气门弹簧弯曲倾斜引发的柴油机故障分析

作者:未知

  随着现代汽车技术的发展,越来越多的汽车故障反映在车辆的电控系统上,因此修理厂的维修人员往往更注重车辆的诊断与故障分析,而对于一些基础的机械类故障却不愿花费心思。所以他们遇到机械类故障后,往往通过更换配件解决现有故障,不会深究故障产生原因以及更换质量是否达标。
  然而对于很多营运车辆尤其是商用车辆来说,一些机械类部件维护和修理一定要严格按照规范操作,否则车辆的寿命将会受到影响,从而损害到车主的切身利益甚至生命安全。就拿发动机配气机构的维护和修理来说,这本来是发动机维修中一项基础而又重要的内容,但是笔者在多年的从业经历中,已经发现很多起因为没有严格按照技术标准对机构的各个零部件进行检查,未能及时发现问题并解决,从而造成车辆存在隐患并引发故障的案例。下面以实例进行分析说明。
  故障现象:一辆搭载风神EQ6102型柴油机的EQ1048型载货车,在高速公路的一段下坡路段上空载、高挡高速行驶中,驾驶员突然听到发动机有较强烈的异响,同时发现车身后面烟气较大。当驾驶员准备靠边停车时,车辆自动熄火、滑行至路边。后车辆被拖到修理厂检修。
  检查分析:维修人员转动曲轴发现,无论正转还是反转,曲轴都只能转动多半圈;点火起动时起动机也只能带动半圈。这说明有异物卡在气缸内。维修人员对发动机进行解体检查,发现第2缸进气门的锁夹脱出,气门落入气缸,气门杆弯曲并折断成两段。根据解体情况和痕迹复原,发现气门头部与杆部同时嵌入活塞顶部的燃烧室中(图1),活塞顶部有未熔化的铝合金碎屑、铁渣等。
  另外2缸活塞的2道气环和1道油环全部抱死,活塞头部有拉伤、粘缸痕迹(图2),气缸也有明显的拉伤痕迹。活塞内腔顶部变形且有与连杆小头干涉磨损的痕迹。
  进一步检查发现,2缸进气门锁夹已经损坏(图3),气门弹簧座上下两面都有碰击痕迹,气门推杆弯曲。气缸盖上2缸燃烧室、气门座圈等有碰击痕迹,喷油器被碰坏。2缸进气门导管进入气道的部分折断。此外,3缸活塞顶也有拉缸痕迹,第1和第2道气环抱死。
  从拆检的情况来看,故障的起因是发动机工作中,2缸进气门锁夹脱出,導致气门失去锁止而落入气缸。在活塞的碰击下,气门头部折断并嵌入活塞顶部,使活塞发生膨胀。加之活塞、气门头部以及杆部等相互碰击并与气缸盖的碰击产生碎屑,造成2缸活塞粘缸、拉伤、活塞环抱死、缸套及气缸盖等损坏。由于气门头部及杆身的嵌入,使得活塞内腔顶部膨胀变形,与往复运动的连杆小头相互干涉而产生了磨损。
  而且,当2缸进气门落入气缸后,2缸便与进气道相通。当3缸在进气行程时,2缸排气时部分渣屑会被排入进气管内,又被邻近的3缸吸入,造成3缸活塞拉缸、2道气环抱死。
  故障发生时产生烟气,是因为2、3缸活塞气缸粘缸、抱环、拉伤时,机油沿着缸壁与活塞之间的间隙、拉痕窜进2、3缸燃烧室,又通过进气道被吸入各个气缸,燃烧不完全产生烟气排出;同时,由于2缸进气门的脱落,在排气行程,通过2缸使进、排气道相通。此为非增压柴油机,排气系统压力高于进气系统,一部分排出的气体会窜入进气系统,造成各缸进气、燃烧紊乱而产生烟气。
  该车故障原因并不复杂,是因为2缸进气门锁夹脱出而导致。但是,这个锁夹为什么会脱出呢?该车可是一直正常维保,使用也很正常。最关键的是,笔者了解到,类似的故障并不少见。经过进一步检查,笔者发现了此类故障产生的真正原因。
