陸軍裝備部駐泰安地區(qū)軍事代表室 于德澤，譚東東，張 超，劉 浩

隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，往返于高原地區(qū)的運輸車輛越來越多。為減少或避免高原地區(qū)運輸車輛發(fā)動機故障，本文通過采用故障樹分析法全面分析了高原環(huán)境下某型柴油發(fā)動機配氣機構(gòu)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(yīng)對措施，對降低高原地區(qū)柴油發(fā)動機故障率具有一定的指導(dǎo)意義。

發(fā)動機配氣機構(gòu)是進(jìn)、排氣管道的控制結(jié)構(gòu)，大多為氣門式配氣機構(gòu)，主要由氣門組和氣門傳動組組成。根據(jù)氣門安裝位置的不同，配氣機構(gòu)可分為氣門頂置式配氣機構(gòu)和氣門側(cè)置式配氣機構(gòu)。本文所分析的發(fā)動機配氣機構(gòu)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(xiàn)象

一輛搭載某型柴油發(fā)動機的運輸車，累計行駛里程約為5 900 km，在高原環(huán)境下出現(xiàn)發(fā)動機異響問題。故障發(fā)生地點位于海拔3 680 m，當(dāng)日最低氣溫為-28 ℃，最高氣溫為-12 ℃。經(jīng)拆解檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機配氣機構(gòu)的氣門挺柱發(fā)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(dǎo)致零部件早期變形。依托專業(yè)機構(gòu)對氣門挺柱化學(xué)成分和硬度進(jìn)行檢測，化學(xué)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(jìn)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(chǎn)生異常受力，導(dǎo)致?lián)p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(dǎo)致運動副卡滯，造成氣門挺柱斷裂。經(jīng)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(hù)說明書中要求，車輛在-30 ℃～30 ℃環(huán)境溫度中工作時，應(yīng)使用5W-30型發(fā)動機機油。經(jīng)查，故障發(fā)動機實際加注使用的發(fā)動機機油與技術(shù)要求相符。經(jīng)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(xiàn)象。因此機油不符合要求這一因素可以排除。

（2）油路堵塞。經(jīng)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(gòu)運動組件運行受阻，進(jìn)而可能導(dǎo)致氣門挺柱受力過大發(fā)生斷裂。經(jīng)分析，可能存在兩種原因使氣門產(chǎn)生積炭。

（1）高原、低溫環(huán)境影響。在高原環(huán)境下，空氣稀薄，氧氣含量減少，而發(fā)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(xiàn)象，造成氣缸體溫度過高，高溫環(huán)境導(dǎo)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(fā)動機處于熱機狀態(tài)，使用人員每天早晚會各起動一次車輛，具體操作為：起動發(fā)動機，進(jìn)行怠速（轉(zhuǎn)速為650 r/min）預(yù)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(tài)下，踩下離合器踏板→按下取力開關(guān)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(guān)，取力器斷開→緩慢松開離合器踏板。

操作完成后立即熄火結(jié)束，整體時長約為1 h。在此過程中發(fā)動機始終以怠速運轉(zhuǎn)，渦輪增壓器提供給發(fā)動機進(jìn)氣壓力較小，加之高原低溫環(huán)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(chǎn)生較多的積炭和膠狀物，最終會導(dǎo)致氣門挺柱運動不暢，配氣機構(gòu)中的氣門挺柱受異常沖擊，發(fā)生斷裂。

經(jīng)拆解檢查，發(fā)現(xiàn)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(jìn)、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(dǎo)致配氣機構(gòu)運動部件產(chǎn)生沖擊，當(dāng)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(fā)動機各氣門間隙，均滿足技術(shù)要求（進(jìn)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(jīng)對故障樹所列可能因素逐一排查分析，認(rèn)為造成發(fā)動機故障的主要原因為：在高原低溫環(huán)境下，發(fā)動機怠速運行時間過長，氣門處產(chǎn)生積炭和膠狀物，導(dǎo)致氣門傳動組運動不暢，氣門挺柱受到異常沖擊，發(fā)生斷裂。

3 原因分析

柴油發(fā)動機是通過將柴油噴射到高溫、高壓的燃燒室內(nèi)進(jìn)行壓燃工作。若要保證燃油混合氣按預(yù)期著火，必須保證燃燒室在壓縮終點達(dá)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(shù)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(shù)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(nèi)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(dǎo)致機油和未燃燒的柴油裂化，形成積炭及膠狀物。

發(fā)動機在運行過程中排氣門打開，在高原、低溫和怠速環(huán)境中形成的氣缸燃燒室內(nèi)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(dǎo)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(fā)生卡滯。停機后，氣門和氣門導(dǎo)管恢復(fù)至大氣溫度，膠狀物會因低溫變得堅硬，將排氣門和氣門導(dǎo)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(xiàn)氣門挺柱斷裂、挺桿彎曲等現(xiàn)象。

查看維修手冊發(fā)現(xiàn)，該發(fā)動機排氣門桿與氣門導(dǎo)管的標(biāo)準(zhǔn)間隙為0.08 mm～0.11 mm；進(jìn)氣門與氣門導(dǎo)管的標(biāo)準(zhǔn)間隙為0.06 mm～0.095 mm。將故障發(fā)動機各氣缸的進(jìn)、排氣門和進(jìn)、排氣門導(dǎo)管直徑進(jìn)行測量，根據(jù)測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)動機進(jìn)、排氣門積炭嚴(yán)重，進(jìn)排氣門與進(jìn)、排氣門導(dǎo)管間的間隙不合格。

4 結(jié)論

車輛在高原環(huán)境下使用，特別是怠速時間過長容易造成燃油在氣缸內(nèi)不能完全燃燒，產(chǎn)生積炭，導(dǎo)致排氣門和氣門導(dǎo)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(xiàn)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(fā)動機進(jìn)、排氣門油封。

（2）調(diào)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(diào)整發(fā)動機噴油泵的噴油量，以滿足發(fā)動機在高原環(huán)境中使用。

（3）完善使用維護(hù)說明書。在高原環(huán)境下（海拔高于1 000 m），氣門間隙應(yīng)每250 h調(diào)整1次，發(fā)動機機油每6個月更換1次。