高原環境下某型柴油發動機配氣機構氣門挺柱斷裂故障分析

陸軍裝備部駐泰安地區軍事代表室 于德澤，譚東東，張 超，劉 浩

隨著經濟社會快速發展，往返于高原地區的運輸車輛越來越多。為減少或避免高原地區運輸車輛發動機故障，本文通過采用故障樹分析法全面分析了高原環境下某型柴油發動機配氣機構氣門挺柱斷裂故障原因，并針對故障原因介紹了可采取的應對措施，對降低高原地區柴油發動機故障率具有一定的指導意義。

發動機配氣機構是進、排氣管道的控制結構，大多為氣門式配氣機構，主要由氣門組和氣門傳動組組成。根據氣門安裝位置的不同，配氣機構可分為氣門頂置式配氣機構和氣門側置式配氣機構。本文所分析的發動機配氣機構為氣門頂置式，主要由凸輪、氣門挺柱、推桿、搖臂、氣門和氣門彈簧等組成。

1 故障現象

一輛搭載某型柴油發動機的運輸車，累計行駛里程約為5 900 km，在高原環境下出現發動機異響問題。故障發生地點位于海拔3 680 m，當日最低氣溫為-28 ℃，最高氣溫為-12 ℃。經拆解檢查發現，發動機配氣機構的氣門挺柱發生斷裂（圖1）。

圖1 斷裂的氣門挺柱

2 故障分析

采用故障樹分析法，以氣門挺柱斷裂為頂事件建立故障樹（圖2），并對各項事件逐一展開分析排查。

圖2 以氣門挺柱斷裂為頂事件建立故障樹

2.1 材料、硬度不符

零部件材料和硬度不符合要求，可能導致零部件早期變形。依托專業機構對氣門挺柱化學成分和硬度進行檢測，化學成分為珠光體、鐵素體和石墨，表面HRC為22.6，芯部HRBW為94.7，符合要求。對氣門挺柱進行斷口分析，斷口為脆性過載斷裂斷口，因此可以判斷氣門挺柱受到凸輪沖擊時產生異常受力，導致損壞。因此故障件的材料和硬度因素可以排除。

2.2 潤滑不良

如果氣門挺柱座和氣門挺柱間潤滑不良，可能會導致運動副卡滯，造成氣門挺柱斷裂。經分析，具體分為2種原因。

（1）機油不符合要求。按照車輛使用維護說明書中要求，車輛在-30 ℃～30 ℃環境溫度中工作時，應使用5W-30型發動機機油。經查，故障發動機實際加注使用的發動機機油與技術要求相符。經拆解檢查，氣門挺柱座和氣門挺柱各運動副之間均無卡滯現象。因此機油不符合要求這一因素可以排除。

（2）油路堵塞。經拆解檢查，氣門挺柱和氣門挺柱座間的各油道暢通，無堵塞，因此該因素可以排除。

2.3 氣門積炭

氣門積炭會造成氣門卡滯，配氣機構運動組件運行受阻，進而可能導致氣門挺柱受力過大發生斷裂。經分析，可能存在兩種原因使氣門產生積炭。

（1）高原、低溫環境影響。在高原環境下，空氣稀薄，氧氣含量減少，而發動機噴油量恒定，空燃比下降，造成燃油燃燒不充分。在排氣過程中，部分未燃燒的柴油遇氧氣再次燃燒形成后燃現象，造成氣缸體溫度過高，高溫環境導致機油和未燃燒的柴油裂化，形成積炭及膠狀物。

（2）怠速運行時間過長。在實際使用中，為保障車輛發動機處于熱機狀態，使用人員每天早晚會各起動一次車輛，具體操作為：起動發動機，進行怠速（轉速為650 r/min）預熱，直至排氣管不再冒白煙。同時也會檢查底盤取力裝置是否能夠正常使用，具體操作流程為：在空擋怠速狀態下，踩下離合器踏板→按下取力開關接通取力器→接合離合器→將離合器踏板踩到底，徹底分離離合器→按下取力器開關，取力器斷開→緩慢松開離合器踏板。

