活塞式航空發動機氣門機構故障分析

唐嗣杰

摘要：氣門機構是控制氣門適時開、閉的關鍵機構。氣門早開晚關、晚開早關都會嚴重影響活塞發動機的功率、效率等。活塞式航空發動機的氣門機構主要部件包括推桿、搖臂、氣門彈簧、氣門等。本文旨在通過對活塞發動機氣門機構中各個部件以及該部件常見的故障和故障發生的原因進行研究以提早制定維護使用計劃，消除相關安全隱患。

關鍵詞：活塞發動機?氣門機構?典型故障

1.氣門機構

為了使活塞式發動機正常工作，氣門必須要在規定的時間打開，并且在規定的時間關閉。這樣才能保證發動機工作正常并且容積率較高、氣缸溫度較低。氣門的定時開或者關的運動是由氣門機構來控制的。不同發動機的氣門機構有所不同，但主要的組成部分是一樣的。圖1所示為典型的航空活塞式發動機的氣門機構。從圖中可以看出：氣門機構主要由凸輪、挺柱、推桿、搖臂軸、搖臂、氣門彈簧座、氣門彈簧、氣門導管、氣門和氣門座組成[1]。其工作過程是：當凸輪轉動時，凸起部分頂著一個挺柱工作，挺柱推動推桿，推桿又作用于搖臂，壓縮氣門彈簧使氣門打開。當挺柱沿著凸輪盤較低的部分滾動時，氣門在彈簧張力作用下?關閉，搖臂和挺柱也恢復到原來的位置[1]。常見的氣門機構故障有：推桿彎折、氣門間隙過大或過小等。

2.推桿彎折

推桿是圓筒形的，其作用是將挺柱傳遞來的力再傳遞給搖臂。管形的推桿不但輕，而且強度高，它可以使發動機潤滑油在壓力的作用下，穿過空心推桿去潤滑搖臂等機件。推桿彎曲或折斷是非常嚴重的氣門機構故障，一旦發生，氣門機構將不能正常運轉使發動機功率下降、劇烈抖動嚴重的甚至會造成發動機空中停車。

推桿彎折形成的主要原因有：（1）發動機內部有污染物。發動機內部有污染物極易導致推桿彎折，積碳、空氣中的雜質、粉塵、潤滑油中的異物等，這些物質堆積在推桿與推桿導套內，有的可以被潤滑油清除掉。但如果操作不當或使用的潤滑油不好會導致氣門機構內部污染，從而導致推桿彎折。（2）潤滑不良。發動機運轉過程中，氣門機構始終處于高速運作的狀態，比如在1200RPM的轉速下氣門機構每分鐘就要來回運動1200次[1]。潤滑不良將會導致氣門機構各部件之間的摩擦急劇增大，嚴重時將會導致推桿彎折、搖臂磨損等故障。（3）氣門積碳。積碳是由發動機的油料未能充分燃燒，在高溫和氧的催化作用下形成鹽酸和樹脂狀的膠質，粘附在零件表面上，再經過高溫作用進一步濃縮成瀝青質和油焦質等復雜的混合物。氣門機構中積碳容易產生在排氣門與氣門座之間，燃油品質以及燃油的不充分燃燒是導致積碳產生的主要原因。積碳在氣門與氣門座之間過多的堆積將導致氣門卡阻從而導致推桿彎折[2]。

推桿彎折的預防方法。（1）避免發動機功率突然下降。飛行使用中發動機功率的突然下降將會導致燃油燃燒不充分。未能充分燃燒的燃油將在氣門附近高溫和氧的催化作用下形成積碳致使推桿運動受阻。（2）使用規定牌號的燃油。

燃油含鉛量超標達不到使用標準，導致鉛油泥積聚過多可能直接堆積在氣門和氣門導套之間，阻塞通路[3]。（3）防止潤滑油變質。長時間敞開放置的潤滑油將會氧化，氧化變質后的潤滑油不僅不能起到潤滑作用，反而會腐蝕機件、產生泡沫使金屬表面的油膜不連續，增大機件摩擦力和磨損。因此，使用過程中應防止加入長時間敞開放置的潤滑油且定期更換潤滑油以保證其起到良好的潤滑效果。

3.氣門間隙過大或過小

當氣門處于全關位時搖臂和氣門桿頂端之間的間隙定義為氣門間隙。氣門間隙將影響氣門開關的定時性、氣門的升程和氣門打開所延續的時間。氣門間隙的作用時保障氣門在關閉時與氣門座貼合嚴密。如果沒有這個間隙，則氣門可能因為制造零件時尺寸上的誤差，或者因為氣門與氣門座磨損等原因而使氣門關閉不嚴，影響發動機的正常工作。冷發動機時的氣門間隙叫冷間隙，發動機工作時氣門的間隙叫熱間隙。對有氣門的航空活塞式發動機來講，氣門間隙的大小對發動機的工作影響較大，氣門間隙過大或過小都不好。

（1）氣門間隙過大。氣門間隙過大會使氣門晚開早關，這是由于凸輪盤上的凸起開始在挺柱下通過時需要凸輪盤上凸起導坡的更多部分來抵消氣門間隙，結果使氣門比它應開的時間晚些打開。也就是說，氣門在到了凸起修正處任沒打開，過了凸起修正處一段距離后才打開。同理，如果氣門在未到凸起修正處之前就關閉，這就使氣門開啟的角度變小，從而使開啟時間比應有的短，縮短了氣門的升程。進氣門間隙過大致使進入氣缸的空氣量比正常值小。排氣門間隙過大致使排出的廢氣比正常值小。這兩種情況都會減少汽缸內的充填量，減小發動機的輸出功率;同時也不利于汽缸頭的冷卻。（2）氣門間隙過小。氣門間隙過小使氣門早開晚關，造成氣門開啟角變大，開啟延續的時間變長，增加氣門的升程。進氣門早開會使進入氣缸的新鮮混合氣從排氣門直接排入大氣，使發動機的經濟性變差;進氣門關的晚，使已進入氣缸的新鮮混合氣又通過進氣門被壓回進氣管，減少了氣缸的充填量，減小發動機的輸出功率。排氣門早開，縮短了膨脹作工的過程，造成功率損失。排氣門晚關會使進入氣缸的新鮮混合氣通過排氣門直接排入大氣，也使發動機的經濟性變差。氣門間隙過小影響混合比，使慢車時混合比趨于過分貧油。在小功率時，會造成回火。

氣門間隙的檢查。氣門間隙不當，不可能所有的氣門都在同一方向錯調，而是某些汽缸的氣門間隙過大，另一些汽缸的氣門間隙過小，這就造成汽缸與汽缸之間的工作情況不同，輸出功率不相等。為此，發動機制造廠家規定了氣門檢查的周期，而且還規定任何時候發生發動機抖動、回火、壓縮不足或難以啟動，都應檢查和調整氣門間隙。

4.總結

氣門機構故障嚴重威脅飛行安全，嚴格按照廠家規定的檢查周期對氣門機構進行檢查;研究其常見故障的故障現象、故障機理指導日常維護使用方法對于保障飛行安全意義重大。

參考文獻

[1]唐慶如.活塞發動機[M].北京：兵器工業出版社，2007.

[2]杜仲.航空活塞發動機氣門卡阻故障研究[J].航空維修與工程，2013.

[3]孟現召，馮巖鵬.某型航空活塞發動機排氣門積鉛機理[J].航空動力學報，2020.