  通过图3观察比较可以看出,2缸进气门两片锁夹的损坏是不同的。左片锁夹的内环凸键,就是与气门杆尾部环槽配合的卡锁内环凸起部分已不复存在,没有剪切痕迹,且其内外两侧、特别是内侧有明显的磨损痕迹。其倒锥形下端最薄处仅有0.9mm,说明这片锁夹的凸键是因磨损而消失的。
  而右片锁夹有内环凸键,其内外侧的磨损较轻且其下端最薄处有1.2mm,其内环凸键完整、但有部分被挤压变形。
  由此推断,左片锁夹因内环凸键磨损消失、失去卡锁作用而先行脱出。此时,右片锁夹与弹簧座及气门杆产生间隙、不能锁止气门杆。三者失去一体配合,倒锥形的锁夹向上运动脱出、“扣”在弹簧座的孔边(图4),随后受到摇臂端碰击。气门弹簧座上下两面的碰击痕迹在同一方向上,上面的碰击痕迹是摇臂端碰击右片锁夹造成。下面的痕迹是气门杆端在碰击座的过程中碰撞、滑移产生的痕迹(图5)。
  弹簧座内圈的最厚处为7mm,而在未受到碰击时右片锁夹搭扣在弹簧座上的弓形高度约为2.5mm。向缸内滑落的气门受到活塞碰击、气门杆向上运动顶住偏离导管中心线的弹簧座、右片锁夹及气门摇臂时,气门传动链中增加了约9.5mm的长度,致使整个传动链顶死。活塞在上止点附近碰击气门、与凸轮轴支撑力共同作用,第2缸进气传动链整体受力超限,造成右片锁夹挤压损坏、弹簧座上下端面产生碰痕、气门导管折断、气门推杆弯曲等。随后进气门落入缸内且头部与杆部折断,使故障进一步扩大。
  故障排除:维修人员对发动机大修,更换了主要零部件,包括气缸套、活塞、活塞销和活塞环等四配套件,以及气缸盖摇臂轴总成(包括进排气门及弹簧等各一组)、气门推杆一根。修复后该车恢复正常工作。
  回顾总结:通过上述分析,整个故障发生的过程被还原。但是,由于装配气门弹簧时有预压缩力的存在,所以从理论上来说,气门的锁夹、弹簧座与气门杆三者是一体配合、相对静止不动。如果弹簧弹力不足,锁夹、弹簧座与气门杆三者之间会有相对运动发生,并且两片气门锁夹应同步摩擦,磨损程度相近。那么,为什么本例故障中两片锁夹磨损是不同的呢?
  通过观察进气门弹簧下端面可以看出,有未磨损到的较大暗痕存在(图6)。磨损不均匀,说明弹力沿弹簧周向不均匀。将气门弹簧放到平板上测量,有暗痕一侧高度为57.2mm,其对面高度为57.9mm,弹簧弯曲;以90°角尺检查,与暗痕约成直角的上下相对两侧位置,角尺与弹簧有约1.5mm的间隙,通过作图测得该夹角为2.3°,这说明弹簧还有倾斜存在。
  弹簧弯曲并倾斜,弹簧座因受力不平衡,导致在运动中带动左片锁夹与气门杆产生相对运动,从而产生磨损,锁夹内环凸键磨平失去卡锁作用而脱出。看来这才是故障产生最根本的原因。按照技术标准规定:气门弹簧端面与中心线轴的垂直度偏差不得超过2°,如超过即应更换。
  所以笔者推断,这辆使用多年的旧车,虽然发动机和配气机构经过维修和保养,但没有按照技术要求对气门弹簧进行检查、更换,弹簧轴线的弯曲倾斜引发了重大的发动机事故。虽然这起故障发生在商用载货车辆上,但是在很多乘用车上也发生过类似的故障。因此在此建议广大维修人员,在维修工作中,尤其是机械类维修,一定要按照维修标准进行,否则将会为车辆后续的工作带来安全隐患。
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