汽車發動機活塞常見故障及其原因探索

藍恒

摘要：汽車發動機活塞是發動機中的重要零件之一，它與活塞環、活塞銷等零件組成活塞組，與氣缸蓋等共同組成燃燒室，承受燃氣作用力并通過活塞銷和連桿把動力傳給曲軸，以完成內燃發動機的工作過程。由于活塞處于一個高速、高壓和高溫的惡劣工作環境，極易出現各種各樣的故障模式，分析各種故障模式產生的原因，有助于設計及生產過程中不斷改善，能有效提升發動機質量，達成客戶滿意。關鍵詞：粉碎；磨損；潤滑；過熱

1活塞簡介

一般活塞都是圓柱形體，根據不同發動機的工作條件和要求，活塞本身的構造有各種各樣，一般將活塞分為頭部、裙部和活塞銷座三個部分，如圖1所示。頭部是指活塞頂端和環槽部分。活塞頂端完全取決于燃燒室的要求，頂端采用平頂或接近平頂設計有利于活塞減少與高溫氣體的接觸面積，使應力分布均勻。多數汽油機采用平頂活塞，有些發動機（例如直噴式柴油機和新型的缸內噴注汽油機）為了混合氣形成的需要，提高燃燒效率，將爆燃減少到最小程度，需要活塞頂端具有較復雜的形狀，設有一定深度的凹坑作為燃燒室的一部分。活塞的凹槽稱為環槽，用于安裝活塞環。活塞環的作用是密封，防止漏氣和防止機油進入燃燒室。活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是盡量保持活塞在往復運動中垂直的姿態，也就是活塞的導向部分。活塞銷座是活塞通過活塞銷與連桿連接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速發動機活塞銷座的特別之處在于銷座孔不一定與活塞在同一中心線平面上，可向一側偏移一點點，即向作功行程時活塞接觸缸壁的一側偏移，這樣當活塞到上止點變換方向后活塞敲擊缸壁的程度會減少，從而減少了發動機噪聲。

1.1活塞粉碎：即發動機出故障后某個缸活塞已全部粉碎，其碎片大小不一，部分掉落在油底殼上（如圖2），大塊碎片卡在缸孔里面，缸孔出現磨損、連桿彎曲變形（如圖3）。

故障現象：發動機怠速或行駛時出現較大異響，且異響聲隨著轉速增加頻率增大，同時車上能感覺到發動機劇烈的震動或抖動，隨著發動機繼續運行，會出現缸體打壞或發動機突然抱死熄火情況，嚴重危及駕駛員及車上乘客的安全。

故障特性：多發生在新車剛下線或新購車上，在高速或快速行駛之后，行駛里程一般不到100km，故障發生前通常無任何征兆，故障發現時發動機已經拋錨或損壞，故障修復成本高，需要更換活塞連桿甚至整臺發動機。

故障分析：首先，完成碎片收集。收集所有故障相關的碎片，將碎片按照各子零件進行分類，盡可能將所有子零件的碎片找全，比如活塞、活塞環等，不能隨意將碎片丟棄；同時嘗試將碎片拼出子零件的樣式，進一步確認零件碎片是否齊全，有沒有其他的異物或碎片混入其中。該故障缸相應零件都出現不同程度的損壞，其基本功能如點火、壓縮及其做功等都已無法正常進行，所以會出現發動機劇烈抖動及異響等情況。然后，查找發動機活塞粉碎的影響因素：活塞粉碎除了自身的碎片外，未發現別的異物進入，可認定為活塞連桿總成套件運行時被打碎，另外從燃燒室、火花塞、缸孔、連桿表面碰傷損壞情況也能印證。很明顯活塞粉碎是受外力作用，而外力主要來源于曲軸旋轉時連桿的往復運動作用力，通常該作用力是保證氣缸能正常完成吸氣、壓縮及排氣過程，只有活塞連桿組零件中活塞銷位置出現變化時（如圖4），單個活塞銷孔受力，且成杠桿機構狀態，在活塞連桿組高速運轉時，反復作用于單個活塞銷孔，最終導致該活塞銷孔撕裂，活塞銷孔撕裂后，活塞與連桿及活塞銷分離，活塞靜止在缸孔里，連桿則在曲軸的帶動下繼續轉動，連桿小頭及活塞銷不斷撞擊活塞，導致活塞粉碎。最后，確定活塞銷竄動原因。活塞銷通過活塞銷孔的兩端的卡簧固定，當某一側的卡簧缺失時，活塞銷就會往這一側竄動，活塞銷竄動時因不斷受力頭部在銷孔內相應留下痕跡。判斷活塞銷往哪一側竄動可以通過銷孔上的痕跡判斷（如圖5），背離痕跡方向即為活塞銷竄動方向，說明這一側的活塞銷卡簧缺失或先脫落。

