發動機氣門怠速異響原因分析及改進

時武林，郭彥豆，楊寨興

發動機氣門怠速異響原因分析及改進

時武林，郭彥豆，楊寨興

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西柳州545005）

針對某發動機氣門怠速異響，通過運用7鉆質量解決流程方法分析得出氣門怠速異響為氣門油封泄漏量不夠及氣門不旋轉引起，根據結果深入分析根本原因和改進方案，并驗證方案的正確性。

發動機；怠速異響；氣門油封；氣門旋轉；泄漏量

柳州五菱柳機新項目SOP階段初始，某發動機搭載整車跑路試，1萬公里左右反饋發動機氣門怠速異響，發出“哧哧”響聲，嚴重影響駕駛的舒適性能，引起抱怨，且故障比例高，大約10%的發動機存在此現象。本文就針對發動機異響故障進行問題查找，原因分析，并對相關零部件進行設計改進，并試驗驗證方案的正確性。

1 異響定義

正常情況下，發動機以不同的工況運行時，雖然發出的聲響的頻率、波長、聲級、衰減系數不同，但都有一定的規律和范圍。倘若在運轉中伴隨著其他聲響（如間歇的金屬敲擊聲，連續的金屬敲擊聲，連續的金屬干摩擦聲等），即表明發動機運轉不正常，所伴隨的聲響即為異常響聲，通稱為異響。異響分為燃燒時產生的不正常響聲及曲柄連桿與配氣機械金屬敲擊聲，配氣機械金屬敲擊聲是某些配合零件自然磨損使其間隙過大、潤滑不良、緊固松曠或修理調整不當使其配合間隙失準而產生的敲擊聲。

2 故障查找

發動機故障為氣門部位發出的“哧哧”聲，異響轉速出現在怠速，頻率為發動機轉速的一半，排氣側較明顯。拆下進、排氣歧管，在氣門桿上涂上機油故障消除，運行4 h后異響重現。拆下缸蓋罩及挺柱，轉動氣門隨機一角度個角度，異響消失，試驗室耐久試驗運行100 h故障不重現。拆機檢查，發現氣門異常磨損，氣門桿配合處一邊磨損嚴重，具體如圖1所示。

圖1 氣門異常磨損圖

經排查分析，該機型為本公司成熟產品的變型機，基礎機型從未出現過該問題。通過故障7鉆質量解決流程方法快速查找問題，分析如表1所列。

表1 差異性對比

通過表1分析結果可得，造成本次故障的主要原因為氣門油封設計變更導致，因采用不同供應商，油封結構設計不同。通過對油封泄漏量試驗，發現泄漏量偏低。綜上分析，導致異響及氣門異常磨損可能是由兩個原因引起：

（1）氣門不旋轉。

（2）氣門油封泄漏量不夠。

3 原因分析

3.1 氣門旋轉分析

該發動機采用非主動旋轉型氣門機構，單槽鎖夾，旋轉方向及速度為隨機的，主要取決于發動機轉速和氣門彈簧特性；氣門彈簧壓縮過程中，端面旋轉角度的計算，如公式（1）所示。

氣門彈簧主要尺寸有：彈簧絲直徑d、彈簧圈外徑D、彈簧圈內徑D1、彈簧圈外徑D2、節距t、高度H、螺紋升角α等。彈簧長度與圈數的關系如下：

式中，L為彈簧絲總長，n0為總圈數，α為螺紋升角，當彈簧從高度H1壓縮到H2時，彈簧絲長度L不變，彈簧圈中經D2不變，螺紋升角α變小，cosα變大，總圈數n0變大。氣門彈簧結構如圖2所示。

圖2 氣門彈簧結構

該發動機氣門彈簧初始高度H1=33.88 mm，初始螺旋升角α1=4.98°，排氣門升程8.8 mm，彈簧壓縮到氣門全開時的高度H2=H1-8.8 mm，壓縮終止螺紋升角α2=3.26°根據公式（1）計算出彈簧圈數變化量△n.

由上式得出：排氣門彈簧在壓縮過程中，端面旋轉5.89°.同理可得出進氣門彈簧端面旋轉6.47°.氣門關閉時，過程與上述相反，端面回到壓縮開始的位置。

該機型氣門彈簧為單槽氣門機構如圖3所示，采用右旋彈簧，在壓縮過程中彈簧上平面逆時針轉動，帶動彈簧上座逆時針轉動，上座帶動氣門鎖夾，鎖夾驅動氣門做逆時針轉動；在彈簧回位過程中，彈簧上平面順時針轉動，通過上述力的傳遞，氣門順時針旋轉。當在發動機工作在中低速時，上述兩種不同方向的運動相對平衡，表現為氣門不旋轉，當發動機轉速達到某個數值時，這種平衡被打破，如果彈簧壓縮過程中的切向力占主導地位，氣門逆時針旋轉，反之順時針旋轉。

圖3 單槽夾裝氣門機構

故從理論上設計是沒有問題，氣門不旋轉可能為其他原因卡滯所致。

3.2 氣門油封泄漏量問題

新氣門油封泄漏量要求為0.005～0.449 ml/10h，經檢測，氣門油封泄漏量值最小的有0.001 ml/10h，泄漏量偏小，導致氣門與氣門導管潤滑不足干摩擦。影響氣門油封泄漏量的因素有很多，主要有橡膠硬度、唇口直徑D、唇口r角、R值、油面角α、氣面角β、唇口彈簧徑向力f等有關。

3.2.1 橡膠硬度

橡膠硬度及性能是內部保密配方，膠料滿足發動機性能要求即可，這里不做分析。

3.2.2 氣門油封加環內徑唇口直徑D

通過對比，基本機型的進、排氣門油封單獨設計，進氣門加黃內徑D為ф4.5±0.2 mm，排氣門ф4.6±0.2 mm，而新機型為了裝配工藝一致性，進、排氣門油封采用相同設計，統一變為ф4.4±0.2 mm.

