李月亮 袁玉波 張傳福 丁恩平

摘要： 本文介紹了東風(fēng)系列內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)用噴油器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和常見故障形式，針對機(jī)車實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的噴孔變大進(jìn)行故障項點梳理，通過油品檢測、宏觀觀測、硬度檢測、微觀形貌等方法，逐步排除所列故障項點，最終分析出可能是穴蝕導(dǎo)致噴孔變大，建議供應(yīng)商嚴(yán)控噴孔入口圓角半徑和噴孔內(nèi)表面加工精度以削弱穴蝕影響。

Abstract： This paper introduces the basic structure， working principle and common fault forms of Dongfeng series diesel locomotive diesel fuel injectors， and sorts out fault points for the enlarged nozzle holes in the actual application process of locomotives. ， hardness testing， micro-morphology and other methods， gradually eliminate the listed fault points， and finally analyze that it may be cavitation that may lead to the enlargement of the nozzle hole. It is recommended that the supplier strictly control the fillet radius of the nozzle hole entrance and the machining accuracy of the nozzle hole inner surface to ensure that the nozzle hole becomes larger. Reduces cavitation effects.

關(guān)鍵詞： 噴孔變大;硬度檢測;微觀形貌;穴蝕

Key words： enlarged orifice;hardness testing;microscopic morphology;cavitation

中圖分類號：U269.5+5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0188-03

0 ?引言

東風(fēng)系列內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)燃油系統(tǒng)設(shè)有燃油精濾器、低壓輸油管系、噴油泵、高壓燃油管、噴油器、限壓閥以及相關(guān)回油管路組成，為保證向柴油機(jī)供給足量且具有一定壓力的燃油，機(jī)車上還設(shè)有一套柴油機(jī)機(jī)外燃油供給系

統(tǒng)[1]。在實際運用過程中，低壓供油系統(tǒng)的故障率較低，一般僅是噴油泵、噴油器兩個高壓精密運動件容易出現(xiàn)故障，本文僅對噴油器故障進(jìn)行分析和處理。

1 ?噴油器介紹

東風(fēng)系列內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)用噴油器為多孔、低慣性噴油器，由噴油器體、調(diào)整墊、彈簧上座、調(diào)整彈簧、彈簧下座、支座板、壓緊螺帽、針閥偶件等組成。針閥直徑？準(zhǔn)7mm，升程為0.6mm，壓力室直徑2.8mm，噴孔為8×0.45mm×155°，噴孔長度1.6mm，啟噴壓力為34.5±0.5MPa。

2 ?噴油器的工作原理

噴油器的主要功能是將由噴油泵供給的高壓燃油通過噴散將大氣霧化，并合理的分配至燃料室，與高速流通的空氣相互混合，以產(chǎn)生平衡良好的可燃混合氣。

當(dāng)噴油器進(jìn)行工作時，來自噴油泵泵出的高壓燃油，首先通過高壓燃油管、進(jìn)油接桿進(jìn)入噴油器裝孔體上部的進(jìn)油道，然后再經(jīng)支座板油道進(jìn)入針閥體上部的環(huán)形凹槽，再分三路油軌進(jìn)入蓄壓腔中，如圖1所顯示，作用于針閥的承壓板錐面上，對針閥產(chǎn)生了一個正向的軸向式推動力，當(dāng)燃油壓力超過34.5±0.5MPa時，推動力將超過調(diào)壓彈簧的預(yù)緊力，針閥向上移，從密封錐面脫離閥座，高壓燃油流入壓力室，并沿各噴油嘴向高速的方向噴進(jìn)燃料室中。

噴油泵終止供油時，隨著壓力卸載式出油閥的功能，高壓燃油管道氣壓急劇降低并維持正常氣壓為11～13MPa，此時針閥所受軸向推力等于調(diào)壓彈簧的預(yù)緊力，針閥在調(diào)壓彈簧幫助下復(fù)位，保護(hù)錐面回落至閥座以下，噴孔封閉，終止了噴油。

由于針閥偶件的間隙，蓄壓腔內(nèi)部分燃油泄漏到彈簧端，從泄漏油口處重力回油到燃油箱內(nèi)。這部分泄漏的燃油起到潤滑冷卻針閥偶件的作用。

3 ?噴油器常見故障

噴油器的針閥口與針閥體配合縫隙，一般在0.002～0.0045mm，但柴油機(jī)若長時間工作，很易堆積污垢和雜質(zhì)，導(dǎo)致針閥偶件卡滯或磨損。同時，由于針閥偶件位于燃油室的上方，且周圍環(huán)境為高溫高壓的不良環(huán)境，并受高壓高速燃油沖擊噴孔內(nèi)壁，極易造成噴孔形態(tài)改變。

