柴油機高壓共軌噴油器針閥體裂紋分析

摘要：為解決噴油器針閥體肩胛圓角處開裂故障，采用掃描電子顯微鏡、能譜分析儀、顯微硬度檢測、計算機斷層掃描等方法分析故障原因及失效機理并提出解決方案。結果表明：失效位置表面含有S、Cl等腐蝕性元素，裂紋表面存在多處不規則腐蝕坑，裂紋處維氏硬度比肩胛處降低了28%，最小壁厚比正常件減小了47%，腐蝕性裂紋是導致針閥體失效的主要原因。可采用使用符合國家標準的燃油及在針閥體表面增加涂層等解決針閥體腐蝕失效問題。

關鍵詞：柴油機；針閥體；裂紋；腐蝕；噴油器

中圖分類號：TK423.8文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）05-0087-05

引用格式：耿旭，王光明，劉明，等. 柴油機高壓共軌噴油器針閥體裂紋分析［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（5）：87-91.

GENG Xu，WANG Guangming，LIU Ming， et al. Crack analysis of needle body of diesel engine high pressure common rail injector［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（5）：87-91.

0 引言

隨著人們環保意識的提高，污染物排放控制成為指導柴油機開發的重要指標之一。高壓共軌技術可以精確控制噴油時間、噴射壓力，從而提高油壓和噴油霧化質量，減少燃油浪費和有害排放，已成為當今柴油機技術中不可或缺的一部分^[1-2]。

噴油器是高壓共軌系統的重要組成部分，主要功能是將高壓燃油霧化后噴入燃燒室。安裝在噴油器末端的針閥偶件是柴油機噴油器的三大精密偶件之一，配合間隙通常控制在3～5 μm。針閥在針閥體內沿軸向不停地往復運動，在開閉中實現噴油，直接影響柴油機的經濟性與可靠性^[3-5]。針閥偶件在高溫高壓的惡劣環境中工作，常發生針閥磨損、噴孔堵塞、密封不良等故障，嚴重影響柴油機的正常運轉。

主要在城鄉道路上行駛的某載貨車累計行程約200 000 km時發生故障。對故障發動機進行排查，發現噴油器已無法滿足密封性要求。在設定的軌壓下，電磁閥未通電，高壓燃油從針閥體肩胛位置呈霧狀向外噴射。本文中采用斷口形貌掃描、表面元素分析、顯微硬度檢測等方法分析故障原因及失效機理，提出解決措施，為相關零部件的故障分析與診斷提供參考。

1 故障現象及試驗方法

故障發動機針閥體的材料為R18CrNi8，主要化學成分及其質量分數如表1所示。針閥體經低壓真空滲碳、淬火、回火等熱處理工藝處理，HV1硬度可達600，滿足發動機使用要求。對故障噴油器進行拆檢，針閥體表面可見明顯沉積物，主要包括燃燒產物及油、氣路的殘余物質等。采集沉積物后清洗針閥體，發現針閥體表面無接觸磨損、干涉痕跡，肩胛圓角處有肉眼可見的橫向裂紋，如圖1所示。

為分析裂紋產生原因，擬通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對裂痕表面、斷裂面的形貌進行觀測；使用能譜分析儀（energy dispersive spectrometer，EDS）對附著沉積物以及裂紋表面的元素進行檢測；采用維氏硬度儀對圓角裂紋處、肩胛位置進行硬度對比測試，以衡量硬度的變化；通過工業計算機斷層掃描（computed tomography，CT）掃描，識別故障針閥體相比正常件的外形變化。

2 試驗結果

2.1 針閥體附著沉積物分析

通過SEM觀測針閥體附著的沉積物顆粒，如圖2所示。采用EDS檢測沉積物元素進行，結果如圖3所示。

由圖2可知：沉積物顆粒輪廓長度為1 463.0 μm，寬度為963.5 μm；沉積物中含有粗糙態顆粒，這種較大的碳煙顆粒不是發動機正常燃燒的產物，而是燃油噴霧質量惡化或者異常噴射導致的^[6]。由圖3可知：沉積物中包含C、O、Fe、S等元素。Fe元素來自于針閥體的基體材料，C、O元素主要來自于附著于針閥體表面的燃油燃燒產物，S元素對針閥體有一定的腐蝕性，通常情況下不應該存在。

2.2 裂紋表面分析

通過超聲波清洗去除針閥體表面的沉積物，清洗后采用SEM觀測裂紋處的微觀形貌，如圖4所示。由圖4可知：在裂紋兩側有多處不規則的坑洼現象。

使用EDS對裂紋表面進行元素分析，結果如圖5所示。由圖5可知：除針閥體基體材料的Fe、Cr、Ni元素以及燃油燃燒產物的C、O元素外，還含有S、Cl、K、P、Mg、Na、Al等元素。其中的Mg、Al元素可能來源于發動機活塞，在噴油器噴油異常后引起劇烈燃燒，導致少量活塞材料融化后附著在針閥體表面；S、Cl等非金屬元素主要來源于外部，通常存在于劣質柴油中^[7]，并且具有一定的腐蝕性。

2.3 斷裂面分析

沿裂紋方向將針閥體剖開，如圖6所示。由圖6可知：沿截面外圓的裂紋范圍廣且相對平坦，內圓裂紋的范圍窄而粗糙，可以判斷裂紋是由外部產生，向內部逐漸擴展，最終導致針閥體密封失效。

放大裂紋橫截面，對其表面形貌進行觀測，結果如圖7所示。由圖7可知：裂紋橫截面存在多處坑洼，且分布不規律。結合元素分析結果，可以判斷裂紋表面的坑洼是由S、Cl等腐蝕性元素與基體材料反應形成的腐蝕坑。這種點蝕坑在腐蝕環境與疲勞載荷的雙重作用下，不斷演化達到臨界狀態時轉化為腐蝕疲勞裂紋，裂紋不斷擴展導致針閥體的斷裂^[8-9]。