3.2.3 氣門油封主唇角r

氣門油封主唇角圓弧r與通過氣門桿油封機油泄漏量關系如圖4所示，圓弧r半徑過大時，通過油封的機油耗量增加，是因為在氣門桿相對于油封的運動過程中，磨損發生于主唇范圍和閥桿的行程長度長，主唇角圓弧r的增加會使磨損增加，從而導致通過油封的機油耗量增加。該機型唇尖r采用0.25 mm。

圖4 主唇角圓弧r與泄漏量關系曲線

3.2.4 氣門油封油面角α

油面角α.α越大，通過氣門桿油封的機油量越少，如圖5所示，這是因為接觸角α越大，氣門下行打開時密封唇向上的刮油力越大，接觸角α的應用范圍一般在30°～60°之間。該機型氣門油封油面角α采用35°設計。

圖5 油面角α與泄漏量關系曲線

3.2.5 氣門油封氣面角β

氣面角β.氣面角β與通過氣門桿油封機油量關系如圖4所示，隨著氣面角β的增加通過氣門桿油封的機油量增加，這是因為燃燒室側氣面角β增加，在氣門下行打開時，密封角向上刮油的支承剛度下降，從而使機油通過油封的耗量增加。該機型氣門油封氣面角β采用15°設計。

圖6 氣面角α與泄漏量關系曲線

3.2.6 氣門油封R值

油封唇口與彈簧槽中心的軸向距離，與泄漏量的關系如圖7所示，R越大通過氣門油封的機油量越小，這是因為R越大，彈簧作用力偏高作用點即主唇角越遠，繞主唇角產生的向上的刮油力矩越大，從而減少了通過氣門油封的機油量，R值一般在0.2～0.8 mm之間。該機型氣門油封R值采用0.3設計。

圖7 R值與泄漏量關系曲線

3.2.7 氣門油封徑向力F

徑向力F與泄漏量的關系如圖8所示，徑向力越大，通過氣門桿油封的潤滑劑量越少，這很容易理解，但徑向力過大必將導致密封角與氣門桿之間的磨損嚴重，甚至會造成密封唇隨氣門桿上下運動而沿軸向擺動，產生“泵效應”，致使密封失效。該機型氣門油封徑向力采用6 N·cm-1設計。

圖8 徑向力F與泄漏量的關系

以上分析結果表明：

（1）氣門設計是旋轉的，異常磨損可能是其他因素例如轉速太低，異常卡滯引起；

（2）油封泄漏量小，范圍太寬，把泄漏量控制在0.01～0.028 ml/10 h范圍內。

鑒于成本及時間考慮，該產品加大氣門油封泄漏量采用最簡單的方法為更改彈簧徑向力值F，增大加簧內經直徑D.經試驗數據結果對比，氣門油封加黃內徑更改為（4.6±0.2）mm，徑向力更改為5 N·cm-1.

4 試驗結果驗證

更改后的氣門油封，單體試驗泄漏量能較好的控制在0.01～0.028 ml/10 h范圍內，已經通過發動機臺架200 h冷熱沖擊、400 h交變負荷、GED全球加強型交變負荷、GETC全球加強型熱循環試驗，試驗無異響，臺架整機機油消耗率符合要求，拆機無異常磨損。措施，以最小的成本解決了問題，并通過實驗驗證方案的正確性。因試驗設備及臺架條件的條件設計，做出的試驗可能與理論計算有所偏差，但總體結論是正確的。本次只是通過改進加黃內徑及徑向力來更改泄漏量，因成本及項目進度的關系，其它未做驗證，改進方案由氣門鎖夾單槽更改為三槽形式，或更改R值等，待下一步驗證。

5 結束語

本文通過運用問題解決7鉆法，找到發動機異響問題的根本原因，并通過故障原因分析，找到優化

[1]中華人民共和國國家標準．GB/T 18297-2001．汽車發動機性能試驗方法[S]．

[2]宮文強，王金煥．淺議氣門油封的密封[J]．汽車零部件，2010（9）：77-80．

[3]繆紅燕．發動機氣門旋轉運動的研究[C]//2010中國汽車工程學會年會論文集，北京：機械工業出版社，2010.

The Speed of Engine Valve Sound Reason Analysis and Improvement

SHI Wu-lin，GUO Yan-dou，YANG Zai-xing
（Liuzhou Wuling Liuji Power Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

For a certain engine engine idling abnormal sound，through the use of 7 drill quality solution to the process analysis，the valve idling abnormalities for the valve oil leakage is not enough and the valve does not rotate caused.According to the results of in-depth analysis of the root causes and improvement programs，and verify the correctness of the program.

engine；idle sound；valve seal；valve rotation；leakage

U472.41

B

1672-545X（2017）07-0201-03

2017-04-17

時武林（1987-），男，廣西桂林人，助理工程師，學士，主要研究方向為運動件設計開發。