噴油器容易失效于高速運動位置，主要有針閥的導(dǎo)向柱面和密封錐面處，受200～240m/s高速燃油沖刷的噴孔處，以及疲勞斷裂的彈簧，本文也是對此分別進(jìn)行故障分析，如圖2所示。

3.1 導(dǎo)向柱面失效

因加工、組裝或間隙中存在雜質(zhì)等因素，引起針閥間隙變小。

如果間隙過小時，導(dǎo)致針閥在針控制閥中出現(xiàn)卡緊或咬死，則針閥將無法進(jìn)行啟閉甚至完全無法啟閉。而如果針閥在閉鎖狀況咬死，則該缸將由于停油或熄火，柴油機(jī)的速度突然降低而不穩(wěn)定。該缸的排溫明顯降低，噴射系統(tǒng)中的油壓也驟然增大，最嚴(yán)重時在高壓油管接頭處會出現(xiàn)漏氣甚至爆裂，同時噴油泵和高壓油氣管也將發(fā)熱，高壓油氣管脈動程度嚴(yán)重。如果針閥在針控制閥中卡緊或沒有進(jìn)行閉鎖，則會導(dǎo)致霧化程度不足，燃燒效果變差，后燃問題嚴(yán)重，排放溫度明顯上升，此時高壓燃料管脈動程度將降低。形成此類故障的主要因素是油中的機(jī)械雜質(zhì)流入針閥偶件內(nèi)部，如噴油器的冷卻水不好，針閥偶件內(nèi)部過熱和變形，裝配不良以及壓緊的螺栓和螺母過緊等。

由于機(jī)械損壞、銹蝕、偶件與自身尺寸間隙大等原因，造成了針閥偶件孔隙過大，漏氣異常，噴油壓力不夠，霧化效果不好，柴油機(jī)冒黑煙。此外，在高壓系統(tǒng)中還有發(fā)生穴蝕的可能性。當(dāng)各缸噴射器針閥偶件的導(dǎo)向柱面磨損不一致時，則各缸噴射量也不一致。這個現(xiàn)象在低負(fù)載時會特別明顯，影響了發(fā)動機(jī)低負(fù)載運行時的穩(wěn)定性。

導(dǎo)向柱面磨損后不能通過研磨恢復(fù)其密封性，應(yīng)當(dāng)在發(fā)現(xiàn)其密封性下降后予以及時更換新針閥偶件。

3.2 密封錐面失效

沖擊磨損、腐蝕、空蝕、疲勞破壞座面;雜質(zhì)、積碳等臟物聚集在座面，破壞座面線位置的密封性;座面偏心、座面角不正確等加工尺寸問題或組裝不當(dāng)引起配合失效，這些都將導(dǎo)致密封錐面失效，出現(xiàn)噴油壓力低、滴油、霧化不良等問題，柴油機(jī)運轉(zhuǎn)波動較大，冒黑煙。

針閥與閥座密封不可靠，存在縫隙，存在漏油現(xiàn)象，破壞了噴油束與燃燒室的匹配關(guān)系，燃燒火焰在噴孔附近燃燒，造成積碳嚴(yán)重，噴油孔阻塞。噴油孔阻塞使噴射持續(xù)期延長，后燃嚴(yán)重，并可能出現(xiàn)二次噴射。噴油霧化差，燃燒不良。

密封錐面失效后，可仔細(xì)研磨以恢復(fù)其密封性。但當(dāng)針閥出現(xiàn)下沉?xí)r必須更換新針閥偶件。

3.3 噴孔失效

磨損、腐蝕、燒蝕、空蝕等因素導(dǎo)致噴孔變大，霧化不良，柴油機(jī)冒黑煙。尤其是在針閥關(guān)閉后，由于針閥關(guān)閉產(chǎn)生的壓力擾動和斷油是噴油孔內(nèi)的壓力迅速降低而產(chǎn)生空化，噴油孔道中的空泡與流道孔徑相當(dāng)，燃油粘度大，形成空泡所需的能量高;空泡尺度大，能量高，潰滅時對流道孔壁的損傷大，容易形成竹節(jié)狀、喇叭口狀的流道形貌。

