柴油機掉缸故障檢測及排除

張悅，史文獻,2，吳士軍,2，周帥，周明勝,2

1.濰柴動力揚州柴油機有限責任公司，江蘇 揚州 225009；2.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機掉缸是指柴油機正常工作時突然出現一個或者一個以上的氣缸不能正常工作，通常表現為柴油機工作異?；騽恿Σ蛔?，高、中、低轉速時各缸工作不均勻并且有節奏地抖動。出現掉缸現象可導致汽車油耗增大，動力下降，加速無力，行車噪聲加大，嚴重影響行車安全[1-2]。

本文中針對某輕型柴油機在使用一段時間后發生的掉缸故障，采用臺架振動測試、道路振動測試、振動疲勞試驗以及端子保持力測試等分析方法[3-5]，對噴油器接插件失效模式進行分析，確定掉缸故障原因并提出改進措施，通過市場實際應用驗證改進措施有效。

1 故障原因分析

1.1 掉缸故障描述

某四缸直列輕型柴油機在使用過程中突然出現動力不足，并且觸發跛行回家功能，明顯感覺到柴油機工作不穩定，整機振動大、噪聲異常。服務站工作人員進行故障初步排查，對噴油器接插件進行插拔試驗，確認存在柴油機掉缸現象，對故障接插件稍作處理重新插接后柴油機恢復正常，但是運行一段時間后故障重現。

噴油器端子側有2個針腳，線束端子側有2個母接頭，兩者對接后通過鎖扣固定。為了排查噴油器掉缸原因，對故障接插件進行物理解剖，發現噴油器針腳狀態良好，表面沒有發現明顯的磨損和燒蝕；但線束接頭端子頭部發暗，存在嚴重的磨損和燒蝕現象。

初步分析表明，噴油器端子與線束端子之間存在相對運動，導致噴油器針腳與線束內側接頭瞬間分開，再次接觸時產生火花，火花將線束端子接頭灼傷，導致噴油器接插件出現開路，柴油機出現掉缸、限扭現象[6-8]。

1.2 臺架振動測試

在試驗臺架上進行柴油機噴油器振動測試[9-10]，依據噴油器振動時域加速度限值、頻域加速度峰值保持(peak-hold)限值2個評價指標，評估噴油器本體振動情況。加速度傳感器布置在各缸噴油器本體上，如圖1所示。噴油器振動測試工況為柴油機整個外特性工況，在3 min內，柴油機沿外特性工況從最高空車轉速勻速降低到最低穩定轉速，記錄噴油器振動情況，信號采樣頻率為12.8 kHz，頻率分辨率為6.1 Hz。加速度方向定義如下：柴油機后端指向前端為+x向，豎直向上為+z向，由右手定則確定+y向。

圖1 傳感器在噴油器布置示意圖

噴油器振動加速度時域最大限值為1200 m/s2；噴油器頻域軸向振動加速度限值如表1所示，橫向振動加速度峰值保持限值如表2所示。

表1 噴油器軸(z)向振動頻域加速度限值

表2 噴油器橫(x、y)向振動頻域加速度峰值保持限值

噴油器臺架振動時域測試結果如圖2所示。由圖2可知，x、y、z3個方向加速度均小于1200 m/s2。

a)x、y向 b)z向

噴油器臺架振動頻域加速度曲線如圖3所示。由圖3可知，x、y、z3個方向加速度均未超過噴油器振動限值。

a)x、y向 b)z向

臺架振動測試結果表明，柴油機本體振動不是掉缸故障的直接原因。

1.3 道路振動測試

在國內某試驗場地進行整車道路試驗，評估噴油器在實際道路工況下振動情況。加速度傳感器布置位置及噴油器振動評價標準與臺架振動測試相同。測試道路為碎石路，路面狀況復雜惡劣，整車采用3擋行駛，發動機轉速維持在1000～1200 r/min，此時噴油器的大部分振動由路面激勵通過整車懸置系統傳遞而來。噴油器道路振動時域測試結果如圖4所示，由圖4可知，x、y、z3個方向加速度基本滿足噴油器振動限值要求。

a)x、y向 b)z向

噴油器道路振動頻域加速度測試結果如圖5所示。由圖5可知，x、y、z3個方向加速度均小于噴油器振動限值。

a)x、y向 b)z向

根據道路振動測試結果，排除道路振動引起噴油器掉缸的可能。結合臺架振動測試結果，可以確定振動不是柴油機掉缸故障的直接原因。

1.4 振動疲勞試驗

噴油器接插件所受的振動主要來自兩個方面：1)噴油器端本體振動；2)線束支架或整車引起的線束強迫振動。在振動疲勞試驗臺上，對噴油器線束進行振動疲勞耐久試驗，檢查噴油器接插件在振動作用下是否出現開路，以找到噴油器線束故障原因和改進方向[11-13]。

