機(jī)的缸徑是83.0 mm，活塞行程73.7 mm，標(biāo)準(zhǔn)壓縮比為10.3），變形后這個氣缸仍能繼續(xù)工作，所以發(fā)動機(jī)運(yùn)行時沒有明顯異常。但壓縮比降低后，燃燒溫度會有所降低，因此，第1缸活塞頂部和燃燒室內(nèi)的積炭會比其他缸嚴(yán)重。車輛低負(fù)荷行駛時，氣缸內(nèi)的燃燒壓力較低，連桿受到的壓力較小，連桿的損傷還不至于快速惡化。但當(dāng)車輛急加速、大負(fù)荷行駛時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出接近額定轉(zhuǎn)矩，這時氣缸內(nèi)的燃燒壓力非常高，連桿受到的壓力也會增加，原本已經(jīng)變形受損的連桿在這種周期性的高壓力作用下，損傷會逐漸積累，最后發(fā)生斷裂，斷裂的連桿在高速運(yùn)行中打破氣缸體，活塞在慣性作用下發(fā)生90°旋轉(zhuǎn)，在未到達(dá)上止點(diǎn)前停止運(yùn)行。

綜上分析，可排除連桿本身質(zhì)量問題導(dǎo)致連桿彎曲的可能性。連桿斷裂的原因應(yīng)該是，在清洗發(fā)動機(jī)積炭時進(jìn)氣歧管內(nèi)存有較多的清洗劑積液，且在排煙過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高，導(dǎo)致活塞在壓縮行程時氣缸內(nèi)壓力異常升高，第1缸連桿受到了超過本身強(qiáng)度的極限壓力而發(fā)生彎曲變形；在后續(xù)車輛使用過程中，變形受損的連桿在周期性高壓力作用下，損傷逐漸擴(kuò)大直至發(fā)生斷裂，斷裂的連桿在高速運(yùn)行時打破氣缸體（搗缸）。

4 事后建議

發(fā)動機(jī)積炭清洗過程中，尤其是在對進(jìn)氣道的積炭清洗時，一定要注意操作的規(guī)范性，很多類似清洗積炭的事故發(fā)生往往與操作不當(dāng)有關(guān)。比如清洗燃燒室，清洗后按規(guī)定必須使用內(nèi)窺鏡檢查燃燒室內(nèi)的殘留物情況，部分操作人員往往因?yàn)闆]有內(nèi)窺鏡或嫌內(nèi)窺鏡使用麻煩，沒有對燃燒室進(jìn)行檢查就去起動發(fā)動機(jī)，這往往會導(dǎo)致事故的發(fā)生。