燒蝕、積碳阻塞了噴孔，導(dǎo)致噴孔面積縮小，使噴出的距離變短，燃燒更靠近于噴水嘴，再反過來加速了噴孔結(jié)炭，直到噴孔完全阻塞。如果噴孔的阻塞問題嚴(yán)重，各缸噴出量將不平衡，使柴油機(jī)在低速下行駛時運轉(zhuǎn)不平衡，高壓汽油管脈動加大，噴油時間拉長，后燃增加等。噴孔的這些故障都會造成汽油霧化不好，點燃速度下降。

柴油機(jī)在運行過程中，針閥關(guān)閉后，噴孔內(nèi)的殘余汽油產(chǎn)生了一層薄靜壓油膜，若受到高溫和高壓等環(huán)境的影響，極易引起熱裂化反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量積炭。燃油雜質(zhì)多、機(jī)油竄入燃燒室等也會形成積碳，積碳堵塞噴孔，高壓油管內(nèi)最大壓力變大，噴射持續(xù)期延長，可能造成二次噴射。噴孔堵塞嚴(yán)重時將不噴油。

噴孔失效后，應(yīng)當(dāng)在發(fā)現(xiàn)其孔徑異常后予以及時更換新針閥偶件。

3.4 彈簧失效

除彈簧本身因素，一般情況下，彈簧達(dá)到疲勞壽命極限而斷裂，導(dǎo)致啟噴壓力異常，柴油機(jī)工作異常，嚴(yán)重影響機(jī)車正常作業(yè)。

磨損、腐蝕、塑性變形等因素導(dǎo)致彈簧剛度變小而提前噴射，嚴(yán)重時導(dǎo)致二次噴射，針閥無法落座，錐面密封

失效。

磨損、腐蝕彈簧端面，造成彈簧與座之間間隙變大，啟噴壓力變小，啟噴始點提前，端面磨損嚴(yán)重時，高壓油管內(nèi)殘余壓力高于啟噴壓力，造成多次噴油等問題。同時，啟閥壓力降低或針閥關(guān)閉不嚴(yán)，導(dǎo)致燃油霧化不良，噴油提前，燃燒粗暴。

4 ?噴油器故障案例

東風(fēng)系列內(nèi)燃機(jī)車在機(jī)務(wù)段運用過程中曾出現(xiàn)過冒黑煙問題，針對該問題首先通過查看主發(fā)參數(shù)，排除超載因素影響;通過檢查進(jìn)排氣系統(tǒng)無泄漏、檢查增壓器工作正常，排除進(jìn)排氣因素影響，通過感受高壓油管脈沖狀態(tài)，排除噴油泵泵油影響;經(jīng)負(fù)載、進(jìn)排氣、供油等燃燒室外部因素逐一排查后，仍無法找到冒黑煙問題原因，所以應(yīng)從燃燒室內(nèi)部角度查找，通過測量各缸壓縮壓力，排除缸內(nèi)狀態(tài)影響，拆掉噴油器，從外觀上發(fā)現(xiàn)噴油器噴孔異常，積碳嚴(yán)重，清理噴孔積碳后，發(fā)現(xiàn)噴油器噴孔變大且孔徑各異，這就導(dǎo)致燃油霧化不良，柴油機(jī)冒黑煙。

4.1 噴孔變大故障分析

噴油器噴孔變大故障主要可能原因是磨損、腐蝕、燒蝕、空蝕[2]。需根據(jù)現(xiàn)象逐一排查。

當(dāng)燃油中含雜質(zhì)較多會產(chǎn)生磨損，但噴油器針閥偶件材料大都采用耐磨損，耐腐蝕的高碳鉻軸承鋼，且針閥體一般采用滲碳淬火，因此予以排除。

當(dāng)油品中含硫過高使得噴油器噴孔遭受嚴(yán)重的高速燃油沖刷，產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象進(jìn)而使噴孔直徑變大。

當(dāng)燃燒室溫度過高、缸內(nèi)進(jìn)氣量過少、燃油不清潔或噴油時間過晚，這些都會造成噴孔積碳并聚集在噴油嘴上，造成噴孔燒蝕變形。

燃油系統(tǒng)管路中含有空氣并隨高壓油泵進(jìn)入到噴油器內(nèi)，泵油壓力異常，錐面密封異常，噴孔入口圓角未加工或圓角太小，噴孔內(nèi)表面粗糙，這些都會造成空蝕，使得噴孔變大[3]。