操作完成后立即熄火結束，整體時長約為1 h。在此過程中發動機始終以怠速運轉，渦輪增壓器提供給發動機進氣壓力較小，加之高原低溫環境，空燃比下降幅度較大，噴油量恒定，加劇了燃油不充分燃燒，產生較多的積炭和膠狀物，最終會導致氣門挺柱運動不暢，配氣機構中的氣門挺柱受異常沖擊，發生斷裂。

經拆解檢查，發現氣門上的積炭和膠狀物較多（圖3），因此氣門積炭這個因素不能排除。

圖3 進、排氣門有較多的積炭

2.4 氣門間隙大

氣門間隙變大，可能會導致配氣機構運動部件產生沖擊，當氣門間隙超出一定范圍，沖擊力超出氣門挺柱、挺桿的承受范圍，造成斷裂。檢查發動機各氣門間隙，均滿足技術要求（進氣門間隙為0.2 mm，排氣門間隙為0.3 mm）。因此，該因素可以排除。

經對故障樹所列可能因素逐一排查分析，認為造成發動機故障的主要原因為：在高原低溫環境下，發動機怠速運行時間過長，氣門處產生積炭和膠狀物，導致氣門傳動組運動不暢，氣門挺柱受到異常沖擊，發生斷裂。

3 原因分析

柴油發動機是通過將柴油噴射到高溫、高壓的燃燒室內進行壓燃工作。若要保證燃油混合氣按預期著火，必須保證燃燒室在壓縮終點達到一定的壓力和溫度，并且在燃料和空氣的配比方面必須要有較大的過量空氣系數才能保證完全燃燒。在海拔4 000 m的高原，氣壓為61.6 kPa，僅為海平面的60.8%，大氣的含氧量下降約為33%，加之長期怠速，由此造成柴油機燃燒室的充氣密度降低，過量空氣系數降低，燃燒不充分，功率下降，著火延遲，過量的燃油不能在氣缸內完全燃燒。在排氣過程中部分未燃燒的柴油遇氧氣再次燃燒，造成氣缸體及渦輪增壓器溫度過高，高溫導致機油和未燃燒的柴油裂化，形成積炭及膠狀物。

發動機在運行過程中排氣門打開，在高原、低溫和怠速環境中形成的氣缸燃燒室內積炭和膠狀物大部分從排氣管排出，有極少部分會沉積在氣門和氣門導管縫隙中。因后燃原因，氣門處溫度較高，膠狀物較軟，運行過程中不會發生卡滯。停機后，氣門和氣門導管恢復至大氣溫度，膠狀物會因低溫變得堅硬，將排氣門和氣門導管黏連并造成卡滯，氣門挺柱運動不暢，從而使氣門挺柱、挺桿等氣門傳動組零件受到異常沖擊力，出現氣門挺柱斷裂、挺桿彎曲等現象。

查看維修手冊發現，該發動機排氣門桿與氣門導管的標準間隙為0.08 mm～0.11 mm；進氣門與氣門導管的標準間隙為0.06 mm～0.095 mm。將故障發動機各氣缸的進、排氣門和進、排氣門導管直徑進行測量，根據測量結果發現，由于發動機進、排氣門積炭嚴重，進排氣門與進、排氣門導管間的間隙不合格。

4 結論

車輛在高原環境下使用，特別是怠速時間過長容易造成燃油在氣缸內不能完全燃燒，產生積炭，導致排氣門和氣門導管黏連卡滯，氣門挺柱運動不暢，從而使氣門挺柱、挺桿等零件異常受力沖擊，出現氣門挺柱斷裂等問題。為解決這一問題，可采取以下措施。

（1）拆卸氣缸蓋，定期清理氣門積炭和膠狀物，更換發動機進、排氣門油封。

（2）調整噴油泵噴油量。為使柴油和空氣的配比合適，以保證完全燃燒，調整發動機噴油泵的噴油量，以滿足發動機在高原環境中使用。

（3）完善使用維護說明書。在高原環境下（海拔高于1 000 m），氣門間隙應每250 h調整1次，發動機機油每6個月更換1次。