1.2活塞磨損：活塞頭部與環槽區域、裙部與缸孔接觸形成的表面損傷。

故障現象：怠速或急加速時發動機異響，當發動機轉速增加到一定范圍后（通常在2500轉/分以上），該異響聲逐漸被發動機轟鳴聲掩蓋。

故障特性：該故障開始發生時只出現發動機有異響，但隨著發動機的繼續使用，異響聲會慢慢變大，同時還會伴隨發動機冒藍煙、機油消耗快等現象，嚴重也會導致發動機熄火，無法啟動。

故障分析：活塞磨損是活塞最常見的故障模式，磨損位置不同其影響因素也不一樣，以下是最常見的三種磨損形式：

1.2.1間隙不足引起的磨損：活塞和缸孔的間隙在兩者的尺寸關系出現偏差的情況下會在發動機運轉時導致缸孔變形，或者在過高溫度影響下，導致間隙變得過小甚至消失。另外，在發動機運轉過程中，活塞的溫度要明顯高于缸孔，這就勢必導致活塞和缸孔的熱膨脹會互不相同，活塞的熱膨脹程度要明顯大于包圍著它的缸孔。一旦活塞和缸孔間的間隙減小，由于缸孔壁上的油膜因活塞膨脹被擠開，會首先產生混合磨擦。之后，活塞裙的支承面會首先被磨光。由于混合磨擦以及因此所產生的磨擦熱量，部件的溫度會進一步升高。在此過程中，活塞會進一步壓迫氣缸壁，使得氣缸壁上的油膜完全失去作用。此時，活塞將在缸孔內無潤滑運行，導致接觸面被磨光且呈深色。間隙不足引起的特征可以歸納為：高光的受壓點，并漸漸過渡為光滑且呈深色的磨損痕跡，磨損既出現在受壓側，同時也會出現在對應的壓力側。如圖6。

1.2.2無潤滑運行造成的磨損：此種磨損在缸孔和活塞間隙足夠的情況下也會發生，由于溫度過高或者由于燃油過盈，造成局部位置上的油膜中斷，導致在這些位置上，活塞、活塞環及缸壁在沒有潤滑的情況下相互磨擦，繼而在短時間內產生嚴重磨損的表面。另外，當潤滑油不足時，也就是說在活塞和缸壁間完全沒有形成潤滑油膜層的情況下，也會出現上述現象。其特點可以歸納總結為：a）在油膜中斷的情況下，主要是在活塞裙部上產生相互擠在一起且毫無過渡的磨損。其表面嚴重磨損并且呈現深色，在磨損的開始階段往往在活塞的對面一側找不到任何磨損跡象；b）在潤滑油不足的情況下，除了磨損表面的顏色不同以外，其他都與上面描述的油膜被中斷的情況相同。磨損部位表面呈現金屬純色而非深色。由于潤滑油不足會體現在整個缸壁上，因此在磨損發生初期就已經可以在受壓側以及對應壓力側看到磨損的跡象。如圖7。

1.2.3過熱造成的磨損：對于因過熱造成的磨損，油膜會因為溫度過高而發生中斷。接下來會首先導致混合磨擦并出現部分磨損痕跡。隨著磨損進一步加劇，由于磨損部位的溫度進一步增高，導致活塞在缸孔內完全處于無潤滑狀態。磨損部位呈現深色并有嚴重撕裂的痕跡。根據磨損原因的不同，此類磨損現象可能會首先出現在活塞裙部，也可能會出現在活塞頭部。如圖8。

2結語

活塞是發動機的核心部件，活塞一旦出現異常，發動機的工作狀態馬上發生變化，比如出現異響，發動機冒藍煙、動力下降等。在此也提醒廣大用戶朋友，當車子出現異常時，切勿盲目行駛，安全停車并向車輛服務商或專業技術人員尋求技術支持以獲取對方的幫助和確認。