為確認造成噴油器線束故障的主要振動因素，制定如表3所示的試驗方案，考核方向根據噴油器實際安裝在柴油機上的狀態確定。

表3 噴油器線束振動疲勞試驗方案

主線束自由狀態模擬噴油器本體振動與主線束拉扯共同作用；主線束扎牢狀態只模擬噴油器端本體振動作用，4種線束安裝狀態見圖6～9。

圖6 主線束自由狀態 圖7 主線束扎牢狀態 圖8 主線束自由、直角轉接拆除 圖9 主線束扎牢、直角轉接拆除

振動疲勞計算邊界輸入參考噴油器臺架振動測試結果，考慮產品性能和裝配一致性，預留安全系數，根據經驗在各頻率峰值基礎上放大1.2倍，如圖10所示(圖中g為自由落體加速度)。

圖10 噴油器臺架振動疲勞計算邊界

噴油器線束振動疲勞考核結果見表4，由表4可得以下結論。

表4 振動疲勞考核結果

1)在z向振動激勵作用下，主線束無論是自由狀態還是扎牢狀態，規定的24 h試驗時間內均未發生接插件斷路故障，說明z向線束拉扯和z向噴油器本身振動均不易導致斷路故障。

2)在y向振動激勵作用、主線束扎牢狀態下，規定的24 h試驗時間內未出現斷路故障，表明噴油器本身y向振動不易導致接插件斷路；在y向振動激勵作用、主線束在自由狀態下，發生斷路故障，故障表現為接插件母頭外側面存在磨損，接線端子存在磨損并燒蝕，接插件出現斷路，說明y向上的線束拉扯是導致接插件斷路故障的主要原因。

3)針對在y向振動激勵作用下容易出現接插件斷路現象，進一步評估主線束在扎牢和自由狀態下拆除直角接頭對斷路的影響，均沒有發生斷路故障，表明直角接頭對y向線束拉扯起放大作用。對比其他同類噴油器布置的線束型式，直角接頭應用較少，因此噴油器線束的直角接頭建議取消。

將噴油器線束安裝到噴油器上，分別在z向和y向晃動主線束，可以明顯看到y向晃動時線束接插件與噴油器端存在相對運動，說明接線端子和接線柱之間也存在相對運動，而z向上基本看不出相對運動的跡象。

因此，從振動疲勞角度分析，噴油器線束故障與線束y向拉扯有關，需要從設計層面對y向拉扯進行約束。

1.5 端子保持力測試

在線束端子拉拔力測試機上，進行接插件端子保持力測試[14]，考察接插件端子在使用過程中工作是否可靠。分別對全新接插件和故障接插件進行線束端子與噴油器端子保持力測試。

保持力測試線束端子樣本數量為10件，其中，1～3號試樣為全新壓接端子，4～10號為故障線束壓接端子。保持力測試結果如表5所示，其中Fmax為最大保持力、dm為最大保持力時變形、Fbreak為拉脫保持力、db為拉脫時變形。由表5可知，全新端子拉脫時保持力為6.77～7.30 N，而故障線束壓接端子拉脫時保持力為1.04～2.45 N，故障線束壓接端子保持力遠低于全新端子。

表5 端子保持力測試結果

導致端子保持力變小的原因是線束端連接器出現折彎，端子長時間處于外界拉扯力作用下，導致端子間隙逐漸變大。

2 改進措施

為消除柴油機掉缸風險，采取以下措施進行改進。

1)更改噴油器電磁閥安裝轉角。插接件直角結構不合理是導致端子保持力劣化的主要原因，因此重新設計接插件走向，將噴油器電磁閥順時針旋轉一定角度，同時取消接插件直角設計。

2)優化線束走向，重新設計大剛度的線束固定支架，并更換性能更穩定的接插件端子。原發動機線束過長，線束約束程度不夠，導致線束對噴油器插接件容易形成拉扯力。重新設計線束走向，采用大剛度的固定支架，同時采用性能更加穩定的接插件端子，可以有效避免拉扯力的產生，改善端子保持力劣化程度。

3)優化高壓油管走向并增加固定管夾。重新優化高壓油管走向，減少高壓油管與主線束的干涉，同時在合適的位置增加固定管夾，進一步降低噴油器本體振動，有利于改善噴油器接插件的工作環境。

經過長時間市場應用驗證，改善效果非常明顯，掉缸故障徹底消除。

3 結語

柴油機掉缸故障原因比較復雜，主要原因通常來自于點火系統和燃油噴射系統。本次柴油機掉缸故障根源在于噴油器接插件端子保持力可靠性不穩定，在線束拉扯力和振動相互作用下導致接觸件出現斷路故障。通過改進噴油器接插件結構型式，采用更穩定的接插件端子，優化線束走向，重新設計大剛度的固定支架，優化高壓油管管型并增加固定管夾等措施，徹底消除掉缸故障。