某型柴油发动机气门破裂失效分析及优化_温拾平.pdf

第 44 卷（2022）第 6 期Vol.44（2022）No.6柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2022.06.007某型柴油发动机气门破裂失效分析及优化温拾平1，陈婷2，赵江1，钟巍1，高维进1（1.江铃汽车股份有限公司，南昌330030；2.江西经济管理干部学院，南昌330088）摘要：针对某型柴油发动机在试验中出现的拉缸、气门破裂问题，结合金相、电镜、能谱分析等手段，分析发动机失效的机理和原因，并提出优化方案。经耐久试验验证，该方案稳定有效，故障问题得到解决。关键词：柴油机；气门；破裂；失效中图分类号：TK423.4+3文献标志码：B文章编号：1001-4357（2022）06-0033-04Failure Analysis of Valve Fracture on a Diesel Engine and its OptimizationWEN Shiping1，CHEN Ting2，ZHAO Jiang1，ZHONG Wei1，GAO Weijin1，（1.Jiangling Motors Co.，Ltd.，Nanchang 330030，China；2.Jiangxi Institute of Economic Administrators，Nanchang 330088，China）Abstract：Aiming at the problems of ring scuffing and valve fracture in the test of a certain type of dieselengine，methods including metallography，electron microscopy，energy spectrum analysis were used toanalyze the failure mechanism and causes，and the optimization scheme was proposed.The durabilitytest shows that the scheme is stable and effective，the failure is solved.Key words：diesel engine；valve；fracture；failure0引言气门是发动机配气系统的关键部件之一，承担控制发动机气体交换及密封燃烧室的重要作用1-3。某型柴油发动机在高速高负荷工况试验时，出现转矩下降、窜气量升高、发动机抖动的问题。经内窥镜检查，发现第4缸缸孔拉缸。为解决上述问题，开展故障排查和原因分析。1故障现象拆检故障发动机，发现第4缸拉缸。对第4缸进行仔细检查，发现：第 8排气门掉块，见图 1；活塞顶部严重“磕碰”，见图2和图3；第8排气门导管及排气门座圈出现偏磨，见图4。图1第8排气门掉块结构与可靠性收稿日期：2021-06-23；修回日期：2021-07-24第44 卷第6 期34柴 油 机2故障机理分析由于该发动机失效现象较多，须梳理出各失效现象之间的相互联系，以便精准分析故障原因。分析认为第4缸气门导管及排气门座圈的偏磨导致气门倾斜，气门倾斜后与缸孔磕碰使得气门盘部破损掉块，掉块落入缸内导致缸孔拉缸及活塞顶面磕碰。故后续的分析重点在于气门与导管座圈之间产生偏磨的原因及机理。2.1装机材料和尺寸复测复测故障发动机的气门、导管、座圈、活塞等零件的材质和尺寸，均符合设计要求。2.2磨损量分析采用气动量仪对故障发动机的导管和座圈磨损量进行测量，对比装机前的数据，计算磨损量，如图5和图6所示。检测发现气门杆部及盘部未出现明显异常磨损。2.3电镜分析2.3.1气门电镜检测分析用电镜对故障机气门进行检测，发现气门盘部密封锥面存在“机械刮擦痕迹”，其余气门盘部电镜未出现异常，见图7。2.3.2座圈电镜检测分析采用50倍超景深电镜对故障机气门座圈进行检测，发现失效排气门座圈最大处密封面部分缺损，见图 8，其余座圈密封面较为平整，无明显异常。