李忠

(江鈴汽車股份有限公司動力總成開發(fā)部，江西南昌 330000)

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汽車柴油機耐久試驗方法與活塞典型失效模式淺析

李忠

(江鈴汽車股份有限公司動力總成開發(fā)部，江西南昌 330000)

當(dāng)今柴油機不僅具有動力性強、省油的特點，而且排放和振動噪聲水平也得到極大的提升，越來越多的車型已搭載柴油機作為動力源，并且這種趨勢正在逐漸擴大，因此對汽車用柴油機的可靠性和耐久性提出了更高的要求。結(jié)合實際工作情況，介紹柴油機耐久試驗方法，簡要分析活塞的典型失效模式。

柴油機；耐久性試驗；活塞；典型失效模式

0 引言

隨著高壓共軌、渦輪增壓、缸內(nèi)直噴等技術(shù)不斷應(yīng)用在柴油機上，柴油機不僅在商用車(特別是輕卡、皮卡、重卡)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，而且，越來越多的乘用車如SUV、部分轎車都開始搭載柴油機動力，市場對柴油機的大需求、高要求也日益凸顯，這就要求各生產(chǎn)企業(yè)能夠在更短的研發(fā)周期里開發(fā)出具有更高可靠性和耐久性的產(chǎn)品。作者結(jié)合自身公司的開發(fā)實際，淺析了某公司柴油機耐久試驗方法和活塞的典型失效模式。

1 可靠性試驗方法

1.1 可靠性試驗分類

柴油機的考核指標(biāo)通常分為性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)，可靠性指標(biāo)反映了柴油機保持其性能指標(biāo)的能力[1]。通過開發(fā)階段的可靠性試驗，驗證所設(shè)計的柴油機的可靠性，暴露其薄弱之處，制定改進(jìn)措施消除薄弱環(huán)節(jié)，從而使其達(dá)到設(shè)計要求和客戶的使用要求。當(dāng)前，柴油機可靠性試驗分為零部件可靠性試驗和整機可靠性試驗。

整機可靠性試驗是以整個發(fā)動機為考核對象驗證其可靠性的試驗，通常包括：高負(fù)荷耐久試驗、高速怠速試驗、最大扭矩試驗、深度熱沖擊試驗等。這些試驗通過采用非常規(guī)的交變負(fù)荷、熱負(fù)荷、最大機械負(fù)荷工況，驗證各零部件及子系統(tǒng)之間相互作用的可靠性。

零部件可靠性試驗室是以零部件為考核對象、專門制定工況驗證其可靠性的專項試驗，通常包括：活塞熱循環(huán)試驗、活塞熱伸長試驗、活塞開裂試驗、排氣歧管開裂試驗、前端輪系振動試驗、缸墊熱沖擊試驗、EGR氣道污染試驗、考核起動機的啟動怠速停機試驗、考核管路支架類零件的振動失效試驗等。這些試驗往往采取極端惡劣的交變負(fù)荷或熱負(fù)荷進(jìn)行考核，能在短時間內(nèi)驗證零部件材料、制造工藝、裝配公差等的合理性。

1.2 試驗方法

以考核整機可靠性的高負(fù)荷可靠性試驗為例，參看圖1。

圖1 循環(huán)工況分布圖

試驗循環(huán)中負(fù)荷為最大負(fù)荷的80%～100%，轉(zhuǎn)速主要分布在2 000～4 000 r/min，尤其以(3 250±500) r/min占的比例較大，因為該試驗的柴油機的額定功率轉(zhuǎn)速為3 250 r/min，額定扭矩轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。整個循環(huán)歷時6.86 h，整個試驗共運行176個循環(huán)，持續(xù)時間為1 202 h[2]。

1.3 檢查和保養(yǎng)

對于柴油機臺架可靠性試驗來說，檢查和保養(yǎng)是很重要的環(huán)節(jié)。檢查可以分為試驗前檢查、試驗過程中檢查、試驗后檢查3個階段。試驗前檢查主要包括：標(biāo)定數(shù)據(jù)版本、風(fēng)扇皮帶張力、機油液位、冷卻液液位、靜態(tài)和動態(tài)下發(fā)動機任何形式的泄漏和零件失效、額定功率工況排氣背壓和增壓器表面溫度穩(wěn)定性、發(fā)動機外特性性能、竄氣量和竄油量水平、怠速及額定功率轉(zhuǎn)速下的冷卻液流量等；試驗過程中檢查主要包括：發(fā)動機任何形式的泄漏和零件失效、機油液位、機油碳煙、試驗過程中發(fā)動機各性能參數(shù)(特別是最大靜功率、最大靜扭矩、油耗、排氣溫度等)；試驗后檢查主要包括：機油消耗量、氣缸壓縮壓力、竄氣量等。保養(yǎng)主要包括：更換機油、機油濾清器、空氣濾清器、柴油濾清器等[3]。

2 活塞失效模式及分析

活塞是柴油機中最重要的零件之一，一旦它出現(xiàn)失效，輕者影響性能，重者造成柴油機喪失工作能力。某公司的一款2.2 L柴油機在開發(fā)階段可靠性試驗過程中，出現(xiàn)多起活塞失效，其失效形式如下：