4.2 噴孔變大故障處理

首先檢查燃油管路和噴油泵工作正常，排除管路有氣和噴油泵泵油壓力異常導(dǎo)致穴蝕影響。

其次化驗油品，符合GB19147-2016（Ⅵ）《車用柴油》要求，排除含硫腐蝕和雜質(zhì)磨損影響。

結(jié)合噴孔變大故障原因分析和上述故障處理后，仍然無法找到噴孔變大的真正原因，所以將針閥體剖開，從噴孔內(nèi)部形貌角度分析噴孔變大原因，如圖4所示。宏觀觀測發(fā)現(xiàn)噴孔呈喇叭形，進(jìn)油處小、出油處大，密封錐面與壓力室（A處）中呈黑色，靠近密封面的油腔（B處）中呈黑色，丙酮超聲清洗不掉，基本可以排除是燃油中的雜質(zhì)沉積，可能是針閥與閥座密封不可靠，存在縫隙，如燃油中存在顆粒雜質(zhì)或積碳，沉積于密封面上產(chǎn)生縫隙，燃燒室中氣體回流積碳，呈灰黑色。同時，針閥與閥座的錐形密封面未磨損，接觸狀態(tài)良好，基本可以排除錐面密封異常導(dǎo)致噴孔穴蝕影響。

對針閥體心部和流道附近位置進(jìn)行硬度檢測，根據(jù)檢測結(jié)果顯示，針閥體材料為18CrNi8，滲碳層深度0.3～0.7mm，硬度58～62HRC;檢測表面硬度HV500g≈700，相當(dāng)于60HRC，按照GB/T9450檢驗有效硬化層深度，心部滲碳層深度0.55～0.65mm。該處硬度無明顯下降，針閥體無明顯過熱而產(chǎn)生進(jìn)一步回火現(xiàn)象，排除因溫度過高而發(fā)生熱蝕影響。一般認(rèn)為噴孔內(nèi)外結(jié)炭主要是噴油嘴過熱所致，若噴油器冷卻不良或燃燒距噴油嘴太近，則噴油嘴溫度升高，燃油流經(jīng)噴孔時在噴孔內(nèi)形成結(jié)炭。噴孔外周的結(jié)炭除了噴油嘴溫度過高外，主要是由于針閥密封不嚴(yán)或關(guān)閉不及時所引起的，但噴油嘴的硬度測試結(jié)果并沒有明顯的噴油嘴過熱現(xiàn)象。

對針閥體噴孔進(jìn)行微觀形貌檢測，根據(jù)檢測結(jié)果顯示，噴孔孔徑呈竹節(jié)狀，內(nèi)表面呈波浪形，其中左側(cè)孔徑內(nèi)表面嚴(yán)重積碳;積碳表面存在圓形剝落，為穴蝕坑斑。而噴孔入口圓角不明顯，說明燃油沖蝕作用弱;積碳層剝離

翹曲。

對壓力室及閥座進(jìn)行微觀檢測，其中壓力室內(nèi)積碳嚴(yán)重，無明顯穴蝕現(xiàn)象。閥座處無穴蝕現(xiàn)象，閥座及靠近閥座的油腔中存在黑色物（丙酮超聲、脫脂棉擦洗不掉），針閥密封錐面與閥座密封不可靠，燃燒室中氣體回流積碳，呈灰黑色。

綜上分析可能是穴蝕導(dǎo)致噴孔變大，霧化不良而燃燒惡化，造成積碳嚴(yán)重，不僅堵塞噴孔，而且影響閥座密封;而造成噴孔穴蝕的主要原因可能是該噴油器噴孔加工的入口圓角半徑小或噴孔內(nèi)表面質(zhì)量較差。

5 ?結(jié)束語

通過針閥偶件宏觀觀測、硬度檢測、微觀形貌等分析手段，排除磨損、腐蝕、熱蝕的影響，初步分析可能是該噴油器加工的入口圓角和噴孔內(nèi)表面粗糙導(dǎo)致穴蝕，所以建議供應(yīng)商嚴(yán)控針閥偶件加工質(zhì)量，確保噴孔入口圓角半徑和噴孔內(nèi)表面加工質(zhì)量滿足使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]大連機(jī)車車輛廠.東風(fēng)4D型內(nèi)燃機(jī)車.2.大連機(jī)車.

[2]易浩.針閥式噴油器失效因素研究[D].重慶理工大學(xué)，2019.

[3]張文權(quán).柴油機(jī)噴油嘴內(nèi)空化與空蝕特性研究[D].江蘇大學(xué)，2018.

[4]王國輝.內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)氣缸套磨損故障分析及處理[J].中國周刊，2020（4）：1.

[5]盧秀霞，李曉靜.內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)常見故障及處理方法分析[J].設(shè)備管理與維修，2020（12）：3.

[6]周學(xué)福.內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)常見故障及處理方法[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（1）：2.