图5导管磨损量图6座圈磨损量图7气门电镜检测图2第4缸活塞顶部“磕痕”图3缸孔顶部“嗑痕”，拉缸图4第8排气门导管及座圈偏磨2022 年 11 月35温拾平等：某型柴油发动机气门破裂失效分析及优化在SEM高倍电镜下，发现失效气门座圈存在明显的积炭，并黏附不明物质，在其密封锥面可见0.174 mm“异物”，见图9。经能谱分析（如图10所示），该“异物”含45%C，39.5%O，4.6%Al，7.5%Fe。2.4运行边界分析2.4.1发动机运行边界台架监控数据如图11所示，可以看出：发动机失效前功率和转矩均正常；失效前一周开始，第4缸排气道温度较其余3个缸的高，随着运行时间的延长，第4缸排气温度持续升高。据此可判定发动机失效前，第4缸排气门与座圈之间存在密封不严的问题，导致高温燃气泄漏，进而造成第4缸排气道温度较高。2.4.2发动机缸内燃烧温度分析将试验后的活塞送检，发现第四缸燃烧温度与其余三缸基本相当，不存在燃烧过热的情况，见表 1。其中第 3 缸测点 1 温度监测值因故异常，弃用。2.4.3喷油器流量检测试验后的喷油器送检，4缸喷油器流量基本相同，均在设计限值范围内。2.5失效机理分析失 效 发 动 机 座 圈 和 气 门 密 封 面 存 在“异物”，导致气门密封锥面产生机械刮擦痕迹，进而引起密封不严漏气；高温燃气破坏了导管与气门杆部之间的润滑，导致导管异常磨损；导管的异常磨损使得气门无法与座圈保持良好接触，导致座圈偏磨；当磨损极度恶化后，气门倾斜并与缸孔磕碰，气门盘部异常受力而破损掉块；气门掉块进入缸内引起拉缸。3异物来源分析3.1零件清洁度该发动机失效前已长时间试验运行，且装机前工作人员对零件进行了严格的清洁度检测，故可排除零件清洁度超差是导致“异物”存在的原因。3.2燃烧积炭结合电镜对“异物”的能谱分析结果，该“异物”主要成分为C和O，与燃烧产物 4 高度吻合。当润滑油燃烧时，不易燃烧及不能燃烧的组分构成了燃烧废气中的灰分。当排气门的自清洁能力不足时，灰分的量会不断增大，最终结垢，导致气门关闭不严；关闭不严的气门无法把热量传给气门座圈，导致气门局部过热；由于灰分为硬物质，硬度很高，在发动机长时间运行下，灰分会损伤气门座圈密封锥面，进而引起密封不严。图8气门座圈电镜检测图9气门座圈密封锥面“异物”图10“异物”能谱分析图11发动机排气温度监测表1活塞表面温度监测单位：测点测点1测点2测点3测点41缸3603853953902缸3753903903903缸3753903804缸380400395400第44 卷第6 期36柴 油 机4优化方案4.1优化方案制定提高气门座圈之间的自清洁能力，避免灰分增加的有效方式是促进气门的旋转或提升气门与座圈之间的接触力。从拆检情况看，失效发动机气门旋转正常，故决定提升气门与座圈之间的接触力，即增大气门弹簧力。经分析，最终优化方案为将弹簧力提高15%。4.2优化方案温度场分析气门弹簧力提升后，重新进行计算分析校核，气门、座圈、导管温度均在许用温度范围内，见图12。4.3优化方案效果验证提升气门弹簧力后，该发动机顺利通过2台模拟用户台架耐久试验及2台高周疲劳耐久试验，如图13所示。目前该型发动机已顺利量产，年销量约为3万台，市场反应良好。5结论针对某型柴油发动机在试验中出现的拉缸、气门破裂问题，结合金相、电镜等检测手段，快速识别出失效原因。基于失效产生机理，提出了增加排气门弹簧弹力的方案，有效提高了排气门的自清洁能力，提升了该机的运行可靠性。参考文献1 张薇，刘柯军，胥洲，等发动机气门几种常见的失效案例分析J 汽车工艺与材料，2021（4）：57-62DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20200083.2 李广卫发动机气门弹簧断裂的分析及解决方案J 内燃机与配件，2020（14）：29-323 吉林大学汽车工程系汽车构造 M.5版.北京：人民交通出版社，20064 张铁，谢存禧，韦安和LPG/柴油双燃料发动机燃烧产物的分析J 内燃机，2001（4）：27-29DOI：10.3969/j.issn.1000-6494.2001.04.009.图12CAE温度场分析结果图13优化后气门试验情况