2.1 熔頂

活塞熔頂失效主要是因為活塞頂部局部過熱引起溫度超過活塞材料的熔點而導(dǎo)致的。如圖2所示，該活塞熔頂失效發(fā)生在該公司2.2 L柴油機在運行1 202 h高負(fù)荷可靠性試驗至86 h發(fā)生的。從圖中可以看到:活塞頂部已出現(xiàn)嚴(yán)重缺失和變形。經(jīng)排查分析，該失效是因為活塞冷卻噴管被松脫的連桿螺栓撞擊破裂，引起活塞冷卻不暢，從而溫度過高導(dǎo)致的。

圖2 活塞熔頂失效

關(guān)于柴油機活塞熔頂失效，大致梳理了以下幾點原因：

(1)機油冷卻噴管堵塞或斷裂，引起活塞冷卻不暢；

(2)活塞含有氣孔、夾渣、疏松、微裂紋等鑄造缺陷；

(3)噴油器出現(xiàn)霧化不好、滴油等工作不良現(xiàn)象，造成活塞局部溫度過高；

(4)水流量不夠?qū)е律岵涣?，活塞長時間處在高溫狀態(tài)。

2.2 開裂

在該款柴油機耐久試驗過程中，活塞開裂失效也出現(xiàn)多起。經(jīng)分析，此類失效主要原因有如下兩個：

原因一：活塞鑄造含有缺陷，氧化皮的厚度超過了允許值。如圖3所示，裂紋沿活塞在銷軸方向貫穿整個活塞頂部并擴展至燃燒室和環(huán)槽，燃燒室出現(xiàn)了較大的穿孔。通過對裂紋進(jìn)行電鏡放大觀察，很明顯地觀察到一個寬0.7 mm、深0.23 mm的氧化皮，經(jīng)查明這是導(dǎo)致活塞開裂的主要原因。

圖3 鑄造缺陷導(dǎo)致活塞開裂失效

原因二：外部顆粒進(jìn)入缸內(nèi)，造成活塞頂面凹陷，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中引起裂紋。該機在運行臺架可靠性試驗至669 h時，出現(xiàn)沿活塞銷軸方向的裂紋，整個裂紋貫穿燃燒室和活塞頂部并向活塞環(huán)擴散。通過對裂紋斷面進(jìn)行電鏡放大觀察(如圖4所示)，可以發(fā)現(xiàn)在裂紋初始方向上有一個0.5 mm×0.5 mm的凹坑，凹坑斷面處活塞已產(chǎn)生了塑性變形，該變形引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致活塞在高強度的運動中出現(xiàn)裂紋。

圖4 應(yīng)力集中導(dǎo)致活塞開裂失效

2.3 頂面凹坑麻點

從圖5可見，在活塞的頂部有很多深淺不一的大小凹坑，部分凹坑中還鑲嵌著金屬類顆粒。通常異物可能來自于以下幾方面：

圖5 活塞頂面凹坑麻點失效

(1)隨氣流經(jīng)氣道進(jìn)入燃燒室；

(2)氣門碎片落入燃燒室。

為了避免異物進(jìn)入缸內(nèi)，應(yīng)該嚴(yán)格控制進(jìn)排氣歧管、缸蓋氣道等零件的清潔度；按保養(yǎng)要求更換空氣濾清器濾芯。

2.4 氣門打頂

如圖6所示，在活塞的頂部表面可以看到清晰的活塞撞擊留下的壓痕，該失效形式一般為活塞的早期失效，產(chǎn)生的主要原因一般如下：

(1)正時相位發(fā)生變化，導(dǎo)致氣門開啟時間變化；

(2)氣門間隙發(fā)生變化；

(3)軸瓦磨損嚴(yán)重導(dǎo)致活塞行程變化，活塞運行至上止點時突出量變大；

(4)凸輪軸與軸座間隙過大，導(dǎo)致氣門升程變大。

圖6 活塞打頂失效

3 結(jié)論

結(jié)合作者工作實際，介紹了汽車柴油機可靠性試驗分類、方法、過程中檢查和保養(yǎng)，并結(jié)合1 202 h高負(fù)荷可靠性試驗具體說明；與此同時，以某公司一款2.2 L柴油機為例，淺析了柴油機活塞典型失效模式，以供參考。

[1]黃海燕.汽車發(fā)動機試驗學(xué)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2]CETP: 03.00-L-3xx(34)(I) 1202hr High Load System Durability Test[S].2005.

[3]GB/T 19055-2003汽車發(fā)動機可靠性試驗方法[S].

Analysis on Durability Test Methods of Diesel Engine and Classic Failure Model of Piston

LI Zhong

(Powertrain Engineering Department of Jiangling Motor Co., Ltd., Nanchang Jiangxi 330000, China)

Not only diesel engine has the characteristic of stronger power and saving fuel, but also the emission and NVH are improved greatly.Diesel engine is more and more taken as vehicles power, so higher requirements are raised for diesel engine’s reliability and durability. According to actual working condition, reliability testing methods for diesel engine and classic failure model analysis for piston were introduced.

Diesel engine; Durability testing; Piston; Classic failure model

2017-06-07

李忠，男，碩士，工程師，主要研究方向為發(fā)動機可靠性及耐久性。E-mail：liz_nc@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.019

U464.172

B

1674-1986(2017)07-072-03