2.4 顯微硬度分析

針閥體的肩胛面與油嘴緊帽形成接觸密封，未與燃燒室接觸，等同于針閥體熱處理后的初始硬度。圓角裂紋處則與燃燒室及燃燒產物直接接觸。

通過維氏硬度儀對針閥體肩胛面、圓角裂紋處進行硬度檢測，測試位置及測試結果如圖8所示。

由圖8可知：肩胛處HV1硬度為651，圓角末端即裂紋處的HV1硬度為469。相比于肩胛處針閥體，裂紋處的HV1硬度約降低28%。腐蝕后新生成的物質往往與針閥體在材料性質上存在顯著差異，改變針閥體表面的組織結構和力學性能，表現為材料硬度降低。

2.5 工業CT圖像測量分析

使用工業CT分別對故障針閥體、正常針閥體進行圖像測量對比分析，結果如圖9、10所示，圖中灰色部分為金屬實體。由圖9、10可知：故障針閥體壁厚不均勻，沿掃描橫截面檢測最小與最大壁厚，分別為0.98、1.44 mm；正常針閥體壁厚均勻，最小、最大壁厚分別為1.85、1.89 mm；針閥體徑向橫截面的掃描結果差異較大，相比正常件，故障針閥體最小壁厚降低47%；對比沿軸向的掃描結果，故障針閥體肩胛面的過渡圓角較正常零部件有所增大，明顯下陷，與橫截面檢測最小壁厚的結果相對應。由此可見，針閥體受腐蝕作用，導致過渡圓角增大，針閥體壁厚減小。

3 分析與討論

檢測發現的S、Cl等腐蝕性元素并非發動機內部零部件作用產生，大多是由外部環境經由油路、氣路進入到發動機本體內。這些元素參與到復雜的燃燒過程中，形成的產物與針閥體材料發生腐蝕作用，導致材料劣化。在這些外部來源中，使用不合格燃油的情況最常見，劣質燃油中有害元素遠超國家標準，顯著降低零部件的使用壽命。

針閥體與腐蝕元素的作用過程主要包括兩方面：1）硫化物在高溫燃燒過程中產生二氧化硫、三氧化硫氣體，直接與針閥體發生化學反應，導致材料腐蝕；2）發動機在低溫運行時，來自于油路或氣路中的水分在高溫環境中被汽化，在上升到噴油器針閥體的過程中隨溫度降低產生冷凝水。燃燒室中的硫化物、氯化物與冷凝水生成硫酸、鹽酸等酸性物質，更加強烈地腐蝕金屬^[10-11]。

從燃燒產物的傳遞過程來看，噴油器的結構也會加速這種腐蝕現象的發生。腐蝕性物質通過噴油器墊片與針閥體之間的間隙上升，最終沉積在針閥體與緊帽的端面密封處，即針閥體圓角處。這也是針閥體處于腐蝕性環境中，最先失效位置出現在肩胛圓角的原因。

針對噴油器針閥體腐蝕失效問題，可采取以下解決措施：首先，基于針閥體腐蝕失效機理，使用符合國家標準的規范燃油，故障柴油機在更換符合國家標準的燃油后，經長時間持續運行，未再出現針閥體腐蝕失效的問題；其次在針閥體表面增加涂層以阻隔燃燒產物直接接觸，提高抗腐蝕能力，但是涂層表面需致密不得有缺陷，否則會導致基體與涂層間電子的轉移，引起金屬材料的電化學腐蝕；再次，改變針閥體密封結構，使燃燒產物的竄動路徑發生變化，降低腐蝕的影響。

4 結論

1）針閥體肩胛圓角失效位置表面含有S、Cl等腐蝕性元素，裂紋表面也存在不規則腐蝕坑，因此，針閥體的開裂失效是由腐蝕導致的。

2）在腐蝕作用下，針閥體肩胛圓角末端即裂紋處的硬度比肩胛處降低了28%，最小壁厚比正常件降低了47%。

3）腐蝕性元素經高溫燃燒形成的產物、發動機在低溫運行時產物與冷凝水生成的酸性介質，是針閥體被腐蝕失效的直接原因。

4）使用符合國家標準的燃料是解決針閥體腐蝕性裂紋的有效途徑，或者在針閥體表面增加涂層、更改燃燒產物的竄動路徑也可以降低腐蝕的影響，提高零部件的使用壽命。

參考文獻：

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Crack analysis of needle body of diesel engine high pressurecommon rail injector

GENG Xu^1，2， WANG Guangming^1，2， LIU Ming^1，2， JIA Xiaoli^1，2， LI Huihui^1，2

1.State Key Laboratory of Engine and Powertrain System， Weifang 261061， China;

2.Weichai Power Co.， Ltd.， Weifang 261061， China

Abstract： To solve the problem of cracking at the scapular corner of the injector needle valve body， methods such as scanning electron microscope， energy dispersive spectrometer， microhardness testing， and CT are used to analyze the cause and failure mechanism of the fault， and solutions are proposed. The results show that the surface of the failure site contained corrosive elements such as S and Cl， and there are multiple irregular corrosion pits on the crack surface. The Vickers hardness at the crack site decreased by 28% than that at the scapular corner of the needle valve body， and the minimum wall thickness decreased by 47% compared to the normal part， and the main cause of needle valve body failure is corrosive cracks. Use fuel that meets national standards and add coatings on the surface of the needle valve body can solve the problem of needle valve body corrosion failure.

Keywords：diesel engine；needle valve body；crack；corrosion；injector

（責任編輯：臧發業）